CH671673B5

CH671673B5 -

Info

Publication number: CH671673B5
Application number: CH234/88A
Authority: CH
Inventors: James A Barnes; Enrico A Rodrigo
Original assignee: Austron Inc
Priority date: 1988-01-25
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1990-03-30
Also published as: CH671673GA3

Abstract

A predetermined bias voltage is applied to the input of a summing intergrator in a frequency lock loop to provide fine tuning control of a voltage controlled crystal oscillator. The predetermined bias voltage is summed and integrated with a pahse error signal to alter the output fr frequency of the volage controlled crystal oscillator. Since the servo loop operates to null the net voltage at the input of the integrator, the cirvuit induces a frequency error whichjust compensates for the intentional voltage offset vias applied to the integrator. The offset bias arrangement produces incremental offsets within a total range of about three parts in ten to the eleventh power.

Description

DESCRIZIONE La presente invenzione concerne un campione di frequenza atomico con fisquenza, stabilizzata e regolabile, comprendente un risonatore di frequenza atomico che fornisce un segnale ad una frequenza corrispondente ad una frequenza di risonanza di transizione di un quanto meccanico. DESCRIPTION The present invention relates to an atomic frequency sample with fisquence, stabilized and adjustable, comprising an atomic frequency resonator which provides a signal at a frequency corresponding to a transition resonance frequency of a mechanical quantum.

Il termine generale «orologio atomico» è stato liberamente applicato a qualsiasi dispositivo che dipende, per quanto riguarda la propria costanza di operazioni, dalla frequenza di una linea spettrale, vale a dire dalla differenza di energia di due stati, per la misura degli intervalli di tempo The general term "atomic clock" has been freely applied to any device that depends, as regards its constancy of operations, on the frequency of a spectral line, that is, on the energy difference of two states, for the measurement of the intervals of time

(si vede ad esempio il brevetto USA no. 3 206 693). In alcuni casi, questi stati sono quelli di un atomo, per esempio i due stati in cui lo stato di base del cesio viene separato in un campo magnetico; in altri casi, essi sono quelli di una 5 molecola, per esempio lo spettro di vibrazione dell'ammoniaca. (see for example U.S. Pat. No. 3 206 693). In some cases, these states are those of an atom, for example the two states in which the basic state of cesium is separated into a magnetic field; in other cases, they are those of a 5 molecule, for example the vibration spectrum of ammonia.

Orologi atomici vantaggiosi sono stati costruiti impiegando un fascio di atomi di cesio. Il fascio viene separato in due componenti di spin (quantità di moto angolare), in io cui la componente costituita da atomi in uno dei due possibili stati, per esempio lo stato di spin-up, viene fatta passare in una camera risonante alimentata da un oscillatore. Gli atomi invertiranno le loro quantità di moto angolare e come conseguenza cambieranno stato se la i5 frequenza delle microonde dell'oscillatore è uguale alla frequenza di risonanza. Una seconda separazione del fascio successiva dà luogo ancora a due componenti con spin opposti: le intensità relative di questi due stati possono essere misurate ed impiegate per mantenere l'oscillatore in 20 esatta risonanza. Il periodo di oscillazione viene quindi adattato alla frequenza della linea spettrale ed il numero di oscillazioni in un intervallo di tempo può essere conteggiato con mezzi elettronici. Advantageous atomic clocks were built using a beam of cesium atoms. The beam is separated into two spin components (angular momentum), wherein the component consisting of atoms in one of two possible states, for example the spin-up state, is passed through a resonant chamber powered by a oscillator. The atoms will invert their angular momentum and will consequently change state if the i5 frequency of the oscillator microwaves is equal to the resonance frequency. A second separation of the subsequent beam still gives rise to two components with opposite spins: the relative intensities of these two states can be measured and used to maintain the oscillator in exactly 20 resonance. The period of oscillation is then adapted to the frequency of the spectral line and the number of oscillations in a time interval can be counted by electronic means.

Questi campioni atomici di frequenza forniscono le 25 frequenze più stabili disponibili. L'orologio al cesio in funzione presso il National Bureau of Standards richiede l'impiego di metallo di cesio vaporizzato ottenuto da un forno elettrico. Il processo atomico implica una transizione nell'asse di precessione (quindi un campo elettromagnetico) 30 dell'elettrone esterno dell'atomo di cesio. La radiofrequenza richiesta è 9.192.631.770 Hz (cicli al secondo) e la accuratezza è data da una variazione inferiore ad una parte su dieci alla tredicesima potenza. These atomic frequency samples provide the 25 most stable frequencies available. The cesium clock in operation at the National Bureau of Standards requires the use of vaporized cesium metal obtained from an electric oven. The atomic process involves a transition in the precession axis (hence an electromagnetic field) 30 of the external electron of the cesium atom. The required radio frequency is 9,192,631,770 Hz (cycles per second) and the accuracy is given by a variation less than one part in ten at the thirteenth power.

I laboratori dei campioni nazionali conservano un gran 35 numero di questi orologi atomici per fondare le basi legali del tempo nei loro paesi. Questi insiemi di orologi (o «scale dei tempi») vengono confrontati internazionalmente dall'In-ternational Time Bureau (BIH) a Parigi, Francia, per formare il Tempo Atomico Internazionale (TAI). Il BIH 40 forma anche una scala dei tempi chiamata UTC, che è un compromesso tra il tempo atomico puro (TAI) ed il «tempo terrestre» (UTI). Quasi tutte le nazioni basano il loro tempo ufficiale sull'UTC sfasato di un numero intero di ore corrispondenti ai fusi orari appropriati. Ciascun laboratorio 45 di campioni partecipanti governa la propria regolazione dell'UTC in maniera da approssimare quella del BIH. The national champion labs retain a large number of these atomic clocks to establish the legal foundations of the time in their countries. These sets of clocks (or "time scales") are compared internationally by the International Time Bureau (BIH) in Paris, France, to form the International Atomic Time (TAI). BIH 40 also forms a time scale called UTC, which is a compromise between pure atomic time (TAI) and "earth time" (UTI). Almost all nations base their official time on UTC offset by an integer number of hours corresponding to the appropriate time zones. Each laboratory 45 of participating samples governs its own UTC regulation to approximate that of BIH.

Oltre ai laboratori campioni nazionali, molte organizzazioni hanno bisogno di una accuratezza da orologio atomico per vari sitemi. Esempi tipici includono i sistemi so delle telecomunicazioni, i sistemi di navigazione elettronica quali il Loran-C, il Transit, il sistema di posizionamento globale e laboratori scientifici. Vi sono al giorno d'oggi decine di migliaia di orologi atomici in uso in tali applicazioni. In addition to national sample laboratories, many organizations need atomic clock accuracy for various systems. Typical examples include telecommunication systems, electronic navigation systems such as Loran-C, Transit, the global positioning system and scientific laboratories. There are nowadays tens of thousands of atomic clocks in use in such applications.

55 Sebbene gli orologi atomici possano realizzare accuratezze di una parte su dieci alla dodicesima potenza o più alte, le inaccuratezze possono ammontare a diverse decine di microsecondi di errore nel termine di un anno. Sebbene ciò possa sembrare insignificante, molti sistemi necessitano 60 questo livello di accuratezza e potrebbero richiederne uno ancora maggiore. Come tutti gli orologi, gli orologi atomici perdono il sincronismo con un orologio principale. La differenza è soltanto nella grandezza dei numeri, non nella loro importanza. 55 Although atomic clocks can achieve accuracy of one part in ten at twelfth power or higher, inaccuracies can amount to several tens of microseconds of error within a year. While this may seem insignificant, many systems need this level of accuracy 60 and may require an even greater one. Like all clocks, atomic clocks lose synchronism with a main clock. The difference is only in the size of the numbers, not in their importance.

65 Gli orologi atomici sono più stabili in frequenza di quanto siano accurati in frequenza. Vale a dire, una volta regolata, la frequenza di un tipico fascio di cesio campione varia solo lievemente (1,0 elevato alla meno tredici). Cosi 65 Atomic clocks are more stable in frequency than they are accurate in frequency. That is to say, once adjusted, the frequency of a typical sample cesium beam varies only slightly (1.0 raised to minus thirteen). So

èli èli G èli èli G

4 4

come ottenuta, tuttavia, la frequenza del fascio di cesio può differire dal campione internazionale nella misura di +j — 5,0 elevato alla meno dodici. Di conseguenza, è desiderabile avere la capacità di effettuare una fine regolazione di sintonia (+/— 3,0 elevato alla meno undici) su campioni atomici di frequenza. Con tale mezzo, la frequenza dell'orologio locale potrebbe essere regolata o sfalsata per concordare più strettamente con i campioni nazionali o con altri sitemi di riferimento. as obtained, however, the frequency of the cesium beam can differ from the international sample in the measure of + j - 5,0 raised to minus twelve. Consequently, it is desirable to have the ability to perform fine tuning adjustment (+/— 3.0 raised to minus eleven) on atomic frequency samples. By this means, the frequency of the local clock could be adjusted or offset to agree more closely with national champions or other reference systems.

Oltre a ciò, le scale dei tempi internazionalmente riconosciute sono deliberatamente regolate di tanto in tanto. Alla fine di ogni anno può essere necessario regolare le scale dei tempi riconoscuite per tener conto delle fluttuazioni nel campione primario di frequenza. Naturalmente, per conservare l'utilità dei campioni atomici di frequenza, è desiderabile sfalsare le loro uscite per conformarsi al campione nazionale. In addition, the internationally recognized time scales are deliberately regulated from time to time. At the end of each year it may be necessary to adjust the recognized time scales to take into account the fluctuations in the primary frequency sample. Of course, to preserve the usefulness of atomic frequency samples, it is desirable to stagger their outputs to conform to the national standard.

La frequenza di uscita della maggior parte degli orologi atomici dipende dal campo magnetico costante («campo C») impresso agli atomi nella regione di interazione. Questo è noto come campo Neeman. Un noto metodo per sintonizzare finemente la frequenza di uscita degli orologi atomici è quello di variare il campo C. Diversi anni fa, tuttavia, è stato trovato che queste regolazioni del campo C non erano affidabili. Dopo una regolazione del campo C, si osservava spesso che la frequenza ritornava quasi al punto dà cui era partita. Molti di tali problemi di stabilità sono stati fatti risalire agli schermi magnetici ed ai loro effetti di isteresi. Gli esperti adesso scoraggiano in generale le regolazioni del campo C per sintonizzare finemente l'orologio. The output frequency of most atomic clocks depends on the constant magnetic field ("C field") impressed on the atoms in the region of interaction. This is known as Neeman camp. A known method of finely tuning the output frequency of atomic clocks is to vary the C field. Several years ago, however, it was found that these C field adjustments were not reliable. After adjusting the field C, it was often observed that the frequency returned almost to the point from which it started. Many of these stability problems have been traced back to magnetic shields and their hysteresis effects. Experts now generally discourage field C adjustments to finely tune the clock.

Altri metodi della tecnica nota hanno fatto uso di sistemi elaborati di sintesi di frequenza con regolazioni complesse dei divisori di frequenza per variare la frequenza di uscita del dispositivo atomico di risonanza. Other methods of the prior art have made use of elaborate frequency synthesis systems with complex adjustments of the frequency dividers to vary the output frequency of the atomic resonance device.

Queste realizzazioni precedenti hanno dato origine ad una risoluzione minima della regolazione passo passo di circa cinquanta parti su dieci alla decima potenza. Recenti perfezionamenti nei traslatori elettronici di fase hanno dato luogo ad un miglioramento nella risoluzione, ma con una notevole spesa. Tipici campioni atomici di frequenza rientrano in una parte su dieci alla undicesima potenza, ed è questa piccola differenza che deve essere compensata nella sintonizzazione. These previous realizations gave rise to a minimum resolution of the step-by-step adjustment of about fifty parts out of ten at the tenth power. Recent improvements in electronic phase shifters have resulted in an improvement in resolution, but with a significant expense. Typical atomic frequency samples fall in one part out of ten at the eleventh power, and it is this small difference that must be compensated for in tuning.

L'oggetto principale della presente invenzione è quello di realizzare un campione di frequenza atomico perfezionato, la cui frequenza di uscita possa essere selettivamente incrementata o ridotta elettronicamente in un campo di variazione molto piccolo. The main object of the present invention is to provide an improved atomic frequency sample, the output frequency of which can be selectively increased or reduced electronically in a very small variation range.

Un oggetto correlato dell'invenzione è quello di realizzare un campione atomico di frequenza, in cui la frequenza di uscita possa essere accuratamente e stabilmente regolata in piccole quantità per adeguarsi strettamente al campione nazionale o ad altri sistemi di riferimento. A related object of the invention is to provide an atomic frequency sample, in which the output frequency can be accurately and stably regulated in small quantities to closely conform to the national sample or other reference systems.

Il campione di frequenza atomico a sintonia fine stabilizza e regolabile secondo la presente invenzione è caratteriz- • zato dalla parte caratterizzante della rivendicazione 1. Une preferita forma di realizzazione è caratterizzata dalla parte caratterizzante della rivendicazione 2. The fine tuning stabilizing and adjustable atomic frequency sample according to the present invention is characterized by the characterizing part of claim 1. A preferred embodiment is characterized by the characterizing part of claim 2.

Secondo la presente invenzione, è previsto un sistema in cui la frequenza di un oscillatore a quarzo controllato in tensione venga stabilizzata confrontando la sua uscita con quella di un campione di frequenza derivato da un'apparecchiatura di risonanza atomica o molecolare. Nella forma di realizzazione pratica preferita, un tubo a fascio di cesio viene adattato a risonare ad una frequenza di transizione prescritta. L'uscita dell'oscillatore è modulata in fase e sintesizzata per produrre una frequenza di transizione che viene applicata all'ingresso del risonatore a fascio di cesio. La corrente di uscita del risonatore a fascio di cesio viene rivelata in maniera sincrona per pilotare la frequenza dell'oscillatore locale. According to the present invention, a system is provided in which the frequency of a voltage controlled quartz oscillator is stabilized by comparing its output with that of a frequency sample derived from an atomic or molecular resonance apparatus. In the preferred practical embodiment, a cesium beam tube is adapted to resonate at a prescribed transition frequency. The output of the oscillator is phase-modulated and synthesized to produce a transition frequency which is applied to the input of the cesium beam resonator. The output current of the cesium beam resonator is detected synchronously to drive the frequency of the local oscillator.

L'ampiezza ed il senso del segnale di errore è funzione della differenza tra la frequenza di transizione del risonatore e la frequenza sintesizzata. Il segnale di errore viene integrato e l'uscita spianata dell'integratore viene applicata all'ingresso dell'oscillatore a quarzo controllato in tensione. Il circuito precedente costituisce un anello di controllo chiuso, che opera per annullare la tensione in ingresso dell'integratore. L'integratore è caratterizzato da un elevato guadagno in continua e da una costante di tempo relativamente lunga. L'integratore fornisce una risposta al segnale di errore in uscita dal rivelatore di fase per controllare la frequenza di uscita dell'oscillatore a quarzo controllato in tensione in maniera che qualsiasi variazione relativamente lenta della frequenza sintesizzata rispetto alla frequenza di transizione del risonatore venga corretta. The amplitude and direction of the error signal is a function of the difference between the transition frequency of the resonator and the synthesized frequency. The error signal is integrated and the integrator flattened output is applied to the voltage controlled quartz oscillator input. The previous circuit constitutes a closed control loop, which works to cancel the integrator input voltage. The integrator is characterized by a high continuous gain and a relatively long time constant. The integrator provides a response to the error signal output from the phase detector to control the output frequency of the voltage controlled quartz oscillator so that any relatively slow variation of the synthesized frequency with respect to the resonator transition frequency is corrected.

Secondo un'importante caratteristica dell'invenzione una tensione di polarizzazione prestabilita viene applicata all'ingresso di un integratore di somma nell'anello di blocco della frequenza, per ottenere una sintonizzazione fine del segnale che induce la transizione sintesizzato. Con questa realizzazione, l'anello di controllo agisce in maniera da annullare la tensione di ingresso dell'integratore, che adesso è pari alla somma del segnale di errore rivelato e della tensione di polarizzazione intensionalmente regolata. In un certo senso, la tensione di polarizzazione fa si che il circuito asservito so porti ad una frequenza «sfalsata» (vale a dire polarizzata). According to an important feature of the invention, a predetermined bias voltage is applied to the input of a sum integrator in the frequency blocking ring, to obtain a fine tuning of the signal which induces the synthesized transition. With this embodiment, the control ring acts in such a way as to cancel the integrator input voltage, which is now equal to the sum of the detected error signal and the intensionally regulated bias voltage. In a certain sense, the polarization voltage causes the enslaved circuit to reach a "staggered" (ie polarized) frequency.

Le variazioni della lunga costante di tempo all'uscita dell'oscillatore a quarzo vengono corrette automaticamente dal segnale di reazione applicato attraverso l'integratore all'uscita dell'oscillatore a quarzo controllato in tensione. Oltre a ciò, poiché l'anello di controllo opera in maniera da annullare la tensione di rete all'ingresso dell'integratore, il circuito induce un errore di frequenza che compensa proprio lo sfalsamento di tensione intenzionale della polarizzazione dell'integratore. The changes in the long time constant at the quartz oscillator output are automatically corrected by the reaction signal applied through the integrator to the voltage controlled quartz oscillator output. In addition, since the control ring operates in such a way as to cancel the mains voltage at the integrator input, the circuit induces a frequency error which compensates for the intentional voltage offset of the integrator bias.

Le caratteristiche operazionali ed i vantaggi della presente invenzione saranno apprezzati dagli esperti del ramo alla lettura della descrizione dettagliata che segue in connessione con i disegni allegati. The operational characteristics and advantages of the present invention will be appreciated by those skilled in the art upon reading the detailed description which follows in connection with the attached drawings.

Figura 1 rappresenta uno schema a blocchi semplificato di un sistema di stabilizzazione della frequenza, in cui l'uscita di un oscillatore a quarzo viene stabilizzata da un risonatore atomico ed in cui sono previsti mezzi elettronici per sintonizzare finemente la frequenza di funzionamento del risonatore atomico; e Figure 1 represents a simplified block diagram of a frequency stabilization system, in which the output of a quartz oscillator is stabilized by an atomic resonator and in which electronic means are provided for fine tuning the operating frequency of the atomic resonator; is

Figura 2 rappresenta uno schema a blocchi espanso, che illustra una forma di realizzazione pratica preferita deila presente invenzione. Figure 2 represents an expanded block diagram, illustrating a preferred practical embodiment of the present invention.

Nella descrizione che segue, parti uguali sono indicate in tutta la descrizione e nei disegni rispettivamente con numeri di riferimento uguali. In the following description, equal parts are indicated throughout the description and in the drawings respectively with equal reference numbers.

Facendo adesso riferimento alla Figura 1 dei disegni un oscillatore 10 controllato a quarzo genera un segnale di uscita 12, la frequenza del quale deve essere stabilizzata con riferimento alla frequenza di transizione meccanica del quanto di un apparato di risonanza molecolare o atomica 14, per esempio un risonatore a fascio di cesio. Un segnale di frequenza di eccitazione 16 viene derivato dal segnale di uscita 12 dell'oscillatore. Referring now to Figure 1 of the drawings, a quartz controlled oscillator 10 generates an output signal 12, the frequency of which must be stabilized with reference to the mechanical transition frequency of the quantum of a molecular or atomic resonance apparatus 14, for example a cesium beam resonator. An excitation frequency signal 16 is derived from the output signal 12 of the oscillator.

L'uscita regolata 12 dell'oscillatore 10 viene innanzitutto applicata ad un modulatore di fase 18 come uno dei suoi ingressi. Il segnale di uscita regolato viene modulato da un segnale di riferimento a bassa frequenza 20, che viene generato dall'oscillatore 22. In questo tipo di modulazione, il segnale di uscita regolato 12 funge da portante ed il segnale s The regulated output 12 of the oscillator 10 is first applied to a phase modulator 18 as one of its inputs. The regulated output signal is modulated by a low frequency reference signal 20, which is generated by the oscillator 22. In this type of modulation, the regulated output signal 12 acts as a carrier and the signal s

io I

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

671 673 G 671 673 G

di riferimento a bassa frequenza 22 funge da segnale di informazione. L'uscita 24 del modulatore di fase 18 viene applicata all'ingresso di un sintesizzatore 26, che genera il segnale 16 che induce la transizione iperfina. Il sintesizzatore 26 comprende moltiplicatori di frequenza, generatori di armoniche e subarmoniche, che forniscono una risposta al segnale di comando modulato in fase 24 per generare il segnale 16 che induce la transizione iperfina e che è prossimo alla frequenza centrale fr di risonanza della transizione iperfina. low frequency reference 22 acts as an information signal. The output 24 of the phase modulator 18 is applied to the input of a synthesizer 26, which generates the signal 16 which induces the hyperfine transition. The synthesizer 26 comprises frequency multipliers, harmonic and subharmonic generators, which provide a response to the control signal modulated in phase 24 to generate the signal 16 which induces the hyperfine transition and which is close to the resonance central frequency fr of the hyperfine transition.

Poiché il segnale 16 induce la transizione viene modulato ad una frequenza relativamente bassa, per esempio 500 Hz, l'uscita 28 del risonatore atomico 14 contiene l'informazione dell'errore di frequenza alla medesima bassa frequenza. La fase del segnale di uscita audio 28 viene confrontata con la fase del segnale di riferimento a bassa frequenza 20 in un amplificatore di blocco 30, che comprende un circuito rivelatore di fase. Il confronto di fase viene sfruttato per ottenere un blocco della fase del segnale di riferimento 12 generato dall'oscillatore 10 controllato in tensione con la fase del segnale di uscita 28 generato dal risonatore 14. Since the signal 16 inducing the transition is modulated at a relatively low frequency, for example 500 Hz, the output 28 of the atomic resonator 14 contains the information of the frequency error at the same low frequency. The phase of the audio output signal 28 is compared with the phase of the low frequency reference signal 20 in a block amplifier 30, which comprises a phase detector circuit. The phase comparison is used to obtain a block of the phase of the reference signal 12 generated by the voltage controlled oscillator 10 with the phase of the output signal 28 generated by the resonator 14.

Il numero delle transizioni di stato atomico nel risonatore di frequenza atomico 14 è massimo quando la frequenza del segnale 16 che induce la transizione modulata in fase è uguale alla frequenza centrale di risonanza della transizione iperfina del risonatore 14. Quando la frequenza del segnale 16 che induce la transizione è minore o maggiore della frequenza centrale di risonanza della transizione iperfina, il numero di transizioni che si verificano sarà inferiore a quello massimo per un ammontare che rappresenta la differenza di frequenza. The number of atomic state transitions in the atomic frequency resonator 14 is maximum when the frequency of the signal 16 which induces the phase-modulated transition is equal to the central resonance frequency of the hyperfine transition of the resonator 14. When the frequency of the signal 16 which induces the transition is less or greater than the central resonance frequency of the hyperfine transition, the number of transitions that occur will be less than the maximum for an amount that represents the difference in frequency.

La distribuzione nel tempo delle transizioni di stato varia in funzione della differenza tra la frequenza centrale del segnale 16 modulato in fase che induce la transizione e la frequenza centrale di risonanza della transizione iperfina. Quando la frequenza del segnale inducente e la frequenza centrale di risonanza coincidono, il segnale di uscita 28 generato dal risonatore 14 è in fase con il segnale di riferimento 20, con il risultato che l'uscita 32 dell'amplificatore di blocco 30 è zero. The distribution over time of the state transitions varies according to the difference between the central frequency of the phase-modulated signal 16 which induces the transition and the resonant central frequency of the hyperfine transition. When the frequency of the inducing signal and the central resonance frequency coincide, the output signal 28 generated by the resonator 14 is in phase with the reference signal 20, with the result that the output 32 of the block amplifier 30 is zero.

La fase del segnale di uscita del risonatore 28 e la fase del segnale di riferimento 20 vengono confrontate dal rivelatore di fase nell'amplificatore di blocco 30 in maniera da generare un segnale di errore in continua, la cui polarità dipende dalle fasi relative dei segnali di frequenza confrontati e la cui ampiezza è proporzionale alla deviazione della frequenza centrale del segnale inducente rispetto alla frequenza centrale di risonanza del risonatore. The phase of the output signal of the resonator 28 and the phase of the reference signal 20 are compared by the phase detector in the block amplifier 30 so as to generate a continuous error signal, the polarity of which depends on the relative phases of the frequency compared and whose amplitude is proportional to the deviation of the central frequency of the inducing signal with respect to the central resonance frequency of the resonator.

Quando la frequenza centrale del segnale modulato in fase è maggiore della frequenza centrale di risonanza della transizione iperfina, viene generato un segnale di errore positivo proporzionale alla differenza di fase, e quando la frequenza centrale è inferiore alla frequenza centrale di risonanza, un segnale di errore negativo proporzionale alla differenza di fase viene emesso dall'amplificatore di blocco 30. When the center frequency of the phase modulated signal is greater than the resonance center frequency of the hyperfine transition, a positive error signal proportional to the phase difference is generated, and when the center frequency is lower than the resonance center frequency, an error signal negative proportional to the phase difference is emitted by the block amplifier 30.

Il segnale di uscita 32 dell'amplificatore di blocco viene applicato all'ingresso dell'oscillatore 10 controllato in tensione attraverso un integratore di somma 34. II segnale di errore 32 viene spianato dall'integratore 34 per generare un segnale di correzione di continua 36. The block amplifier output signal 32 is applied to the voltage controlled oscillator input 10 through a sum integrator 34. The error signal 32 is flattened by the integrator 34 to generate a continuous correction signal 36.

Il circuito precedente comprende un anello a fase bloccata, che fornisce una risposta alle variazioni del segnale di errore in uscita dal risonatore 14. The previous circuit includes a locked phase ring, which provides a response to changes in the error signal output from the resonator 14.

Di conseguenza, queste variazioni vengono compensate rapidamente in risposta al segnale di correzione in continua, che viene applicato all'ingresso dell'oscillatore 10. Un errore transitorio di breve termine, indotto dal rumore nel modulatore o nel circuito sintesizzatore, viene compensato ed il segnale di errore 32 viene fatto ritornare a zero dopo che il transitorio si è dissipato. Se, tuttavia, vi è un segnale di errore dovuto alla deriva o all'età del quarzo utilizzato nell'oscillatore 10, viene generato un segnale di errore 32 che aumenta o diminuisce la frequenza di uscita 12 dell'oscillatore finché venga corretto lo sfalsamento di frequenza. Consequently, these variations are quickly compensated in response to the continuous correction signal, which is applied to the input of oscillator 10. A short-term transient error, induced by noise in the modulator or in the synthesizer circuit, is compensated and the signal error 32 is reset to zero after the transient has dissipated. If, however, there is an error signal due to the drift or age of the quartz used in the oscillator 10, an error signal 32 is generated which increases or decreases the output frequency 12 of the oscillator until the offset offset is corrected. frequency.

Come è stato precedentemente osservato, è talvolta desiderabile incrementare o ridurre selettivamente la frequenza di uscita del campione 14 senza alterare le sue proprietà fisiche. Secondo la presente invenzione, la frequenza centrale di risonanza della transizione iperfina del risonatore atomico 14 rimane fissa ed un segnale sfalsato di polarizzazione continua 38 viene applicato all'ingresso dell'integratore di somma 34 nell'anello a frequenza bloccata. Poiché l'anello a frequenza bloccata opera per annullare la tensione di rete all'ingresso dell'integratore, verrà generato un segnale di errore di fase 32 che compensa proprio lo sfalsamento intenzionale prodotto dal segnale di polarizzazione 38. Ciò produce un corrispondente incremento o riduzione della frequenza di uscita dell'oscillatore del segnale 12, ed il sintesizzatore 26 continua a traslare di un fattore costante la propria frequenza di ingresso. As has been previously observed, it is sometimes desirable to selectively increase or decrease the output frequency of sample 14 without altering its physical properties. According to the present invention, the central resonance frequency of the hyperfine transition of the atomic resonator 14 remains fixed and a staggered continuous polarization signal 38 is applied to the input of the sum integrator 34 in the locked frequency ring. Since the locked frequency ring operates to cancel the mains voltage at the integrator input, a phase 32 error signal will be generated which compensates for the intentional offset produced by the polarization signal 38. This produces a corresponding increase or decrease of the output frequency of the oscillator of the signal 12, and the synthesizer 26 continues to translate its input frequency by a constant factor.

La maniera in cui una regolazione incrementale della frequenza di uscita del risonatore 14 viene prodotta può essere meglio compresa considerendo il funzionamento di un campione di frequenza regolabile rappresentato dalla forma di realizzazione pratica preferita dell'invenzione, rappresentata nella Figura 2. The manner in which an incremental adjustment of the output frequency of the resonator 14 is produced can be better understood by considering the operation of an adjustable frequency sample represented by the preferred practical embodiment of the invention, represented in Figure 2.

Inizialmente, il segnale di uscita regolato 12 generato dall'oscillatore a quarzo 10 controllato in tensione è modulato in fase del modulatore 18 e viene trasformato da un circuito sintesizzatore 42 in un circuito sintesizzatore 26 per generare un segnale 16 che induce la transizione iperfina, avente una frequenza centrale fc che eguaglia la frequenza centrale fr di risonanza della transizione iperfina del risonatore a fascio di cesio 14. La frequenza del segnale di uscita regolato 12, generato dal campione di oscillatore a quarzo controllato in tensione, viene fissata ad una frequenza iniziale fj. Initially, the regulated output signal 12 generated by the voltage controlled quartz oscillator 10 is modulated in phase of the modulator 18 and is transformed by a synthesizer circuit 42 into a synthesizer circuit 26 to generate a signal 16 which induces the hyperfine transition, having a center frequency fc which equals the resonance center frequency fr of the hyperfine transition of the cesium beam resonator 14. The frequency of the regulated output signal 12, generated by the voltage controlled quartz oscillator sample, is fixed at an initial frequency fj .

Per regolare la frequenza di uscita del campione atomico ad una frequenza superiore relativamente alla sua frequenza iniziale, il segnale di correzione in continua 36 generato dall'integratore 34 viene alterato dall'integrazione di una tensione di polarizzazione E generata dal segnale di polarizzazione in continua 38 per variare la frequenza del segnale di uscita 12 generato dall'oscillatore di carico 10 con un ammontare incrementale riferito proporzionalmente alla differenza fra la frequenza iniziale fi e la frequenza superiore desiderata fi. Come risultato di questa traslazione di frequenza incrementale, la frequenza centrale sintesizzata fc viene traslata ad una nuova frequenza superiore al valore iniziale, vale a dire con un valore proporzionale alla differenza tra fi e la desiderata f2. Per un sintesizzatore, To adjust the output frequency of the atomic sample to a higher frequency relative to its initial frequency, the DC correction signal 36 generated by the integrator 34 is altered by the integration of a bias voltage E generated by the DC bias signal 38 to vary the frequency of the output signal 12 generated by the load oscillator 10 with an incremental amount referred proportionally to the difference between the initial frequency fi and the desired higher frequency fi. As a result of this incremental frequency translation, the synthesized central frequency fc is translated to a new frequency higher than the initial value, i.e. with a value proportional to the difference between fi and the desired f2. For a synthesizer,

fusata = fingresso = costante. Pertanto, l'uscita del sintesizzatore deve avere la medesima variazione proporzionale all'ingresso. Poiché la frequenza centrale di risonanza della transizione iperfina fr e la nuova frequenza centrale sintesizzata fc non coincidono più, viene generato un segnale di errore 32 che è riferito proporzionalmente alla differenza tra fr e fc. Il segnale di errore viene amplificato dall'amplificatore 46 per produrre un segnale di errore amplificato 32A, che viene applicato ad uno degli ingressi dell'integratore di somma 34. Il segnale di polarizzazione E ed il segnale di errore amplificato 32A vengono sommati ed integrati dall'integratore 34, portando in tal modo a zero la tensione di rete in ingresso all'integratore 34. Ciò richiede che f0 sia spindle = input = constant. Therefore, the output of the synthesizer must have the same variation proportional to the input. Since the central resonance frequency of the hyperfine transition fr and the new synthesized central frequency fc no longer coincide, an error signal 32 is generated which is related proportionally to the difference between fr and fc. The error signal is amplified by the amplifier 46 to produce an amplified error signal 32A, which is applied to one of the inputs of the summation integrator 34. The polarization signal E and the amplified error signal 32A are added and integrated by the integrator 34, thereby bringing the input mains voltage to integrator 34 to zero. This requires f0 to be

5 5

io I

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

671 673 G 671 673 G

6 6

sufficientemente maggiore di fr per produrre la tenione di bilanciamento 32A per sfalsare la tensione di polarizzazione E. sufficiently greater than fr to produce the balancing voltage 32A to offset the bias voltage E.

Una tensione di polarizzazione E di un millivolt produrrà uno sfalsamento di frequenza di circa una parte su dieci alla dodicesima potenza. Poiché i campioni tipici di frequenza hanno larghezze di linea di circa 500 Hz, ovvero di circa 5,0 elevato alla meno otto, la sintonizzabilità per un campo di variazione di +/— 3,0 elevato alla meno undici copre all'incirca lo 0,1 per cento della larghezza di linea e dà origine ad una sintonia ragionevolmente lineare per un campo di variazione di +/— 3,0 elevato alla meno undici. A bias voltage E of one millivolt will produce a frequency offset of about one part in ten at the twelfth power. Since typical frequency samples have line widths of approximately 500 Hz, or approximately 5.0 raised to minus eight, tunability for a range of variation of +/— 3.0 raised to minus eleven covers approximately 0 , 1 per cent of the line width and gives rise to a reasonably linear tuning for a variation range of +/— 3.0 raised to minus eleven.

Il segnale di polarizzazione in continua 38 a sintonia fine viene generato digitalmente nella forma di realizzazione pratica preferita da un microprocessore 48. Nella configurazione rappresentata nella Figura 2, un segnale di sfalsamento analogica 50 viene selezionato manualmente in una unità di introduzione di uno sfalsamento 52. Il segnale di sfalsamento analogico 50 viene convertito in una parola dati digitale da un convertitore analogico/digitale 54. La parola dati digitale viene introdotta attraverso una linea dati 56 nel microprocessore 48. Il microprocessore 48 genera una' parola dati digitale unica, che corrisponde all'incremento di sfalsamento desiderato, e la applica attraverso una linea dati 58 all'ingresso di un convertitore digitale/analogico 60. L'uscita 38 del convertitore digitale/analogico 60 è un segnale di polarizzazione preciso in continua, che genera la desiderata tensione di polarizzazione E al nodo di uscita di un circuito divisore di tensione 62. The fine tuning DC bias signal 38 is digitally generated in the preferred practical embodiment by a microprocessor 48. In the configuration shown in Figure 2, an analog stagger signal 50 is manually selected in an offset staging unit 52. The analog offset signal 50 is converted into a digital data word by an analog / digital converter 54. The digital data word is introduced through a data line 56 into the microprocessor 48. The microprocessor 48 generates a unique digital data word, which corresponds to the desired stagger increment, and applies it through a data line 58 to the input of a digital / analog converter 60. The output 38 of the digital / analog converter 60 is a precise bias signal in continuous, which generates the desired voltage of bias E at the output node of a voltage divider circuit 62.

Sebbene l'invenzione sia stata descritta con riferimento ad una forma di realizzazione pratica specifica e con riferimento ad uno specifico risonatore campione a fascio di cesio, la precedente descrizione non deve essere intesa in sendo limitativo. Varie modifiche della forma di realizzazione pratica descritta nonché applicazioni alternative dell'invenzione verranno suggerite agli esperti del ramo dalla precedente descrizione e dalle illustrazioni. Si intende di conseguenza che le rivendicazioni allegate coprano qualsiasi modifica o forma di realizzazione pratica che rientri nell'ambito dell'invenzione. Although the invention has been described with reference to a specific practical embodiment and with reference to a specific cesium beam sample resonator, the foregoing description should not be understood as limiting. Various modifications of the described practical embodiment as well as alternative applications of the invention will be suggested to those skilled in the art from the foregoing description and illustrations. Consequently, it is intended that the attached claims cover any modification or practical embodiment which falls within the scope of the invention.

c c

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

S S

2 fogli disegni 2 drawings sheets

Claims

671 673 G CLAIMS

1. Atomic frequency sample with stabilized and adjustable frequency, comprising an atomic frequency resonator which provides a signal at a frequency corresponding to a transition resonance frequency of a mechanical quantum, characterized by a variable frequency oscillator (10) to generate a frequency signal at a first selected frequency, a fixed frequency oscillator (22), whose oscillation frequency is relatively low compared to the output frequency of the variable frequency oscillator (10), a phase modulator ( 18) coupled so as to receive the signal (12) of the variable frequency oscillator and the signal (20) of the fixed frequency oscillator and adapted to generate an output signal (24) modulated in phase, frequency multiplier means ( 26) coupled so as to receive the aforementioned modulated output signal and to generate from it a signal which induces the hyperfine transition, (16) whose fre quenza is a multiple of the aforementioned oscillator frequency (22), means (30) for comparing the phase of the output signal generated by the atomic frequency resonator (14) in response to the application of the aforementioned signal (16) which induces the transition hyperfine with the phase of the aforementioned low frequency reference signal, to generate an error signal (32) which represents their phase difference, adder means (34) which couple this phase error signal (32) to the input of the said voltage control oscillator (38), and biasing means (60) coupled to the aforementioned summing means (34) to combine a fixed biasing signal (38) with the aforementioned phase error signal (32).

Frequency sample according to claim 1 characterized in that said phase modulator (18) modulates the phase of the output signal (12) of the variable frequency oscillator (10) with the aforementioned signal (22) of the oscillator a relatively low frequency, and the frequency multiplier means are coupled to receive the aforementioned phase-modulated signal to generate a signal that induces the hyperfine transition to be applied to the aforementioned atomic resonator (14), the phase detection means (30) being coupled at the output of the aforementioned atomic resonator (14) and of the relatively low frequency oscillator (22) to detect the phase difference between the two signals and to generate an error signal (32) proportional to them, and comprise integration means (34) coupled so as to receive the aforementioned error signal (32) and generate in response to it a correction signal (36) flattened to alter the output frequency of the oscillator variable frequency drives (10), said biasing means (60) being coupled to the input of the aforesaid integrator (34) to add a bias signal (38) in continuous with the aforementioned phase error signal (32).