RU2741476C1 - Method for automatic adjustment of resonator of hydrogen generator - Google Patents

Method for automatic adjustment of resonator of hydrogen generator Download PDF

Info

Publication number
RU2741476C1
RU2741476C1 RU2020132384A RU2020132384A RU2741476C1 RU 2741476 C1 RU2741476 C1 RU 2741476C1 RU 2020132384 A RU2020132384 A RU 2020132384A RU 2020132384 A RU2020132384 A RU 2020132384A RU 2741476 C1 RU2741476 C1 RU 2741476C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
signal
resonator
digital
hydrogen generator
Prior art date
Application number
RU2020132384A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Юрьевич Блинов
Юрий Федорович Смирнов
Юрий Станиславович Самохвалов
Владимир Прокопьевич Сысоев
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри")
Priority to RU2020132384A priority Critical patent/RU2741476C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2741476C1 publication Critical patent/RU2741476C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

FIELD: quantum frequency standards.SUBSTANCE: invention relates to quantum frequency standards and can be used in hydrogen frequency standards. The aim of the invention is to increase the accuracy of stabilizing the frequency of the resonator of a hydrogen generator (HG) thereby reducing the instability of the frequency of HG at small and large time intervals of 10 s to 10 days.EFFECT: the use of the proposed method for automatic adjustment of a resonator, which by means of linear transformations during the formation of a sounding signal without frequency modulation and during the processing thereof implemented by means of high-speed computing technology enables increasing the allowed power of the sounding signal, increasing the signal/noise ratio of the AAR system and thereby improving the accuracy of stabilization of the resonant frequency of the HG resonator and thus reducing the instability of the HSF frequency. The instability of the frequency of the hydrogen standard frequency at intervals of 1-10 days can be reduced from two to five times compared to analogues.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовых стандартов частоты и может быть использовано при разработке и производстве водородных стандартов частоты (ВСЧ).The invention relates to the field of quantum frequency standards and can be used in the development and production of hydrogen frequency standards (HSP).

В ВСЧ частоты выходных сигналов (5, 10, 100 МГц) жестко привязаны системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) к частоте генерации водородного генератора (ВГ). Основным дестабилизирующим фактором, влияющим на частоту ВГ, является расстройка СВЧ резонатора, поэтому в ВСЧ используется система автоматической настройки резонатора (АНР), позволяющая стабилизировать собственную частоту резонатора, которая изменяется из-за влияния старения, климатических и механических воздействий. Относительное изменение частоты генерации ВГ выражается формулой:In HSP, the frequencies of the output signals (5, 10, 100 MHz) are rigidly tied by a phase-locked loop (PLL) to the generation frequency of the hydrogen generator (HG). The main destabilizing factor affecting the SH frequency is the detuning of the microwave resonator; therefore, the HSP uses an automatic resonator tuning system (AHR), which makes it possible to stabilize the natural frequency of the resonator, which changes due to the influence of aging, climatic and mechanical influences. The relative change in the second-harmonic generation frequency is expressed by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где: Qp=5⋅104 - добротность резонатора ВГ;where: Q p = 5⋅10 4 - Q-factor of the SH resonator;

Qвг=1⋅109 - добротность линии излучения атомов водорода;Q bg = 1⋅10 9 - Q-factor of the emission line of hydrogen atoms;

Figure 00000002
- относительное изменение частоты генерации ВГ;
Figure 00000002
- the relative change in the generation frequency of the SH;

Figure 00000003
- относительное изменение частоты резонатора.
Figure 00000003
- the relative change in the resonator frequency.

Из формулы (1) видно, что для обеспечения относительной нестабильности ВГ 1⋅10-15 необходимо поддерживать резонансную частоту резонатора Fр=1420405,7…МГц с относительной погрешностью не более 2⋅10-11, то есть не более 0,03 Гц. Поддержание с такой высокой точностью заданной собственной частоты СВЧ резонатора ВГ обеспечивается системаой АНР.From formula (1) it can be seen that to ensure the relative instability of the SH 1⋅10 -15, it is necessary to maintain the resonant frequency of the resonator F p = 1420405.7 ... MHz with a relative error of no more than 2⋅10 -11 , that is, no more than 0.03 Hz ... Maintaining a given natural frequency of the SHF resonator with such a high accuracy is provided by the ANR system.

В автономных ВСЧ применяются системы АНР с амплитудным критерием настройки, не требующие применения внешнего высокостабильного сигнала. Суть метода амплитудной настройки заключается в частотной модуляции резонатора ВГ или специального зондирующего сигнала (ЗС), в результате чего на сигнале генерации или сигнале ЗС появляется амплитудная модуляция (AM) по величине и фазе которой можно судить о степени расстройки резонатора. При точной настройке резонатора на частоту зондирующего сигнала, AM отсутствует. Это и является амплитудным критерием настройки, по которому следящая система АНР с помощью варикапа поддерживает резонансную частоту резонатора. Потенциальная точность поддержания заданной частоты резонатора таких систем АНР определяется отношением сигнал/шум полезного амплитудно-модулированного сигнала АНР, по которому за время, определяемое постоянной времени системы регулирования, вырабатывается сигнал управления частотой резонатора.In autonomous HSPs, AHR systems with an amplitude tuning criterion are used, which do not require the use of an external highly stable signal. The essence of the amplitude tuning method consists in frequency modulation of the SH resonator or a special probing signal (SS), as a result of which amplitude modulation (AM) appears on the generation signal or the SS signal, according to the magnitude and phase of which one can judge the degree of resonator detuning. When the resonator is precisely tuned to the frequency of the probing signal, AM is absent. This is the amplitude tuning criterion according to which the ANR tracking system with the help of a varicap maintains the resonant frequency of the resonator. The potential accuracy of maintaining a given resonator frequency of such AHR systems is determined by the signal-to-noise ratio of the useful amplitude-modulated AHR signal, according to which, over a time determined by the time constant of the control system, a resonator frequency control signal is generated.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен способ АНР с модуляцией собственной частоты резонатора; на фиг. 2 представлен способ АНР с внешним зондирующим ЧМ сигналом; на фиг. 3 представлена функциональная схема системы использующий способ автоматической настройки резонатора с помощью зондирующего ЧМ сигнала; на фиг. 4 представлена функциональная схема системы использующий предлагаемый способ автоматической настройки резонатора с немодулированным зондирующим сигналом из двух гармоник.The invention is illustrated by drawings. FIG. 1 shows the AHR method with modulation of the natural frequency of the resonator; in fig. 2 shows the AHR method with an external FM sounding signal; in fig. 3 shows a functional diagram of the system using the method of automatic tuning of the resonator using the FM probe signal; in fig. 4 shows a functional diagram of a system using the proposed method for automatic tuning of a resonator with an unmodulated probe signal of two harmonics.

Известен способ АНР с частотной модуляцией резонатора ВГ [1, 2], использующий амплитудный критерий настройки (Фиг. 1). Частотная модуляция (ЧМ) собственной частоты резонатора выполняется петлей связи с помощью варикапа или переключающего диода. При этом в случае отстройки средней частоты резонатора

Figure 00000004
, от частоты генерации
Figure 00000005
в сигнале ВГ появляется амплитудная модуляция. Причем глубина AM зависит от степени расстройки резонатора, а фаза от знака отстройки частоты резонатора
Figure 00000004
относительно
Figure 00000005
. При
Figure 00000006
AM отсутствует. После усиления и преобразования к промежуточной частоте сигнал ВГ детектируется амплитудным детектором. Затем из сигнала огибающей AM с помощью синхронного детектора получают сигнал ошибки АНР, который используется следящей системой для стабилизации частоты резонатора.The known method AHR with frequency modulation of the resonator VH [1, 2], using the amplitude tuning criterion (Fig. 1). Frequency modulation (FM) of the natural frequency of the resonator is performed by a coupling loop using a varicap or a switching diode. In this case, in the case of detuning of the average resonator frequency
Figure 00000004
, on the generation frequency
Figure 00000005
amplitude modulation appears in the SH signal. Moreover, the depth AM depends on the degree of resonator detuning, and the phase on the sign of the resonator frequency detuning
Figure 00000004
relatively
Figure 00000005
... When
Figure 00000006
AM is missing. After amplification and conversion to an intermediate frequency, the SH signal is detected by an amplitude detector. Then, an AHP error signal is obtained from the AM envelope signal using a synchronous detector, which is used by the tracking system to stabilize the resonator frequency.

Способ АНР с модуляцией собственной частоты резонатора является простым, поэтому довольно широко применяются в ВСЧ, однако его возможности ограничиваются небольшим отношением сигнал/шум определяемым сигналом генерации ВГ, который одновременно является зондирующим сигналом для АНР. Поэтому ВСЧ с таким способом АНР имеют недостаточно высокие метрологические характеристики, особенно на коротких интервалах времени (до 1000 с).The AHR method with modulation of the natural frequency of the resonator is simple; therefore, it is widely used in HSP, however, its capabilities are limited by a small signal-to-noise ratio determined by the SH generation signal, which is also a probing signal for AHR. Therefore, HSPs with this AHR method have insufficiently high metrological characteristics, especially at short time intervals (up to 1000 s).

Известен также способ АНР с внешним частотно модулированным (ЧМ) зондирующим сигналом, вводимым в резонатор [3], получаемым из выходного сигнала ВСЧ (Фиг. 2), который имеет

Figure 00000007
потенциальные возможности по точности настройки резонатора, ввиду того, что мощность ЗС может быть значительно больше сигнала генерации ВГ. Поэтому ВСЧ с таким способом АНР, обладающим
Figure 00000008
отношением сигнал/шум, имеют более высокие метрологические характеристики. Однако такой способ АНР более сложный, так как требуют высокой точности поддержания значений частот ЗС и высокой степени одинаковости амплитуд при ЧМ модуляции, что может быть реализовано с помощью цифровых синтезаторов. Прошедший через резонатор ЗС, в котором появляется AM, то есть сигнал АНР, требует цифровой обработки.There is also known a method of AHR with an external frequency modulated (FM) probe signal introduced into the resonator [3], obtained from the output signal of the HSP (Fig. 2), which has
Figure 00000007
potential opportunities for the accuracy of tuning the resonator, since the power of the ZP can be much higher than the SH generation signal. Therefore, HSP with this AHR method, which has
Figure 00000008
signal-to-noise ratio, have higher metrological characteristics. However, this AHR method is more complicated, since it requires a high accuracy of maintaining the values of the SZ frequencies and a high degree of uniformity of amplitudes during FM modulation, which can be implemented using digital synthesizers. The SZ passing through the resonator, in which AM appears, that is, the ANR signal, requires digital processing.

Реализация способа АНР с зондирующим частотно манипулированным сигналом с непрерывной фазой (ЧМ) приведена на Фиг. 3. Формирование ЗС и обработка сигнала АНР выполняется в блоке автоматической подстройки частоты (БАПЧ) 10.An implementation of the AHR method with a frequency-shift keyed signal with continuous phase (FM) is shown in FIG. 3. The formation of the ES and the processing of the AHR signal is performed in the automatic frequency control unit (AFC) 10.

Зондирующий сигнал формируется из сигнала вспомогательного кварцевого генератора f0=142 МГц 18, привязанного системой ФАПЧ 16 к частоте выходного сигнала 100 МГц ВСЧ, и сигнала цифрового синтезатора 25. Цифровой синтезатор, из тактового сигнала 50 МГц, получаемого путем деления частоты сигнала 100 МГц на два делителем частоты 11, вырабатывает ЧМ сигнал с подавленной несущей частотой f0 ≈ 405,7 кГц, девиацией частоты ΔFм ≈ 15 кГц (примерно равной полуширине полосы пропускания резонатора ВГ) и частотой модуляции Fм, задаваемой делителем частоты 19 на 222 и равной Fм ≈ 11,9 Гц. То есть (405,7±ΔFм) кГц. Все параметры частоты ЗС привязаны к сигналу 100 МГц. Амплитуда выходного сигнала цифрового синтезатора не зависит от формируемых частот, так как задаются цифровыми кодами. Далее сигналы от вспомогательного кварцевого генератора f0=142 МГц и цифрового синтезатора (405,7±ΔFм) кГц объединяются в сумматоре 24 и подаются на смесительную петлю связи 4, расположенную в резонаторе 2 водородного генератора 1. В СВЧ резонаторе зондирующий сигнал (1420405,7±ΔFм) кГц образуется из десятой гармоники сигнала 142 МГц и ЧМ сигнала (405,7±ΔFм) кГц цифрового синтезатора. Мощность ЗС при этом оказывается вполне достаточной для работы системы АНР.The probe signal is formed from the signal of the auxiliary crystal oscillator f 0 = 142 MHz 18, tied by the PLL 16 system to the frequency of the output signal 100 MHz VSP, and the signal of the digital synthesizer 25. Digital synthesizer, from the clock signal of 50 MHz, obtained by dividing the frequency of the 100 MHz signal by two by a frequency divider 11, generates an FM signal with a suppressed carrier frequency f 0 ≈ 405.7 kHz, a frequency deviation ΔF m ≈ 15 kHz (approximately equal to the half-width of the passband of the SH resonator) and a modulation frequency F m set by a frequency divider 19 by 2 22 and equal to F m ≈ 11.9 Hz. That is (405.7 ± ΔF m ) kHz. All parameters of the ES frequency are tied to the 100 MHz signal. The amplitude of the digital synthesizer output signal does not depend on the generated frequencies, since they are set by digital codes. Further, the signals from the auxiliary crystal oscillator f 0 = 142 MHz and the digital synthesizer (405.7 ± ΔF m ) kHz are combined in the adder 24 and fed to the mixing coupling loop 4 located in the resonator 2 of the hydrogen generator 1. In the microwave resonator, the probe signal (1420405 , 7 ± ΔF m ) kHz is formed from the tenth harmonic of the 142 MHz signal and the FM signal (405.7 ± ΔF m ) kHz of the digital synthesizer. In this case, the power of the ES is quite sufficient for the operation of the ANR system.

Прошедший через резонатор ЗС (сигнал АНР) снимается с петли связи 5, усиливается усилителем СВЧ 6, преобразуется в смесителе 7 к частоте 20,4 МГц с помощью гетеродинной частоты 1400 МГц от умножителя частоты 8 путем умножения выходной частоты ВСЧ 100 МГц на 14, усиливается усилителем 9 и подается в блок БАПЧ. При этом величина AM сигнала АНР зависит от степени расстройки резонатора ВГ относительно центральной частоты ЗС. При точной настройке резонатора AM отсутствует.The ZS passed through the resonator (the ANR signal) is removed from the communication loop 5, amplified by the microwave amplifier 6, converted in the mixer 7 to a frequency of 20.4 MHz using the heterodyne frequency 1400 MHz from the frequency multiplier 8 by multiplying the output frequency of the HSP 100 MHz by 14, amplified amplifier 9 and fed to the LLLT unit. In this case, the AM value of the AHR signal depends on the degree of detuning of the SH resonator with respect to the central frequency of the SW. AM is absent when fine tuned.

Сигнал АНР 20,4 МГц преобразуется в смесителе 13 к промежуточной частоте 4,6 МГц с помощью гетеродинной частоты 25 МГц, получаемой делением на два частоты 50 МГц делителем частоты 12. Далее этот сигнал подается на вход синхронного детектора 14, который с помощью сигнала опорной частоты 4,6 МГц кварцевого генератора 15, восстанавливающего несущую, выделяет сигнал АНР на частоте ΔFм ≈ 15 кГц. Затем он усиливается избирательным усилителем 17 с узкой полосой пропускания и оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 21 с тактовой частотой 12,5 МГц получаемой делением на четыре частоты 50 МГц делителем частоты 20. Отсчеты с АЦП поступают на сигнальный процессор 26. На основании этих данных процессор вычисляет амплитуду и фазу сигнала АНР 15 кГц за каждый полупериод частоты модуляции Fм=H,9 Гц.The AHP signal of 20.4 MHz is converted in the mixer 13 to an intermediate frequency of 4.6 MHz using the 25 MHz heterodyne frequency, obtained by dividing the 50 MHz frequency by a frequency divider 12. Then this signal is fed to the input of the synchronous detector 14, which is used with the reference signal frequency of 4.6 MHz crystal oscillator 15, restoring the carrier, selects the AHR signal at a frequency of ΔF m ≈ 15 kHz. Then it is amplified by a selective amplifier 17 with a narrow bandwidth and digitized using an analog-to-digital converter (ADC) 21 with a clock frequency of 12.5 MHz obtained by dividing by four frequencies 50 MHz with a frequency divider 20. The samples from the ADC are fed to the signal processor 26. On Based on these data, the processor calculates the amplitude and phase of the AHP 15 kHz signal for each half-period of the modulation frequency F m = H, 9 Hz.

Синхронное детектирование позволяет из ЧМ-АМ сигнала АНР 4,6 МГц получить чистый AM сигнал АНР на частоте модуляции 15 кГц. Для этого с помощью системы ФАПЧ можно установить такую частоту и фазу кварцевого генератора 4,6 МГц, при которых в выходном сигнале синхронного детектора будут отсутствовать ФМ и ЧМ. Для этого в программе сигнального процессора реализована функция частотно-фазового детектора. По вычисленным процессором значениям фаз, используя критерии минимизации ЧМ и ФМ, вычисляется сигнал ошибки, который далее интегрируется. Затем, с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 22, из него вырабатывается напряжение, управляющее частотой и фазой КГ 4,6 МГц, при котором в сигнале АНР 15 кГц отсутствуют ЧМ и ФМ, что позволяет эффективно выделять АМ-сигнал АНР с помощью узкополосного усилителя 17.Synchronous detection makes it possible to obtain a pure AM AHP signal at a modulation frequency of 15 kHz from the FM-AM signal of AHP 4.6 MHz. To do this, using the PLL system, you can set the frequency and phase of the crystal oscillator to 4.6 MHz, at which there will be no PM and FM in the output signal of the synchronous detector. For this, the signal processor program implements the function of a frequency-phase detector. Based on the phase values calculated by the processor, using the FM and PM minimization criteria, an error signal is calculated, which is then integrated. Then, using a digital-to-analog converter (DAC) 22, it generates a voltage that controls the frequency and phase of the CH 4.6 MHz, at which there are no FM and PM in the ANR 15 kHz signal, which makes it possible to effectively isolate the AM signal of the ANR using narrowband amplifier 17.

По вычисленным процессором значениям амплитуд определяется разность за каждый период модуляции, которая далее интегрируется. Затем, с помощью ЦАП 23, вырабатывается управляющее напряжение, которое подается на петлю варикапа 3 резонатора и обеспечивающее стабилизацию заданного значения его резонансной частоты.The amplitude values calculated by the processor are used to determine the difference for each modulation period, which is then integrated. Then, with the help of the DAC 23, a control voltage is generated, which is fed to the loop of the varicap 3 of the resonator and ensures the stabilization of the set value of its resonant frequency.

Недостатком данного способа АНР является то, что формирование частотно-модулированного ЗС и синхронное детектирование ЧМ сигнала АНР происходит путем нелинейных преобразований. При этом частотно-модулированный ЗС содержит широкий спектр гармоник кратных 2Fм. Гармоники, находящиеся вблизи сигнала ВГ, оказывают влияние на частоту генерации, вызывая увеличение нестабильности частоты. Шумы сигнала АНР ограничивают точность восстановления фазы несущей, используемой для синхронного детектирования, что ухудшает точность поддержания частоты резонатора и, соответственно, увеличивает нестабильность частоты ВГ. Кроме того, в моменты переключения частоты при частотной модуляции ЗС в резонаторе возникает "звон", создающий помехи на частоте генерации ВГ, которые влияют на систему привязки частоты КГ выходного сигнала ВСЧ к сигналу ВГ, снижая надежность синхронизации вплоть до ее срыва. Все это ограничивает мощность ЗС на уровне 10-15 dB относительно сигнала генерации.The disadvantage of this AHR method is that the formation of a frequency-modulated ES and synchronous detection of the AHP FM signal occurs by nonlinear transformations. At the same time, the frequency-modulated ES contains a wide spectrum of harmonics that are multiples of 2F m . Harmonics in the vicinity of the SH signal affect the oscillation frequency, causing an increase in frequency instability. The noise of the AHR signal limits the accuracy of the carrier phase reconstruction used for synchronous detection, which degrades the accuracy of maintaining the resonator frequency and, accordingly, increases the instability of the SH frequency. In addition, at the moments of frequency switching during the frequency modulation of the GS, a ringing occurs in the resonator, which creates interference at the generation frequency of the SH, which affects the system of coupling the frequency of the CG output signal of the VSP to the SH signal, reducing the reliability of synchronization up to its breakdown. All this limits the power of the ES at a level of 10-15 dB relative to the generation signal.

Технической задачей изобретения является повышение точности стабилизации частоты резонатора ВГ за счет увеличения допустимой мощности зондирующего сигнала, увеличения отношения сигнал/шум системы АНР, а также за счет улучшения стабильности формирования ЗС и обработки сигнала АНР, приводящих к уменьшению нестабильности частоты ВГ на малых и больших интервалах времени от 10 с до 10 суток.The technical objective of the invention is to improve the accuracy of stabilizing the frequency of the SH resonator by increasing the permissible power of the probing signal, increasing the signal-to-noise ratio of the AHR system, as well as by improving the stability of the ES formation and processing the AHR signal, leading to a decrease in the SH frequency instability at small and large intervals time from 10 s to 10 days.

Технический результат предложенного решения способа АНР водородного генератора состоит в уменьшении нестабильности частоты ВСЧ за счет использования линейных преобразований как при формировании ЗС без частотной модуляции, так и при обработке сигнала АНР, которые могут быть реализованы с помощью цифровой обработки сигнала.The technical result of the proposed solution to the AHP method of a hydrogen generator consists in reducing the frequency instability of the HSP by using linear transformations both in the formation of the ES without frequency modulation and in the processing of the AHR signal, which can be implemented using digital signal processing.

В предложенном решении ЗС образуется путем сложения последовательностей кодов от двух цифровых синтезаторов, формирующих коды сигналов одинаковой амплитуды с частотами (f-ΔF) кГц и (f+ΔF) кГц, где f=405,7 кГц, из которых с помощью ЦАП получается аналоговый сигнал, состоящий из двух гармоник строго одинаковой амплитуды. Причем значения частот и равенство их амплитуд не зависят от времени, параметров внешней среды и напряжения питания, так как они сформированы из стабильного выходного сигнала стандарта частоты прямым цифровым синтезом с помощью одного и того же ЦАП. Далее этот сигнал с помощью десятой гармоники n=10 сигнала f0=142 МГц, удовлетворяющих условию: fВГ=nf0+f=10⋅142000+405,7=1420405,7 кГц, переносится на частоту ВГ, образуя в резонаторе зондирующий сигнал, состоящий из двух гармоник (1420405,7-ΔF) кГц и (1420405,7+ΔF) кГц, где ΔF примерно равно полуширине резонансной кривой резонатора ВГ (около 15 кГц). При этом вблизи сигнала ВГ не образуется паразитных сигналов, влияющих на частоту генерации. Под воздействием амплитудно-частотной характеристики резонатора ВГ в зондирующем сигнале появляется разность амплитуд между двумя этими гармониками, которая зависит от степени расстройки резонатора. При точной настройке резонатора амплитуды гармоник становятся одинаковыми. То есть используется амплитудный критерий настройки резонатора. Снимаемый с резонатора сигнал АНР усиливается, преобразуется к промежуточной частоте fПЧ=4,6 МГц, затем с помощью АЦП оцифровывается и в дальнейшем обрабатывается по специально разработанному алгоритму. Методом цифровой обработки сигнала реализуется фильтрация обеих гармоник ЗС, определяются их амплитуды, вычисляется разность амплитуд, которая затем интегрируется и на основании этих данных с помощью ЦАП вырабатывается напряжение, подаваемое на варикап резонатора ВГ для стабилизации его резонансной частоты. Формирование ЗС путем прямого цифрового синтеза и его цифровая фильтрация после прохождения через резонатор являются линейными операциями, не создающими дополнительных помех и шумов, что дает возможность увеличить мощность ЗС до 25-30 dB относительно сигнала генерации, тем самым повысить точность поддержания резонансной частоты резонатора ВГ и, соответственно, уменьшить нестабильность частоты ВСЧ. Максимальная допустимая мощность ЗС ограничивается, главным образом, нелинейностью приемно-усилительного тракта системы АНР.In the proposed solution, the ZS is formed by adding sequences of codes from two digital synthesizers that generate codes of signals of the same amplitude with frequencies (f-ΔF) kHz and (f + ΔF) kHz, where f = 405.7 kHz, from which an analog a signal consisting of two harmonics of exactly the same amplitude. Moreover, the values of frequencies and the equality of their amplitudes do not depend on time, environmental parameters and supply voltage, since they are formed from a stable output signal of the frequency standard by direct digital synthesis using the same DAC. Further, this signal with the help of the tenth harmonic n = 10 of the signal f 0 = 142 MHz, satisfying the condition: f SH = nf 0 + f = 10⋅142000 + 405.7 = 1420405.7 kHz, is transferred to the SH frequency, forming a probe in the resonator a signal consisting of two harmonics (1420405.7-ΔF) kHz and (1420405.7 + ΔF) kHz, where ΔF is approximately equal to the half-width of the resonance curve of the SH resonator (about 15 kHz). In this case, parasitic signals that affect the generation frequency are not formed near the SH signal. Under the influence of the amplitude-frequency characteristic of the SH resonator, the amplitude difference between these two harmonics appears in the probe signal, which depends on the degree of resonator detuning. With a fine tuning of the resonator, the amplitudes of the harmonics become the same. That is, the amplitude criterion for tuning the resonator is used. The AHP signal taken from the resonator is amplified, converted to an intermediate frequency f IF = 4.6 MHz, then digitized using an ADC and further processed according to a specially developed algorithm. By means of digital signal processing, both harmonics of the GS are filtered, their amplitudes are determined, the amplitude difference is calculated, which is then integrated, and on the basis of these data, a voltage is generated using a DAC, which is supplied to the VH resonator varicap to stabilize its resonant frequency. The formation of the ES by direct digital synthesis and its digital filtering after passing through the resonator are linear operations that do not create additional interference and noise, which makes it possible to increase the power of the ES to 25-30 dB relative to the generation signal, thereby increasing the accuracy of maintaining the resonant frequency of the SH resonator and , respectively, to reduce the frequency instability of the HSP. The maximum permissible power of the ES is limited mainly by the nonlinearity of the receiving-amplifying path of the ANR system.

Реализация предлагаемого способа АНР представлена на Фиг. 4. Зондирующий сигнал формируется из сигнала вспомогательного кварцевого генератора f0=142 МГц 18, привязанного системой ФАПЧ 16 к частоте выходного сигнала 100 МГц ВСЧ, и сигналов двух цифровых синтезаторов 30 и 31. Цифровые синтезаторы из тактового сигнала 100 МГц формируют последовательности кодов двух частот (405,7-ΔF) кГц и (405,7+ΔF) кГц одинаковой амплитуды, которые затем складываются в сумматоре кодов 32. Далее ЦАП 33 вырабатывает из суммарного кода аналоговый зондирующий сигнал, состоящий из двух гармоник одинаковой амплитуды. Затем они объединяются с сигналом КГ 142 МГц в сумматоре 24 и подаются на смесительную петлю связи 4, расположенную в резонаторе 2 водородного генератора 1. В СВЧ резонаторе выделяется зондирующий сигнал, состоящий из двух гармоник (1420405,7-ΔF) кГц и (1420405,7+ΔF) кГц, образуемый из десятой гармоники сигнала 142 МГц и сигналов (405,7-ΔF) кГц и (405,7+ΔF) кГц. Снимаемый с петли связи 5 резонатора сигнал АНР усиливается усилителем СВЧ 6, преобразуется в смесителе 7 к частоте 20,4 МГц с помощью гетеродинной частоты 1400 МГц, полученной от умножителя частоты 8 путем умножения выходной частоты ВСЧ 100 МГц на 14, усиливается усилителем 9 и подается в блок БАПЧ.The implementation of the proposed method AHP is shown in Fig. 4. The probing signal is formed from the signal of the auxiliary crystal oscillator f 0 = 142 MHz 18, tied by the PLL 16 system to the frequency of the output signal 100 MHz VSP, and the signals of two digital synthesizers 30 and 31. Digital synthesizers from the 100 MHz clock signal form a sequence of codes of two frequencies (405.7-ΔF) kHz and (405.7 + ΔF) kHz of the same amplitude, which are then added in the code adder 32. Next, the DAC 33 generates an analog sounding signal from the total code, consisting of two harmonics of the same amplitude. Then they are combined with the KG signal 142 MHz in the adder 24 and fed to the mixing coupling loop 4, located in the resonator 2 of the hydrogen generator 1. In the microwave resonator, a probe signal is isolated, consisting of two harmonics (1420405.7-ΔF) kHz and (1420405, 7 + ΔF) kHz, formed from the tenth harmonic of the 142 MHz signal and the (405.7-ΔF) kHz and (405.7 + ΔF) kHz signals. The AHR signal taken from the communication loop 5 of the resonator is amplified by the microwave amplifier 6, converted in the mixer 7 to a frequency of 20.4 MHz using the heterodyne frequency of 1400 MHz, obtained from the frequency multiplier 8 by multiplying the output frequency of the HSC 100 MHz by 14, amplified by the amplifier 9 and supplied into the BLL block.

В БАПЧ сигнал АНР 20,4 МГц преобразуется в смесителе 13 к промежуточной частоте fПЧ=4,6 МГц с помощью гетеродинной частоты 25 МГц от делителя частоты 12 путем деления на два частоты 50 МГц, получаемой из формирователя тактовых импульсов 27. Далее сигнал АНР 4,6 МГц оцифровывается АЦП 28, отсчеты с которого поступают на программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) 29. В ПЛИС с помощью цифровой фильтрации выделяются составляющие сигнала АНР (4,6-ΔF) МГц и (4,6+ΔF) МГц, которые передается на сигнальный процессор 34. Сигнальный процессор вычисляет их амплитуды, по разности амплитуд определяет сигнал ошибки и на основании этих данных в режиме реального времени вычисляет управляющий сигнал, из которого затем с помощью ЦАП 35 вырабатывается напряжение, подаваемое на петлю варикапа 3 резонатора ВГ 1 для стабилизации его резонансной частоты.In the BLL, the AHP signal of 20.4 MHz is converted in the mixer 13 to an intermediate frequency f IF = 4.6 MHz using the 25 MHz heterodyne frequency from the frequency divider 12 by dividing the 50 MHz frequency obtained from the clock pulse generator 27 by two. Further, the AHP signal 4.6 MHz is digitized by the ADC 28, the samples from which are fed to the programmable logic integrated circuit (FPGA) 29. In the FPGA, using digital filtering, the components of the AHP signal (4.6-ΔF) MHz and (4.6 + ΔF) MHz are extracted, which are transmitted to the signal processor 34. The signal processor calculates their amplitudes, determines the error signal from the amplitude difference and, on the basis of these data, calculates the control signal in real time, from which the voltage supplied to the varicap loop 3 of the VG resonator 1 is then generated using the DAC 35 to stabilize its resonant frequency.

Этим достигается технический результат предложенного способа автоматической настройки резонатора, который за счет использования линейных преобразований при формировании зондирующего сигнала без частотной модуляции и при его обработке, реализуемых с помощью цифровой обработки сигналов, позволяют увеличить допустимую мощность зондирующего сигнала и тем самым повысить точность стабилизации резонансной частоты резонатора ВГ и, соответственно, уменьшить нестабильность частоты ВСЧ.This achieves the technical result of the proposed method for automatic tuning of the resonator, which, due to the use of linear transformations in the formation of a sounding signal without frequency modulation and during its processing, realized with the help of digital signal processing, makes it possible to increase the permissible power of the sounding signal and thereby increase the accuracy of stabilization of the resonant frequency of the resonator VH and, accordingly, reduce the frequency instability of VSP.

На интервалах времени 1-10 суток нестабильность частоты ВСЧ может быть уменьшена не менее чем в 2 раза по сравнению с способом АНР с зондирующим ЧМ сигналом, и до 5 раз по сравнению с способом АНР с модуляцией собственной частоты резонатора.At time intervals of 1-10 days, the frequency instability of the HSP can be reduced by at least 2 times compared to the ANR method with a FM sounding signal, and up to 5 times compared to the ANR method with modulation of the natural frequency of the resonator.

ЛитератураLiterature

1. Гайгеров Б.А., Елкин Г.А. Автоматическая настройка водородного эталона частоты. Измерительная техника. 1968, №6, с 90.1. Gaigerov B.A., Elkin G.A. Automatic tuning of the hydrogen frequency standard. Measuring technology. 1968, No. 6, p. 90.

2. Гайгеров Б.А., Русин Ф.С., Польников Н.И., Сысоев В.П., Овчинников С.Н Перевозимые квантовые часы на основе водородного генератора с малогабаритным резонатором. Измерительная техника. 1989, №4, с 17.2. Gaigerov BA, Rusin FS, Polnikov NI, Sysoev VP, Ovchinnikov SN Transportable quantum clocks based on a hydrogen generator with a small-sized resonator. Measuring technology. 1989, no. 4, p. 17.

3. Б.А. Гайгеров, В.П. Сысоев, Ю.С. Самохвалов. Активный транспортируемый водородный стандарт частоты с цифровой системой АНР. Исследования по метрологии времени и пространства: Труды ВНИИФТРИ. Вып. 50(142). М2005. С. 57-70.3. B.A. Gaigerov, V.P. Sysoev, Yu.S. Samokhvalov. Active transportable hydrogen frequency standard with digital AHR system. Research in the metrology of time and space: Proceedings of VNIIFTRI. Issue 50 (142). M2005. S. 57-70.

Claims (1)

Способ автоматической настройки резонатора АНР водородного генератора с амплитудным критерием настройки, в котором зондирующий сигнал образован из выходной частоты стандарта путем сложения последовательностей кодов от двух цифровых синтезаторов, формирующих сигналы одинаковой амплитуды с частотами (f-ΔF) и (f+ΔF), где ΔF равна полуширине полосы пропускания резонатора водородного генератора, из которых с помощью цифроаналогового преобразователя вырабатывается аналоговый сигнал из двух составляющих, который, суммируясь с сигналом вспомогательного кварцевого генератора f0, удовлетворяющему условию: fВГ=nf0+f либо fВГ=nf0-f, где fВГ=1420405,7…кГц - частота генерации водородного генератора, n - номер гармоники частоты вспомогательного кварцевого генератора привязанного схемой ФАПЧ к выходной частоте стандарта, подается на диод смесительной петли связи резонатора, с помощью которой из n-й гармоники сигнала f0 и сигналов (f-ΔF) и (f+ΔF) в резонаторе образуется зондирующий сигнал из двух составляющих на частоте водородного генератора (1420405,7-ΔF) кГц и (1420405,7+ΔF) кГц, который, проходя через резонатор, снимается с петли связи (сигнал АHР), усиливается и преобразуется к промежуточной частоте fПЧ с помощью сигналов гетеродинных частот, формируемых из выходной частоты стандарта, затем оцифровывается аналогово-цифровым преобразователем, отсчеты с которого поступают на программируемую логическую интегральную схему, где с помощью способов цифровой обработки сигналов выделяются составляющие сигнала АНР (fПЧ-ΔF) и (fПЧ+ΔF), подаваемые далее на сигнальный процессор, который вычисляет их амплитуды, по разности амплитуд определяет сигнал ошибки и на основании этих данных в режиме реального времени вычисляет управляющий сигнал, из которого затем с помощью цифроаналогового преобразователя вырабатывается напряжение, поступающее на петлю варикапа резонатора водородного генератора для стабилизации его резонансной частоты.A method for automatic tuning of the resonator AHR of a hydrogen generator with an amplitude tuning criterion, in which the probe signal is formed from the output frequency of the standard by adding sequences of codes from two digital synthesizers that generate signals of the same amplitude with frequencies (f-ΔF) and (f + ΔF), where ΔF is equal to the half-width of the passband of the hydrogen generator resonator, from which, using a digital-to-analog converter, an analog signal is generated from two components, which, adding up with the signal of the auxiliary crystal oscillator f 0 , satisfying the condition: f VH = nf 0 + f or f VH = nf 0 -f , where f VH = 1420405.7 ... kHz is the generation frequency of the hydrogen generator, n is the number of the harmonic of the frequency of the auxiliary crystal oscillator linked by the PLL circuit to the output frequency of the standard, is fed to the diode of the resonator mixing loop, with the help of which from the n-th harmonic of the signal f 0 and signals (f-ΔF) and (f + ΔF), a probe signal is generated in the resonator of two components at the frequency of the hydrogen generator (1420405.7-ΔF) kHz and (1420405.7 + ΔF) kHz, which, passing through the resonator, is removed from the coupling loop (AHP signal), amplified and converted to the intermediate frequency f IF using signals of heterodyne frequencies formed from the output frequency of the standard, then digitized by an analog-to-digital converter, the samples from which are fed to a programmable logic integrated circuit, where, using digital signal processing methods, the components of the AHR signal (f IF -∆F) and (f IF + ∆F ), which are fed further to the signal processor, which calculates their amplitudes, determines the error signal from the amplitude difference and, on the basis of these data, calculates the control signal in real time, from which the voltage is then supplied to the varicap loop of the hydrogen generator resonator using a digital-to-analog converter. stabilization of its resonant frequency.
RU2020132384A 2020-09-29 2020-09-29 Method for automatic adjustment of resonator of hydrogen generator RU2741476C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132384A RU2741476C1 (en) 2020-09-29 2020-09-29 Method for automatic adjustment of resonator of hydrogen generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132384A RU2741476C1 (en) 2020-09-29 2020-09-29 Method for automatic adjustment of resonator of hydrogen generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2741476C1 true RU2741476C1 (en) 2021-01-26

Family

ID=74213102

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020132384A RU2741476C1 (en) 2020-09-29 2020-09-29 Method for automatic adjustment of resonator of hydrogen generator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2741476C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1350038A (en) * 1971-08-06 1974-04-18 Anvar Method for tuning the oscillation frequency of the resonant cavity of a maser oscillator
SU534003A1 (en) * 1974-11-01 1976-10-30 Предприятие П/Я Г-4126 The method of tuning the frequency of the resonator of the hydrogen generator
RU2062537C1 (en) * 1992-05-25 1996-06-20 Евгений Николаевич Пестов Atomic-beam frequency standard with shock-excited standard o-o junction
RU2148881C1 (en) * 1998-08-25 2000-05-10 Беляев Александр Алексеевич Hydrogen frequency standard
RU34765U1 (en) * 2003-07-02 2003-12-10 Закрытое Акционерное Общество "Время-Ч" HYDROGEN FREQUENCY AND TIME STANDARD
RU77057U1 (en) * 2008-05-12 2008-10-10 Закрытое Акционерное Общество "Время-Ч" HYDROGEN FREQUENCY AND TIME STANDARD
RU2395900C1 (en) * 2009-05-05 2010-07-27 Открытое акционерное общество "Российской институт радионавигации и времени" Atomic beam frequency standard

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1350038A (en) * 1971-08-06 1974-04-18 Anvar Method for tuning the oscillation frequency of the resonant cavity of a maser oscillator
SU534003A1 (en) * 1974-11-01 1976-10-30 Предприятие П/Я Г-4126 The method of tuning the frequency of the resonator of the hydrogen generator
RU2062537C1 (en) * 1992-05-25 1996-06-20 Евгений Николаевич Пестов Atomic-beam frequency standard with shock-excited standard o-o junction
RU2148881C1 (en) * 1998-08-25 2000-05-10 Беляев Александр Алексеевич Hydrogen frequency standard
RU34765U1 (en) * 2003-07-02 2003-12-10 Закрытое Акционерное Общество "Время-Ч" HYDROGEN FREQUENCY AND TIME STANDARD
RU77057U1 (en) * 2008-05-12 2008-10-10 Закрытое Акционерное Общество "Время-Ч" HYDROGEN FREQUENCY AND TIME STANDARD
RU2395900C1 (en) * 2009-05-05 2010-07-27 Открытое акционерное общество "Российской институт радионавигации и времени" Atomic beam frequency standard

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6333942B1 (en) Atomic frequency standard laser pulse oscillator
CN108768539B (en) Photon type microwave frequency-halving method and photon type microwave frequency-halving device
SE9504165L (en) Normal frequency generator
CN113161863B (en) Microwave pulse generating device and method based on time domain mode locking photoelectric oscillator
JP2584875Y2 (en) Lightwave ranging device
Hall et al. Principles of optical phase-locking: application to internal mirror He-Ne lasers phase-locked via fast control of the discharge current
US2555131A (en) Frequency stabilizing system
RU2741476C1 (en) Method for automatic adjustment of resonator of hydrogen generator
JP4072053B2 (en) Frequency synthesizer
CN111147073B (en) Microwave frequency locking device
Buckmaster et al. The application of phase-lock microwave frequency stabilizers to electron paramagnetic resonance spectrometers
RU2148881C1 (en) Hydrogen frequency standard
Bava et al. Phase-lock of a submillimetric carcinotron
RU90587U1 (en) QUANTUM HYDROGEN FREQUENCY STANDARD
RU2378756C1 (en) Quantum frequency standard
JP2020182031A (en) PLL device
US3866137A (en) Phase locked frequency divider circuitry
RU25801U1 (en) HYDROGEN FREQUENCY AND TIME STANDARD
RU2579766C1 (en) Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer
RU34765U1 (en) HYDROGEN FREQUENCY AND TIME STANDARD
CN109474275B (en) Method and device for controlling frequency of hydrogen atom frequency scale microwave cavity
Driscoll Low frequency noise quartz crystal oscillator
SU1265651A1 (en) Device for giving signals with calibrated values of amplitude modulation factor
Kumagai et al. Synthesis chains based on ultra-stable cryogenic sapphire oscillator at NICT
RU2613566C1 (en) Passive hydrogen frequency standard