DE1591797A1 - Atom-Frequenznormal mit justierbarer Frequenz - Google Patents

Description

PATENTANWALT Patentanwalt DIPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT * 1391737

Dr. CUAUS REINLXnDBR 8000 MÖNCHEN 23 · MAINZERSTR.5 V1 P 137 D

VAHIAH ASSOCIATES

Palo Alto, California

V. St. ν. Amerika

Atom-Frequenznormal mit justierbarer Frequenz (Zusatz zu Patent ... (Anmeldung V 32 989 IXd/21a4))

Prioritätt 16. September 1966 - Vereinigte Staaten von Amerika Serial No. 579 939

Die Erfindung betrifft atomisoh stabilisierte Frequenanoraale, und insbesondere eine atomisch stabilisierte Frequenzquelle, deren Ausgangsfrequenz wahlweise versetzt werden kann.

Mit quantenmechanischen Atomzustands-Übergangsfrequenzen, beispielsweise Hyperfeinstruktur-Übergangs-Resonanzfrequenzen, stabilisierte Frequenznormale werden für viele Zwecke verwendet, vor allem als Atomuhren,

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Frequenznormal·, Stabilisierosaillatoren für Frequenznormal·, zur Meaaung dea magnetischen Irdfeldea und sur Analyse dar Struktur von Atomen. Bai aolohen Anwendungen wird dar Auegang der Frequenzquelle aus Yergleioh mit einer speziellen Hyperfeinstruktur-Raeonanzfrequenz dea Atomfrequenzreaonatora aynthetiaiert. Ein S-feuersignal wird von dieaem Yergleioh abgeleitet, un die Frequenz dar Frequenzquelle au regeln, Üblicherweise wird entweder die Absorptions-, Tranamiaaions- oder Imiaaiona-Charakteriatik dea Eesonanzmediums dea passiven oder aktiven Atomfrequansraaonatora überwaoht, um daa Steuersignal zu erhalten. Bai Atomuhren und sur Stabiliaation ron Oasillatoren werden die Frequenzsignale verglichen, um ein Abweiohungaaignal su erzeugen, mit dem dia Auagangsfrequenx der Frequenzquelle mit einer ausgewählten Frequenz Terraatet wird. Typische atomiaoh stabilisierte Frequenzquellen, wie sie in Atomuhren verwendet werden und die mit optischer Absorption in Alkalidampf-Zellen-Hesonatoren arbeiten, sind in dan US Patentschriften 3 246 254 und 3 139 797 beschrieben.

In der Praxis ist es oft erwünscht, und in einigen Fällen notwendig, die geregelte Frequenzquelle auf andere Frequenzen zu justieren. Beispielsweise diant in Atomuhren das von der geregelten Frequenzquelle gelieferte Signal ala ein Zeitmaß relativ zur üblichen Sphemeriden-Zeltskala, die durch eine international anerkannte Zeitskala angegeben wird, baiapielawaise die universelle Zeitskala UT-2 des US Naval Observatory. Sie Bpheueriden-Zeitskala, die auf die Erde bezogen ist, bleibt jedoch leider nioht fest. Um Änderungen der Ephemeriden-Zeitskala zu berücksichtigen, werden die international anerkannten Zeitskalen naohjustiert, gewöhnlich in Stufen von 50 Teilen auf 10 . Dem-

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entsprechend ist es erforderlich» die Auagangcfrequenz des Atomuhr-Frequenznormale naohzujustieren, um ein genaues Zeitmaß beizubehalten. Da die Technik sum Ha oh justieren der Hyperfein-Struktur-Resonanzfre«. quenz eines speziellen Hyperfeinstruktur-Atomenergie-Zuetande-Übergangs von Atoefrequensresonatoren kompliziert und schwierig ist, wird vorzugsweise die Frequenz der geregelten Quelle naohjustiert, ohne dass das eingeschwungene Frequenzsignal rom Atomfrequensresonator geändert wird.

Eine atomisoh stabilisierte Frequenzquelle, deren Ausgangsfrequenz ua ausgewählte Stufen versetzt werden kann, ist iv Hauptpatent ··· (Anmeldung 7 32 989 IXd/21a4)der Anmelderin beschrieben. In dieser älteren atomisoh stabilisierten Frequenzquelle ist ein mit optischer Absorption in einer Dampfzelle arbeitender Atomfrequenzresonator mit einer einstellbaren Frequenzsynthese-Schaltung gekoppelt, die ein ausgewähltes Frequenzsignal von einer primären Frequenzquelle in eine Frequenz transformiert, die der des ausgewählten Hyperfeinstruktur-Atomzustands-Überganges entspricht. Sas transformierte Frequenzsignal wird dazu verwendet, Atomzustands-Übergänge im Resonanzmedium der Zelle einzuleiten, und die optische Transparenz wird überwacht, um ein Abweichungssignal zu entwickeln, das mit üblichen Rückkopplungstechniken, so gekoppelt wird, dass der Ausgang der Frimärfrequenzquelle mit der ausgewählten Frequenz verrastet wird. Der Ausgang der Frimärfrequenzquelle dient als Zeitmaß, um die Auegangsfrequenz der Frimärfrequenzquelle entsprechend Zeitskalenänderungen zu justieren, wird die Frequenzsynthese-Schaltung nachgestellt, um die Quellenfreq.uenz um eine neue und andere Stufe in die Hyperfeinstruktur-Übergangsfrequenz zu transformieren. Hierdurch wird ein Abweichungssignal in die Rückkopplungsschleife eingeführt, die durch die Absorptionszelle,

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die optische Überwachung und die Primärfrequenzquelle gebildet wird} und dadurch wird die Ausgangefrequenz der Primärfrequenzquelle veranlasst, sich zu ändern, bis das Abweichungssignal zu Null geworden ist. Bei der einstellbaren Frequenzsyntheseschaltung werden jedoch zwei getrennte Justierungen benötigt, um die Primärfrequenzquellen-NaohBtellung au erhalten.

Durch die Erfindung wird eine atomisch stabilisierte Frequenzquelle mit einer vereinfachten einstellbaren Frequenzsynthesesohaltung verfügbar gemacht, bei der lediglich, eine einzige Einstellung erforderlich ist, um eine stufenweise Nachstellung der Ausgangsfrequenz der Quelle zu bewirken. Die vereinfachte stufenweise Frequenznachstellung des Ausgangs der atomisch stabilisierten Frequenzquelle wird dadurch erreicht, dass ein einzigartiger Phasen-Spannungs-Konverter verwendet wird, der betriebsmässig einem Versatzoszillator zugeordnet ist, der in Sohritten von einer ausgewählten Frequenzstufe nachstellbar ist, um die Frequenztransformation festzulegen, die durch die Frequenzsyntheseschaltung durchgeführt wird. Genauer gesagt, das mit einer ausgewählten Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz eines Atomfrequenzresonators zu vergleichende Frequenzsignal wird dadurch gebildet, dase von einem Primäroszillator, der als Frequenzquelle dient, ein Impulszug abgeleitet wird, dessen Impulswiederholrate proportional dem Frequenzschritt ist, um den die Primäroszillatorfrequenz nachgestellt wird. Der Impulszug wird einem Phasen-Spannungs-Konverter zugeführt, um diesen so zu gattern, dass die Spannungsamplitude eines vom nachstellbaren Versatzoszillator gelieferten Frequenzsignals abgefragt wird. Der Versatzoszillator liefert ein Frequenzsignal von f Hertz, das in Schritten von + Nf. einstellbar ist, wobei f. gleich der Impulswieder-

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holrate des Impulszuges und N eine ganze Zahl sind· Wenn die Frequenz des Versatzoszillators von der ausgewählten Frequenz abweioht, ändert sich die abgefragte Spannungsamplitude entsprechend. Biese Abfragespannung ist so angeschlossen, dass der Versatzoszillator mit der gewünschten Ausgangsfrequenz verrastet wird. Das Steuersignal für den Primäroszillator wird dadurch erzeugt, dass die Ausgangsfrequenzen des Versatzoszillators und des Primäroszillators kombiniert werden und das sioh dadurch ergebende transformierte Frequenzsignal mit einer speziellen Hyperfeinstruktur-Resonanz-Frequenz eines Atomfrequenzresonators verglichen wird. TJm eine ausgewählte stufenweise Nachstellung der Frequenz des Primäroszillators zu erreichen, ist es lediglich erforderlioh, die Frequenz des Versatzoszillators nachzustellen.

Durch die Erfindung soll also eine atomisoh stabilisierte Frequenzquelle verfügbar gemacht werden, deren Ausgangsfrequenz wahlweise versetzt werden kann.

Genauer ist es die Aufgabe der Erfindung, eine atomisch stabilisierte Frequenzquelle zur Verwendung als Frequenznormal verfügbar zu machen, deren Ausgangsfrequenz um gewählte Sohritte versetzt werden kann.

Weiter soll durch die Erfindung eine atomisch stabilisierte Frequenzquelle zur Verwendung in einer Atomuhr verfügbar gemaoht werden, deren Ausgangsfrequenz um ausgewählte Schritte versetzt werden kann, um Änderungen der Zeitskala der Ephemeriden-Zeitskala Reohnung zu tragen.

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Ferner soll duroh die Erfindung eine einstellbare Frequenzsynthesesohaltung verfügbar gemacht werden, alt der die Frequenz einer atomisch stabilisierten Frequenzquelle um gewählte Schritte transformiert werden kann, bei der lediglich eine einzige Jfaohetellung erforderlich ist, um eine stufenweis· Nachateilung der Ausgangsfrequenz der stabilisierten Frequenzquell· zu erreichen.

Weiterhin soll duroh die Erfindung eine nachstellbare Frequenasynthesesohaltung zur Verwendung in Atomuhren verfügbar gemacht werden, bei der die Frequenz der Atomuhr-Frequenzquelle um ausgewählte Schritte von 10 Teilen auf 10 nachgestellt werden kann«

Biese und weiter· Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben

sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung} es zeigern

Fig· 1 ein Blooksohaltbild eines Atomuhr-Frequenznormals mit einer erfindungsgemässen nachstellbaren Frequenzsynthesesohaitungi

Fig* 2 ein Blooksohaltbild der einstellbaren Frequenzsynthesesohaltung für die Atomuhr nach Fig. 1;

Fig. 3 schematisoh, teilweise als Blooksohaltbild, eine Phaaen-Span-

nungs-Konverter-Steuereohaltung für die nachstellbar· Frequenzsyntheseschaltung nach Fig. 2} und

Fig. 4 graphisch den'Betrieb der Phasen-Spannungs-Konverter-Steuersohaltung naoh Fig. 3, wobei die Kurve A den Abfrageimpulszug vom 5 MHz-PrimMroszillator zeigt, Kurve B die Ausgangsspannung des einstellbaren Versatzoszillators, und Kurve C die Gleioh-Steuerspannung, die dazu verwendet wird, den Versatzoszillator mit einer ausgewählten Frequenz zu verrasten.

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Gemäss Fig. 1 wird ein 5 MBz-Primäroszillator 11 mit einem passiven

87 Atomfrequenzresonator 12 in Form einer optisch gepumpten Rb -Dampf-Zelle zur optischen Absorption, stabilisiert, um ein Atomuhr-Frequenznormal zu schaffen. Der Primäroszillator 11 wird dadurch stabilisiert, dass seine Ausgangsspannung einer Frequenzsyntheseschaltung 13 zugeführt wird, die so aufgebaut ist, dass das 5-MBz-Signal um eine ausgewählte Stufe auf eine Frequenz transformiert wird, die gleioh ist einer Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz entsprechend einem ausgewählten Atomzustande-lnergieübergang in der Absorptionsseile 12* Vorzugsweise wird der »agnetfeidunabhängige Obergang erster Ordnung F · 2, *_ « 0

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—*■ F » 1» m « 0 der Hb Atome dazu verwendet, den 5 MHz-Primäroszillator 11 zu stabilisieren· In einem Vakuum beträgt die normale

87 Resonanzfrequenz dieses Atomzustands-Snergieübergangs von Rb bei 6 834 682 614 Hz.

Das Signal mit transformierter Frequenz Ton der Frequenzsynthesesohaltung 13 wird zur Erregung der Absorptionszelle verwendet, nämlich um die gepumpten Rb -Atome zu induzieren, Atomzustands-Qbergänge von dem gepumpten, optisch dichten Energiezustand F «2, m - 0 zum optisch transparenten Energiezustand F » 1, m» - 0 auszuführen. Ba die Anzahl

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der Rb -Atome im gepumpten Zustand variiert, variiert auoh die Intensität des durch die Absorptionszelle 12 durchgelassenen Lichtes, wobei

87 die Intensität umgekehrt proportional der Anzahl von Rb -Atomen im gepumpten Zustand ist. Der Primäroszillator 11 wird dadurch auf 5 verrastet, dass tie Intensität des durch die Absorptionszelle 12 hindurchgelassenen Lichtes überwacht wird und ein Abweiohungssigaal gebildet wird, das die Frequenz des Oszillators 11 nachstellt, bis das

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durch die Zelle 12 hindurchgelassene Licht ein Minimum wird. Wenn natürlich andere passive Atomfrequenzresonatoren verwendet werden, beispielsweise Zäsiumstrahlröhren, werden andere Techniken benötigt, um die Atomzustanda-Übergänge zur Ableitung des Abweichungssignals zu überwachen· Wenn aber aktive Atomzustandsresonatoren verwendet werden, wird der Primäroszillator nicht mit dem Resonator gekoppelt, um Atomssustande -Übergänge zu induzieren* Statt dessen würde ein vom Atomfrequenireeonator abgeleitetes Frequenzsignal mit Hilfe von Mischtechniken mit einen Frequenzsignal vom Primäroszillator 11 verglichen, u» ein Abweichung»signal zu bilden, mit dem der Primäroszillator auf die gewünschte Frequenz verrastet wird.

Uk den Primäroszillator 11 genau mit der gewünschten Auegangsfrequenz zu verraeten, werden Frequenzmodulationstechniken verwendet, um das Abweichungssignal zu bilden. Der Ausgang des Hauptoszillators 11 wird einem Frequenzmodulator I4 zugeführt und dort mit einem 107 Hz-Nodulationssignal moduliert, das vom Modulationsoszillator 16 erzeugt wird. Für extreme Genauigkeit wird eine symmetrische Halbwellen-Kurvenform als Modulationseignal verwendet, beispielsweise eine Rechtecksohwingung. Ein solches System ist in der erwähnten US Patentschrift 3 159 797 beschrieben. Weil die Modulation bei niedrigeren Frequenzen leichter durchgeführt wird, wird die Frequenzmodulation ausgeführt, ehe die 5 MHz-Oszillatorfrequenz auf die Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz transformiert wird.

Da die Atomfrequenzresonatoren eine Atomzustands-Übergangscharakteristik mit einer Resonanzkurve endlicher Breite haben, im allgemeinen eine Halbwertbreite von etwa I50 Hz, sorgt das die Übergänge induzierende

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frequenzmodulierte Signal dafür, dass sich die Anzahl der übergänge entsprechend der momentanen Frequenzabweichung des frequenzmodulierten, die Übergänge induzierenden Signals ändert. Wenn die Frequenz dee abgeleiteten, die Übergänge induzierenden Signale der Hyperfeinetruktur-Übergangs-Resonanz-Mittenfrequenz des Atomfrequenzreeonators 12 entspricht, ist die Anzahl der auftretenden Übergänge ein Maximum. Wenn dagegen die Frequenz des den Übergang induzierenden Signals kleiner oder grosser ist als die Hyperfeinstruktur-Überganga-Resonanz-Mittenfrequenz, ist die Anzahl der auftretenden Übergänge kleiner als das Maximum, und zwar um einen die Frequenzdifferenz darstellenden Betrag. Es ergeben sich also mehr Übergänge am Beginn oder am Ende einer durch die Modulationsfrequenz definierten Periode, je nachdem, ob die Mittenfrequenz des frequenzmodulierten Signals kleiner oder gröseer ist als die Hyperfeinstruktur-Übergangs-Resonanz-Mittenfrequenz.

Die zeitliche Verteilung der Übergänge wird überwacht, indem das nioht absorbierte Licht, das aus dem Resonator 12 herauskommt, auf eine Fotozelle 17 gerichtet wird. Wenn die Mittenfrequenz des Übergänge induzierenden Signals mit der Hyperfeinstruktur-Übergangs-Resonanz-Mittenfrequenz übereinstimmt, wird ein intensitätsmäsaig pulsierendes Lioht konstanter Impulsamplitude mit einer Frequenz gleich dem zweifachen der Phasenmodulationsfrequenz durch den Absorptionsresonator 12 durchgelassen und trifft auf die Fotozelle 17 auf. Wenn die Mittenfrequenz des den Übergang induzierenden Signals grosser oder kleiner iat als die Resonanzmittenfrequenz, wird ein intensltätsmäaaig pulsierendea Licht mit abwechselnd grossen und kleinen Amplitudenwerten der Impulee durch den Resonator 12 hindurchgelassen, so dass ea auf die Fotozelle 17 auf-

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trifft, wobei die Frequenz der Impulsamplitudenvariation gleioh der Modulationsfrequenz ist. Die Aaplitudendifferenz zwieohen den Impulsen mit grosser und kleiner Amplitude ist proportional der Frequenzdifferenz zwieohen den Mittenfrequenzen, während die Folge des Auftretens der Impulse untersokiedlicher Amplitude, d.h. ob die grossen oder die kleinen zuerst auftreten, angibt, zu welcher Seite der Resonanzmittenfrequenz die Mittenfrequenz des frequenzmodulierten die Übergänge induzierenden Signals liegt.

Ein Filterverstärker 18 ist an die Fotozelle 17 angeschlossen und verstärkt nur die Komponente des Fotozellen-Ausgangssignals, die der Modulationefrequenz entspricht. Die Phase und Amplitude des verstärkten Frequenzsignals tob Verstärker 18 wird in einem Phasendetektor 19 mit der Phase des Modulationssignals vom Modulationsoszillator 16 verglichen« Der Ausgang des Fhasendetektors 19 ist eine Abweichungs-GJeichspannung, deren Grosse proportional der Differenz zwischen den Mittenfrequenzen ist und deren Vorzeichen anzeigt, ob die Mittenfrequenz des die Übergänge induzierenden Signals grosser oder kleiner ist als die Resonanzmittenfrequens. Der Phasendetektor 19 kann beispielsweise so geschaltet werden, dass positive Abweichungsspannungen geliefert werden, wenn die Mittenfrequenz des die Übergänge induzierenden Signals grosser ist als die Eesonanzmittenfrequenz, und dass negative Abweίο hungs spannungen geliefert werden, wenn das Gegenteil der Fall ist.

Die Abw·iohungs-Qleiohspannung vom Phasendetektor 19 wird in einem Operationsverstärker 21 verstärkt und zur Steuerung des Oszillators 11 verwendet, der beispielsweise ein spannungsgesteuerter Kristall-

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oszillator ist. Die Fehlerspannung ändert die Resonanzfrequenz des Kristalls und verschiebt damit die Frequenz des Oszillators 11, fcis die Fehlerspannung zu Null wird, d.h. die Mittenfrequenx des die übergänge induzierenden Signale und die Mittenfrequenz der Hyperfeinstruktur« Übergangsresonanz miteinander übereinstimmen. Vorrichtungen, mit denen diese Vorgänge durchgeführt werden können, sind in den erwähnten US-Patentsohriften 3246 254 und 3 159 797 beschrieben.

Um die Frequenz des Frimäroezillators 11 um ausgewählte Schritte zu versetzen, ist die Frequenzsyntheseschaltung I3 einstellbar gemacht, um die Primäroszillatorfrequenz um eine ausgewählte neue Stufe zu transformieren, so dass eine vereetzte den Übergang induzierende Signalfrequenz geliefert wird. Da jede Änderung der Stufe, um die die Syntheseschal tung 13 die Frequenz des Oszillators 11 transformiert, einen Versatz des den Übergang induzierenden Frequenzsignals bewirkt, kommen die Mittenfrequenzen der Re β onanz uad d*»r tibergangsinduktion ausser Übereinstimmung. Dementsprechend wird ein Fehlereignal erzeugt, das die Oszillatorfrequenz um eine entsprechende Stufe versetzt, um die Mittenfrequenzen wieder in Übereinstimmung zu bringen. Um diese stufenweise Frequenznachstellung zu bewerkstelligen, weist die Frequenzsyntheseschaltung I3 eine einstellbare Frequenzsynthesesohaltung 22 auf, die die Ausgangsfrequenz f des Primäroszillators 11 um eine ausgewählte Stufe" auf ein Frequenz signal f.. transformiert. Das frequenzmodulierte Frequenzsignal vom Primäroszillator 11 wird ebenfalls transformiert auf eine neue Mittenfrequenz f~» und zwar mit einem festen Frequenzvervielfaoher 25· Das den Atomzustands-Übergang induzierende frequenzmodulierte Frequenzsignal wird erreicht duroh Summierung von f₁ und der frequenzHiodulierten Frequenz f- in einem Mischer 24. Wenn eine Rb-

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Dampf-Absorptionszelle ala Resonator 12 verwendet wird, werden die einstellbare Frequenzsyntheseschaltung 22 und der Vervielfacher so geschaltet, dass die Summierung von f. und f_ ein frequenzmoduliertes, Übergänge induzierendes Signal mit einer Mittenfrequenz f. im eingeschwungenen Zustand von 6.834 "rf MHz ergibt, und diese Frequenz fällt mit der Hyperfeinstruktur-Resonanzmittenfrequenz des Übergangs 0 —f 0

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in Rb zusammen.

Es ist zu erwähnen, dass die Frequenz von 6.834 "ϊ§ MHz nicht genau der

87 natürlichen Hyperfeinstruktur-Übergangs-Resonanzfrequenz 0—K) von Rb entspricht. Der Unterschied ist auf das Vorhandensein eines Puffergases und eines axialen Magnetfeldes zurückzuführen. Das Magnetfeld und der Puffergasdruck werden, wie üblich, so eingestellt, dass die Hyperfeinstruktur-ÜbergangB-Resonanzfrequenz 0—* 0 auf einen solchen Wert eingestellt wird, dass einfache Frequenzsyntheseschaltungen verwendet werden können.

Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, dass die Frequenz f des Hauptoszillators 11 geändert wird, dass Frequenz signal f.. von der einstellbaren FrequenzSyntheseschaltung 22 und die Mittenfrequenz f_? des frequenzmodulierten Signals vom Vervielfacher 23 sich proportional ändert. Wenn f₁ <<f_?, kann die Änderung in f. vernachlässigt werden. Der Einfachheit halber wird deshalb die Frequenz, auf die die einstellbare Frequenzsyntheseschaltung 22 arbeitet, immer als die Frequenz von 5 MHz betrachtet.

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V/ie besonders aus Fig. 2 ersichtlich ist, erzeugt die einstellbare Frequenzsynthesesohaltung 22 aus dem Ausgang des 5 MHz-Primäroszilla-

tors 11 ein Frequenz signal f ₁ - 5 ·|| MHz + ^ψ- NHz, wobei 5 ·==■ MHz die Grundfrequenz ist, um die ausgewählte Frequenznaohstellungen in . Schritten von + —Tj- NHz durchgeführt werden, wobei N eine ganze Zahl, beispielsweise zwischen 0 und 40 darstellt. Das 5 MHz-Signal vom Primäroszillator 11 wird an einen damit in Reihe geschalteten Teiler 3I mit dem Teilungsfaktor 5, einen Teiler 32 mit dem Teilungsfaktor 10 und einen Frequenzvervielfacher 33 mit einem Vervielfachungefaktor 12 geleitet, die zusammenwirken, um ein Ausgangesignal von 1,2 MHz zu liefern. Ein phasenverrasteter, einstellbarer Versatzoszillator 34 liefert eine 1 MHz-Ausgangsfrequenz, die in Stufen von 250 Hz einstellbar ißt, und diese Frequenz wird zu der 1,2 MHz-Ausgangsspannung in einem ersten abgegliohenen Einseitenband-Modulator-Misoher 36 für das obere Seitenband gemischt. Am Ausgang des Mischers 36 steht ein Signal mit einer Frequenz von 2,2 MHz + 250 NHz. Der Ausgang des Mischers 36 wird einem Frequenzteiler 37 mit dem Teilungsfaktor 7 zugeführt, wo ein Signal mit einer Frequenz von -rp MHz + -^- NHz erzeugt wird, das zum 5 MHz-Ausgangssignal vom Oszillator 11 addiert wird, um das Signal der Frequenz f.. mit 5 — MHz + —s- NHz zu erhalten. Diese Addition wird in einem zweiten abgeglichenen Einseitenband-Modulator-Misoher 38 für das obere Seitenband durchgeführt. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungeform werden digitale Frequenzvervielfacher und Teiler verwendet, um die Frequenzteilungen und Frequenzmultiplikationen durchzuführen.

Das Signal mit der Frequenz 5 ~7ä MHz + ^Hf" N Hz wird einem abgegliohenen islinaeitenband-Modulator-Misoher 24 für das untere Seitenband zugeführt,

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um vom Signal der Frequenz f_ abgezogen zu werden, das von einem Vervielfacher 23 mit dem Paktor I.368 geliefert wird, um damit ein frequenzmoduliertes, Übergänge induzierendes Signal mit einer Mittenfrequenz von I.368 f MSz - 5 — MHz + -*- N Hz zu erhalten. Wie oben erwähnt ist, wenn die Mittenfrequenz des den Übergang induzierenden Signale versetzt wird, sorgt das sich ergebende Fehlersignal dafür, dass die Frequenz f des Primäroszillators 11 verändert wird, bis die Mittenfrequen« des den Obergang induzierenden Signals * 6.834 T§ MHz wird. Im eingesohwungenen Zustand wird das die Übergänge induzierende Signal auf 6,834 "äf MH* gehalten. Während vorübergehender Betriebsbedingungen, d.h. in der Betriebsperiode, in der die stufenweise Einstellung der Frequenz f des Primäroszillators 11 stattfindet, wird die Mittenfrequenz f„ des die Übergänge induzierenden Signals von dem Wert 6.834 "7§ ^^z um einen Betrag abgeändert, der gleich der gesamten stufenweisen Nachstellung der Frequenz ist, die von der nachstellbaren Frequenzsyntheseschal tung 22 geliefert wird, d*h. -^p N Hz. Weiterhin könnte auch ein frequenzmoduliertes, Übergänge induzierendes Signal mit einer Mittenfrequenz von 6.834 "2^ MHz erhalten werden, das in Stufen von + —~— versetzt werden kann, wenn der Ausgang des Primäroszillators 11 zu einer Mittenfrequens von 6.83Ο MHz multipliziert wird und die einstellbare Frequenzsyntheseschaltung 32 so nachgestellt wird, dass ein Signal von 4 -r* MHz + -S- N H* geliefert wird, das dem Signal mit der Frequenz von 6.830 MHz addiert würde. In allen Fällen wird der Ausgang des Mischers 24 so angeschlossen, dass Atomzustands-Übergänge in dem Rb -Dampf-Absorptionszellen-Besonator 12 induziert werden.

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Die einstellbare Fraquenzsynthesesohaltung 22 iat so eingestellt, dass die 5 MHz-Ausgangefrequenz des Primäroszillators 11 um eine ausgewählte Gesamtstufe τοη ~p N Hz nachgestellt wird, wenn die Frequenz des Tersatzoeaill&tors 34 in entsprechenden Stufen von 250 N Hz versetzt wird. Der Genauigkeit halber wird ein spannungsgesteuerter Kristalloszillator verwendet, um das Signal von 1 MHz + 250 H Hz zu erzeugen. Un den Versatzoszillator 34 mit der gewünschten Frequenz zu rerrasten, wird ein Signal gleich der Gesamtstufe, um die die Ausgangsfrequenz des Versatzoszillators 34 versetzt wird, d.h. 250 H Hz, vom Ausgang des Versatsoszillators 54 abgeleitet. Sas abgeleitete Versatzfrequenzsignal wird einem Phasen-Spannungs-Konverter 39 zugeführt, in dem es phasemtassig analysiert wird, um eine Steuergleiohspannung zu erhalten, mit der der Versatzoszillator 34 mit der gewünschten Frequenz verrastet wird* Uenauar gesagt, das Auegangs signal von 1 MHz + 250 N Hz vom Versatzoszillator 34 wird einem abgeglichenen Einseitenband-Modulator-Mlsoher für das untere Seitenband zugeführt und mit einem 1 MHz-Signal vom Frequenzteiler 31 mit dem Teilungsfaktor 5 gemischt, um dam Differenzfrequenzsignal von 25O K Hz zu erhalten. Wegen des grossen Abstandes zwischen dem 1 MHz-Signal, dem Summenfrequenzsignal von 1 MHz + 250 S Hz, und dem Differenzfrequenzsignal von 25Ο K Hz kann ein üblicher einfacher Tiefpassfilter 42 verwendet werden, um Signale unerwünschter Frequenz daran zu hindern, zum Konverter 39 durchzulaufen.

Die Phasenlage des Signals von 25Ο N Hz wird dadurch abgefragt, dass der Ausgang des Tiefpasses 42 einem gegatterten Phasen-Spannungs-Konverter 39 zugeführt wird. Der Konverter 39 ist so gegattert, dass er die 250 N Hz-Frequenz durch Impulse von einem 250 Hz-Impulszug abfragt,

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der τοπ einem Abfrageimpulsgenerator 42 erzeugt wird. Der Impulsgenerator wird durch einen digitalen Frequenzteiler 44 mit dem Teilungefaktor 400 gesteuert, der das 100 kHz-Ausgangssignal rom Frequenzteiler 32 mit dem Teilungsfaktor 10 zu einem Signal mit 250 Hz umwandelt* Es ist zu erwähnen, dass die Impulswiederholrate des Impulszuges rom Abfrageimpulsgenerator 4? gleich der Frequenz der Grund-Anstiegestufen gemacht ist, d.h. 250 He, um die der Versatzoszillator 34 nachgestellt wird.

Wenn ein Impuls rom Impulszug den Konverter 39 gattert, wird eine Gleichspannung erzeugt, die proportional ist der Spannungsamplitude des 250 N Hz-Signals, die gleichzeitig mit dem Gatterimpuls auftritt. Wenn der Versatzoszillator 54 von eier ausgewählten Frequenz abweicht, ändert sich der Phasenpunkt, an dem das Signal von 250 N Hz abgefragt wird, bei jeder Abfragung· Dementsprechend ändert sich die Ausgangsgleichspannung vom Konverter 39 proportional der Phasenänderung· Diese Gleichspannung wird den spannungsgesteuerten Versatz-Kristalloszillator 34 zugeführt, um den Yereatzoszillator mit der gewünschten Frequenz zu verrasten. Wenn der Versatzoszillator 34 »it der gewünschten Frequenz verrastet ist, hat die erzeugte Gleichspannung einen Wert, der den Verrastungszustand angibt.

Ein spezieller Phasen-Spannungs-Konverter 39 zum Verrasten des Vereatzoszillators ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Mischer 4I ist mit Ausgangsklemmen 51 und 52 versehen, über denen eine Parallelschaltung aus einem 2 Kiloohm-Potentiometer 53 und einem 8200 pF-Filterkondensator 54 liegt. Die über dem Potentiometer 53 stehende Spannung folgt der momentanen Spannüngsamplitude des 25O N Hz-Signals vom Mischer 4I. Der Abgreifarm

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und eine Seite des Potentiometers 53 sind in Reihe mit einem Kondensator 57 von 0,01 Mikrofarad und der Saugelektrode 58 und der Quellenelektrode 59 eines Abfrage-Feldeffekttransistor· 61. Der Abfrager 61 und der Kondensator 57 bilden den Phasen-Spannungs-Konverter 39. Bia Feldeffekttransistor wurde als Abfrager 61 des Konverter» ausgewählt, weil er. eine besonders hohe Sperrimpedanz hat, in der Gröasenordnung von Hunderten von Megohm, und eine kleine An-Impedan* von etwa 1 Kiloohm.

Sie Gatterelektrode 62 des Feldeffekttransistors ist so gesohaltet, dass sie den Impulszug vom Abfrageimpulsgenerator 43 erhält· Der Abfrageimpulsgenerator arbeitet mit einem monostabilen Multivibrator, um einen Impulszug aus 40 MikroSekunden langen negativen Impulsen in Abständen von 4 Millisekunden zu erzeugen· Es können jedoch genausogut andere Impulserzeuger verwendet werden, beispielsweise ein getriggerter bistabiler Flipflop. Die Impulse gattern den Abfrager 61 in den leitenden Zustand, so dass der Kondensator 57 der Spannung über dem Abgriff 56 des Potentiometers 53 folgen kann.

Der Kondensator 57 ist in Reihe mit der Gatterelektrode 63 und der Quellenelektrode 64 eines Feldeffekttransistors 66 als Gleichstromverstärker gesohaltet, der die Steuergleiohspannung bildet, mit der der Versatzoszillator 34 mit der gewünschten Frequenz verrastet wird. Bin Feldeffekttransistor ist als Gleichstromverstärker 66 verwendet worden, weil er eine hohe Eingangsimpedanz von etwa 10 Megohm hat· Die hohe Sperrimpedanz und die hohe Eingangsimpedanz des Feldeffekttransistors gewährleisten, dass der Gleiohspannungswert im Dauerzustand über dem Konden-

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sator 57 während der Sperrzeit des Abfragers 61 im wesentlichen konstant bleibt. In ähnlicher Weise macht es die kleine An-Impedanas des FeIdeffekt-Traneistors der Spannung über Kondensator 57 möglich, der über dem Abgriff 56 des Potentiometers 53 stehenden zu folgen. Andere aktive Elemente, wie Sperrschicht-Transistoren, können jedoch anstelle des Feldeffekt-Transistors verwendet werden. Weiter ist es nicht erforderlich, dass die Spannung über Kondensator 57 konstant bleibt} die Genauigkeit des Systems 1st allerdings besser, wenn sie im wesentlichen konstant bleibt.

Die Steuergleiohspannung wird über einem 10 Kiloohm-Widerstand 67 zwischen der Saugelektrode 68 des Feldeffekt-Transistorverstärkers 66 und einem Stromversorgungsansohluss 69 gebildet. Sie richtige Spannungs-Phasen-Beziehung wird dadurch erhalten, dass der veränderliche Vorspannungssteuerwider stand 71 zwischen der Quellenelektrode 64 und der Stromversorgung so eingestellt wird, dass der Verstärker 66 in den riohtigen Arbeitspunkt vorgespannt wird.

Der Versatzoszillator 34 wird mit der gewünschten Frequenz dadurch verrastet, dass die Gleichspannung über einer Kapazitätsdiode 72 geregelt wird, die mit dem Kristall 73 und zugehörigen frequenzbestimmenden Elementen des spannungsgesteuerten Versatz-Kristalloszillatore 34 verbunden ist. Die Steuergleichspannung vom Verstärker 66 wird über die Kapazitätsdiode 72 gekoppelt, um ihre effektive Kapazität zu verändern, sobald eine Abweichung des Frequenzsignals am Ausgang des Mischers 5I erscheint. Eine solche Abweichung ergibt sich beispielsweise aus unkontrollierten Fluktuationen in der Frequenz des Signals vom Versatzoszillator 34·

Der Betrieb des Phasen-Spannungs-Konverters gemäss Fig. 3 soll in Verbindung mit Fig* 4 näher erläutert werden. Das Auegangsfrequenzsignal 80 vom Mischer 4I für N - + 1 gemäss Fig. 4A wird über die Reihenschaltung aus Abfrager 66 und Kondensator 57 gelegt. Wenn die voreilende Kante Θ1 eines negativen Impulses 82 vom Abfrageimpulagenerator 43 den Abfrager in den leitenden Zustand gattert, nimmt die Spannung über dem Kondensator

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_ΒΛ0 of*»"*¹

die Spannung am Abgriff 56 des Potentiometers 53 an und folgt dieser während der Impulsdauer. Biese Änderung der Gleichspannung über dem Kondensator 57 ist durch Teil 83 der Gleiohepannungskurve 84 in Fig. dargestellt. Die nacheilende Kante 86 des Impulses 82 beendet den leitenden Zustand des Abfragers 61 und setzt damit den gleiohspannungswert über dem Kondensator 57 &uf einen Prozentsatz der Spannungeamplitude 87 des Frequenzsignals vom Mischer 41» der vorliegt, wenn der negative Impuls 82 aufhört (vergl. Fig. 4B). Wenn die mittlere Spannung, die über dem Kondensator 57 während jeder Abfrageperiode auftritt, d.h. während 4 Millisekunden, von Abfrage zu Abfrage konstant ist, hat die Gleichspannung vom Verstärker 66 einen Wert, der einem Verrastungszustand des Versatzoezillators entspricht. Um der Kapazitätsdiode 72 eine Gleichspannung zuzuführen, die genau die mittlere Spannung über dem Kondensator 57 repräsentiert, ist der Ausgang des Verstärkers 66 mit der Kapazitätsdiode 72 über ein Filter 38 verbunden, die den Verstärkerausgang integriert, um eine Gleichspannung zu liefern, die so lange konstant bleibt, wie der Versatzoszillator 54 Terrastet ist.

Wenn die Frequenz des Versatzoszillators von der gewünschten Frequenz 1 MHz + 250 Hz für N-+1, wie oben gesagt, abweicht, beispielsweise nach oben, wie durch die Kurve 80' dargestellt) oder nach unten, wie durch die Kurve 80" dargestellt ist, ändert sich der Phasenpunkt des Frequenzsignals, an dem die Abfragung durchgeführt wird, in jedem Probenintervall. Sie Spannungsamplitude 87 des Frequenzsignals, die mit dem negativen Abfrageimpuls 82 zusammenfällt, ändert sich also von Probe zu Probe. Dementsprechend ändert sich der mittlere Spannungspegel über

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BAD OR

dem Kondensator 57· Venn beispielsweise das Frequenzsignal des Vereatzoszillators 34 nach einer neuen, höheren Frequenz hin abweicht, wird die Gleichspannung über dem Kondensator 57 auf einen entsprechend höher positiven Spannungswert 91 eingestellt. Auf der anderen Seite, wenn der Oszillator 34 zu einer neuen, tieferen Frequenz hin versetzt wird, wird die Gleichspannung über dem Kondensator 57 auf einen entsprechend niedrigeren positiven Spannungswert 92 eingestellt.

Es ist zu erwähnen, dass der Phasen-Spannungs-Konverter gemäss Fig. auch das Frequenzsignal des Versatzoszillators 34 korrigiert, um unkontrollierten Fluktuationen in den Frequenzen vom Primäroszillator Rechnung zu tragen. Jede Fluktuation in diesem Frequenzsignal sorgt dafür, dass die Differenzfrequenz 80 vom Mischer 4I sich ändert, und damit ändert sich auch die Phasenlage des Differenzsignals, die mit dem Abfrageimpuls 82 zusammenfällt.

Durch die Verschiebung der mittleren Gleichspannung über dem Kondensator 57 erzeugt der Verstärker 66 eine Gleichspannung, deren Mittelwert um einen entsprechenden Betrag verschoben wird. Dieser verschobene mittlere Gleichspannungswert stellt die Kapazität der Kapazitätsdiode 72 nach, bis die Frequenz des Versatzoszillators 34 auf die gewünschte ausgewählte Frequenz korrigiert ist. Wenn, wie bereits erwähnt, der Versatzoszillator korrigiert wird, wird der Ausgang des Mischers 4I mit der gleiohen Phase abgefragt, jedesmal, wenn eine Abfragung durchgeführt wird. Die mittlere Gleiohspannung über dem Kondensator 57 bleibt dann konstant und die mittlere Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers hat einen Wert entsprechend dem verrasteten Betriebszustand des Versatz-

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oszillators 34·

In der Praxis wird bevorzugt, die Amplitudenänderung des Frequenzβignals während des AbfrageimpulsintervalIs auf einen kleinen Teil der Spannungspitze-Spitze des Frequenzsignals zu begrenzen. Das wird dadurch erreicht, dass die Impulsbreite des Abfrageimpulses 82 auf ein Intervall kleiner als die Hälfte der Periode der Maximalfrequenz vom Misoher 41 eingestellt wird« Auf diese Weise kann die vom Versatzoszillator 34 erzeugte Frequenz genau mit der gewünschten Frequenz verrastet werden. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der monostabile Multivibrator ale Abfrage impulsgenerator 43 so gebaut, dass er Impulse von 40 MikroSekunden in Intervallen von 4 Millisekunden liefert. Dementsprechend wird das Frequenz signal 80 vom Misoher auf etwa -τ-τττ seiner Gesamtperiode abgefragt.

Wenn der Versatzoszillator 34 nachgestellt wird, um ein Frequenzsignal entsprechend ϊ = + 2 zu liefern, liefert der Mischer 4I ein Frequenzsignal 80"' mit dem Zweifachen der Frequenz für den Fall N « + 1. Wie in Fig. 4B dargestellt ist, sorgt der Ausgang des Verstärkers 66 dafür, dass das N « + 2 -Frequenzsignal so verschoben wird, das» sein Phasen-Nullpunkt nicht mit dem des Frequenzsignals 80 übereinstimmt. Diese Phasenverschiebung tritt ein, weil die mittlere Gleichspannung über dem Kondensator Hull sein muss, damit der Veraatzoszillator 34 in einen verrasteten Betriebszustand gebracht wird. Da weiterhin das Frequenzsignal 80"' an dem gleichen Phasenpunkt abgefragt wird, jedesmal, wenn der Versatzoezillator 34 auf der gewünechten Frequenz 1 MHz + 250 N Hz arbeitet, erreioht der Versatzoszillator für jedes gewählte N einen Verrastungszustand.

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Fehlfunktionen im System zum Stabilisieren dee Versatzoszillators 34 bei einer auegewählten Frequenz könnten die Erzeugung eines Steuergleichsignals hervorrufen, das den Versatzoszillator zwingen würde, ein Frequenz signal zu erzeugen, das eine falsche Verrastung ergeben würde, d.h., dass der Oszillator 34 ^mi* einer Frequenz verrastet, die sich von der gewünschten Frequenz, die für eine sehr genaue Frequenzquelle erforderlioh ist, abweicht. Eine solche falsche Verrastung könnte eintreten, wenn der Versatzoszillator 34, der so eingestellt ist, dass eine Frequenz entsprechend einem bestimmten Vert N erzeugt wird, die Möglichkeit erhält, zu einer Frequenz zu driften, die anderen Werten von N entspricht. Um sioh hiergegen zu schützen, wird die Bandbreite der den Versatzoszillator 34 enthaltenden Schleife vorzugsweise auf weniger als die Hälfte der Frequenzstufen eingestellt, d.h. 250 Hz, um die der Versatzoszillator nachgestellt wird. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Schleifenbandbfeite auf 70 Hz eingestellt. Srsiohtlioh hat also der Versatzoszillator 34 eine Frequenzausgangsoharakteristik, die aus auf 140 Hz korrigierten Frequenzbändern zusammengesetzt ist, in denen der Versatzoszillator 34 im Verrastungszustand arbeitet, die durch 110 Hz breite unkorrigierte Frequenzbänder getrennt sind, wobei der Versatzoszillator 34 i» nicht verrasteten Zustand arbeiten würde.

üb eine Anzeige dafür zu erhalten, dass der Versatzoszillator 34 im nioht verrasteten Zustand arbeitet, ist ein Pufferverstärker 101 eingeschaltet, üb den Ausgang des Qleiohstromverstärkers 66 zu überwachen. Wenn der Versatzoszillator 34 im nioht verrasteten Zustand ist, variiert der Oszillator 34 mit einer Frequenz Af, während er nach einer Verraetungifrequenz luoht. Die sohaale Bandbreite der Schleife hindert

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jedoch den Oszillator daran, einen verrasteten Frequenzzustand zu erreichen. Dementsprechend wird der Ausgang des Mischers 4I in jedem Zyklus an anderen Phasenpunkten abgefragt. Dadurch ändert sich die Gleichspannung über dem Kondensator 57 entsprechend der Abfrage-Phasenpunkt-Variation. Diese variierende Gleichspannung wird vom Pufferverstärker 101 festgestellt und einem Gleichrichter 102 zugeführt, der in der Weise reagiert, dass ein Entrastungs-Alarmsignal an Klemme 103 geliefert wird.

Andere Fehlfunktionen können in dem einstellbaren Oszillatorstabilisatorsystem nach der Erfindung auftreten, ohne dass der Versatzoszillator zum Pendeln veranlasst wird, beispielsweise Ausfälle im Abfrageimpulsgenerator 43 oder in der 1 MHz- und Versatz-Frequenzquelle. Um eine Anzeige für solche Fehler zu erhalten, ist der Ausgang des Abfrageimpulsgenerators 43 an einen ersten Gleichrichter 111 angeschlossen, um eine Abfrage-Alarm-Gleichspannung zu erzeugen. Der Ausgang des Versatzoszillators 34 ist auch mit einem zweiten Gleichrichter 112 verbunden, um eine Versatz-Alarm-Gleichspannung zu erzeugen. In ähnlicher Weise ist das 1 MHz-Signal an einen dritten Gleichrichter II3 angeschlossen, um ein 1 MHz-Versatz-Alarm-Spannung zu erhalten. Die Gleichspannung der Gleichrichter 111, 112 oder 11 3 ist an ein ODER-Gatter aus Dioden 114, 115 und 116 geführt. Der Ausgang des ODER-Gatters ist an die Steuerelektrode eines Alarmgatters II7 geführt,.Der kombinierte Ausgang des ODER-Gatters liefert eine Gleichspannung, die das Alarmgatter 117 in den Sperrzuetand vorspannt. Wenn jedoch keine der Alarmgleiohspannungen vorhanden ist, spannen die kombinierten ODER-Gatter-Ausgangsspannungen das Alarmgatter 117 iⁿ den leitenden Zustand vor, so dass ein Fehler-Alarmsignal geliefert wird. Der

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Ausgang- des Alarmgatters 117 kann auch mit Klemme 103 verbunden werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden Frequenzversetzungen des Frequenzsignals vom Yersatzoszillator 34 durch Auswechseln des Kristalls 73 erhalten. Um Versätze von + 250 N Hz zu erhalten, wobei N eine ganze Zahl im Bereich von 0 bis 40 darstellt, werden mehrere Kristalle vorgesehen, die für Frequenzen zwischen 1 MHz - 250 (40) Hz bis 1 MHz + 25O (40) Hz in Stufen von 25O Hz geschnitten sind. Relativ zur eingestellten Hyperfeinstruktur-Übergangs-Resonanzfrequenz des Übergangs 0—*0 von Rb von 6.834 T§ MHz, entspricht die Einstellstufe von —~— Hz bei

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der Frequenztransformation durch die Frequenzsyntheseschaltung I3 gut den 50 Teilen auf 10 ,um die die Ausgangsfrequenz des Primäroszillators 11 geändert werden soll.

/Patentansprüche

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Claims (10)

PATENTANWALT DlPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT 1591797 8000 MÜNCHEN 23 · MAINZERSTR.5 . V1 P1 57 D Patentansprüche

1. Stabilisiertes Frequenznormal mit nachstellbarer Frequenz, bestehend

87 ■ aus einem Atomfrequenzresonator, beispielsweise einer Rb -Gaszelle, die mit einer Rb -Lampe gepumpt wird, deren Licht mit einer Rb Zelle gefiltert wird, einem Oszillator variabler Frequenz, mit dem ein Signal einer gewählten Frequenz erzeugt wird, und einer Vergleichseinrichtung, in der die Frequenz dieses Signals mit derquantenmechanischen Übergangs-Resonanzfrequenz des Atomfrequenzresonators verglichen wird, um ein Abweichungssignal zu erzeugen,das die Frequenzdifferenz darstellt und mit dem der Oszillator auf eine Frequenz abgestimmt wird, die mit der Frequenzdifferenz in Beziehung steht, bei dem eine einstellbare Frequenzsyntheseschaltung mit dem Oszillator gekoppelt ist, um die Frequenz des von diesem gelieferten Signals um eine ausgewählte Stufe zu transformieren und ein Signal mit einer Frequenz zu erzeugen, die der quantenmechanischen Übergangs-Resonanzfrequenz des Resonators entspricht, nach Patent ... (Patentanmeldung V32 909 IXd/21a4)> dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbare Frequenzsyntheseschaltung einen Versatzoszillator enthält, dessen Frequenz um gewählte Frequenzstufen nachstellbar ist und mit dem ein Versatzsignal mit einer anderen gewählten Frequenz erzeugt wird, eine zweite Vergleichseinrichtung, in der das Versatzsignal mit einer festen BezugBfrequenz verglichen wird, um den Versatzoszillator mit dieser zu

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verraeten, und eine Kombinationsschaltung, in der die Signale vom Oszillator und vom Versatzoszillator zu dem Signal kombiniert werden, dessen Frequenz der quantenmechanischen Übergangs-Resonanzfrequenz entspricht, vorgesehen sind.

2. Frequenznormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vergleiohseinrichtung einen Phasen-Spannungs-Konverter enthält, mit dem Abweichungen in der Phasenlage des Signals vom Versatzoszillator festgestellt werden und ein Abweichungssignal proportional zur Abweichung der Phasenlage von einem Bezugsphasenpunkt erzeugt wird, das zur Verrastung des nachstellbaren Versatzoszillators mit der zweiten gewählten Frequenz dient.

3· Phasen-Spannungs-Konverter, insbesondere für ein Frequenznormal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgenerator einen Impulszug mit einer Wiederholungsrate gleich der zu überwachenden Frequenz oder einer ihrer Subharmonischen an ein elektronisches Gatter liefert, an dem die zu überwachende Frequenz steht, und das ein Signal durchläset, dessen zeitlicher Verlauf der Amplitudenvariation des Signals während jedes Impulses repräsentiert, wobei das durchgelassene Signal über einem Kondensator steht.

4· Konverter nach Anspruoh 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer kleiner als die Hälfte der Periode der zu überwachenden Frequenz ist.

5· Frequenznormal nach Anapruoh 2 mit einem Konverter naoh Anspruch 3 oder

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4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholungsrate des Impulszuges gleich der Frequenzstufe ist, um die der Versatzoszillator stufenweise verstellt wird, und dass das durchgelassene Signal zum Verrasten des Versatzoszillators mit. der zweiten gewählten Frequenz dient.

6. Frequenznormal nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daes eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der vom Versatzoszillator ein Signal abgeleitet wird, dessen Frequenz gleich der gesamten Frequenzstufe ist, um die der Versatzoszillator nachgestellt ist.

7. Frequenznormal nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalableiteinrichtung aus einer Einrichtung besteht, mit der die Frequenz des Primäroszillators auf eine Grundfrequenz gleich der Frequenz transformiert wird, um die herum der Versatzoszillator in festen Frequenzstufen nachgestellt wird, und einem Frequenzmischer, dem die Grundfrequenz und der Ausgang des Versatzoszillators zugeführt werden und der ein Ausgangssignal mit einer Frequenz liefert, die gleich der Differenz seiner beiden Eingangsfrequenzen ist, das dem elektronischen Gatter zugeführt wird.

8. Frequenznormal nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzoszillator, die Signalableiteinrichtung und der Phasen-Spannungs-Konverter eine Rückkopplungsschleife mit einer Sohleifenbandbreite kleiner als die Hälfte einer Frequenzstufe bilden, um die der Versatzoszillator nachgestellt wird.

9. Frequenznormal nach einem der Ansprüche 5 bis Θ, dadurch gekennzeichnet,

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dass Überwachungseinrichtungen jeweils an den Ausgang des Vereatzoszillators, des Impulsgenerators, des elektronischen Gatters und des Hauptoszillators angeschlossen sind, die ein Alarmsignal liefern, sobald eine dieser Einrichtungen fehlerhaft arbeitet.

10. Frequenznormal nach Anspruch 9» daduroh gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung drei Gleichstromsignale liefert, wenn die Grundfrequenz, das Versatzsignal und der Impulszug ordnungsgemäss vorhanden sind, ein ODER-Gatter diese Gleichströme aufnimmt und ein elektronisches Gatter in einem bestimmten Leitungszustand hält, solange alle drei Gleichströme das ordnungsgemässe Vorliegen der überwachten Signale anzeigen, und ein viertes Gleichstromsignal aufgrund einer Abfrage des Abweichungssignals, wenn der Versatzoszillator in einem nicht verrasteten Betriebszustand arbeitet.

11. Frequenznormal nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzoszillator ein Versatzsignal liefert, dessen Frequenz gleich 1 MHz + 250 N Hz ist, wobei K eine ganze Zahl zwischen 0 und 40 ist.

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