ES2240770T3 - Dispositivo para la generacion de una señal de frecuencia de referencia. - Google Patents
Dispositivo para la generacion de una señal de frecuencia de referencia.Info
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Abstract
Dispositivo (1) de suministro de una señal (Se) de frecuencia patrón a partir de la respuesta de un resonador (R) atómico a una señal (Fat) de excitación enviada hacia el mismo, que consta de: - un primer oscilador (2) apto para producir una primera señal (S1) de frecuencia (F0) función de la señal (E1) de respuesta del resonador (R); - un segundo oscilador (13) apto para producir una segunda señal (S2) de frecuencia (NF0) igual a un múltiplo entero de la correspondiente a la primera señal (S1), en función de una señal (E2) de mando; - medios (6, 9, 12) de control de fase de la segunda señal (S2) según la primera señal (S1), que producen la señal (E2) de mando; - medios (3, 17, 20) de generación de la señal (Fat) de excitación a partir de la segunda señal (S2); caracterizado por el hecho de que comprende medios (3) de suministro directo de por lo menos una señal (Se) patrón a partir de la primera señal (S1), conectados después del primer oscilador (2) y antes del segundo oscilador (13) yel segundo oscilador (13) se selecciona de manera que produce una segunda señal (S2) de frecuencia igual a un valor comprendido en un intervalo de 1 GHz a un lado y a otro de la frecuencia de resonancia del resonador (R).
Description
Dispositivo para la generación de una señal de
frecuencia de referencia.
La presente invención se refiere a un dispositivo
de suministro de una señal de frecuencia patrón a partir de la
respuesta de un resonador atómico a una señal de excitación enviada
hacia el mismo.
Los resonadores atómicos, por ejemplo de cesio,
son utilizados por la precisión de su transición atómica, que define
una frecuencia de referencia exacta y muy estable. En el dispositivo
previsto a este efecto, se sintetiza una señal de excitación que
presenta la frecuencia de resonancia del resonador la cual se envía
modulada a dicho resonador, se recoge y se demodula la señal de
respuesta del resonador y se controla en frecuencia un primer
oscilador por medio de la señal demodulada. Estos dispositivos
permiten generar una señal patrón que presenta una gran exactitud y
estabilidad en frecuencia del orden respectivamente de 10^{-12} y
10^{-14}.
Tales dispositivos son requeridos, por ejemplo,
en aplicaciones espaciales, navegación por satélite.
El documento
US-A-5 148 122 describe un
dispositivo del tipo mencionado anteriormente, para un resonador de
cesio, que consta de:
- un primer oscilador de 10 MHz, apto para
producir una primera señal de frecuencia función de la señal de
respuesta del resonador;
- un segundo oscilador que produce una segunda
señal de 640 MHz en función de una señal de mando;
- unos medios de control de fase de la segunda
señal según la primera señal, que producen la señal de mando;
- medios de generación de la señal patrón y de la
señal de excitación después del segundo oscilador, los cuales
constan de unos divisores y multiplicadores de frecuencia.
Este dispositivo presenta ciertos inconvenientes.
Requiere un número elevado de elementos constitutivos, lo cual hace
que resulte complejo, pesado y voluminoso. Consume una gran cantidad
de energía y es costoso. El documento Patent Abstracts of
Japan, vol. 1999, nº. 12, 29 de octubre de 1999 y JP 11 205 138
A (NEC MIYAGI Ltd.), 30 de julio de 1999, describe un dispositivo
como el descrito en el preámbulo de la reivindicación 1.
El documento "a new RF architecture for
cesium frequency standards", Frequency Control
Symposium del IEEE 1992, páginas 134 a 142, prevé un dispositivo
similar, que consta además de un tercer oscilador después de unos
circuitos multiplicadores y divisores y que produce la señal de
excitación a la frecuencia de resonancia.
Con una complejidad mayor, este dispositivo crea
además perturbaciones por radiación electromagnética, a las cuales
es sensible el resonador atómico, por el hecho de la utilización de
un oscilador a la frecuencia de resonancia del mismo. La
neutralización de estas perturbaciones requiere blindajes, lo cual
da como resultado dispositivos costosos, pesados y voluminosos.
El documento "Cs Frequency synthesis: a new
approach", Joint Meeting EFTF - IEEE IFCS 1999, volumen 2,
páginas 615 a 619, describe un sintetizador de frecuencia de
resonador de cesio que consta de unos osciladores de 5 MHz, 100 MHz
y 6,4 GHz. Un divisor de recuperación analógico genera a partir del
oscilador de 6,4 GHz unas señales de 3,2 GHz y de 9,6 GHz. Después
de la mezcla de una señal de 407,368 MHz con la señal de 9,6 GHz se
genera una señal de 9,192 GHz para el resonador de cesio.
Este sintetizador consta también de un número
elevado de circuitos, de entre los cuales un divisor de recuperación
analógico debe ser fabricado especialmente para dicho
sintetizador.
La invención pretende obtener un dispositivo que
atenúe los inconvenientes del estado de la técnica, el cual presente
una estructura sencilla que no conste más que de los circuitos
clásicos en el comercio y en un número relativamente pequeño.
A este efecto, la invención prevé un dispositivo
de suministro de una señal de frecuencia patrón a partir de la
respuesta de un resonador atómico a una señal de excitación enviada
hacia el mismo, que consta
de:
de:
- un primer oscilador apto para producir una
primera señal de frecuencia función de la señal de respuesta del
resonador;
- un segundo oscilador apto para producir una
segunda señal de frecuencia igual a un múltiplo entero de la
correspondiente a la primera señal, en función de una señal de
mando;
- unos medios de control de fase de la segunda
señal según la primera señal, que producen la señal de mando;
- unos medios de generación de la señal de
excitación a partir de la segunda señal;
caracterizado por el hecho de que comprende unos
medios de suministro directo de por lo menos una señal patrón a
partir de la primera señal, conectados después del primer oscilador
y antes del segundo oscilador y el segundo oscilador se selecciona
de manera que produce una segunda señal de frecuencia igual a un
valor comprendido en un intervalo de 1 GHz a un lado y a otro de la
frecuencia de resonancia del resonador.
Gracias a la invención, se ahorran circuitos
multiplicadores y divisores de frecuencia después del segundo
oscilador para generar la señal patrón y la señal de excitación.
Según una característica de la invención, el
segundo oscilador se selecciona de manera que produce una segunda
señal de frecuencia sensiblemente igual a uno de los veinte
múltiplos enteros de la frecuencia de la primera señal más próximos
a la frecuencia de resonancia del resonador.
Según otras características de la invención, que
permiten simplificar adicionalmente la estructura del
dispositivo:
- el segundo oscilador se selecciona de manera
que produce una segunda señal de frecuencia comprendida en un
intervalo de 50 MHz a un lado y a otro de la frecuencia de
resonancia del resonador;
- el segundo oscilador se selecciona de manera
que produce una segunda señal de frecuencia sensiblemente igual a
uno de los dos múltiplos enteros de la frecuencia de la primera
señal más próximos a la frecuencia de resonancia del resonador.
Según una de las características, que permite
obtener una buena coherencia de fase entre la primera y la segunda
señales, los medios de control de fase comprenden un circuito
divisor lógico de frecuencia por el múltiplo entero de la segunda
señal, un circuito comparador de fase de la salida del circuito
divisor de la segunda señal y de la primera señal y un circuito de
generación de la señal de mando del segundo
oscilador a partir de la señal de salida del circuito comparador.
oscilador a partir de la señal de salida del circuito comparador.
Según otra característica de la invención, que
permite al mismo tiempo prescindir de multiplicadores para generar
la señal de excitación y evitar que el segundo oscilador cree
perturbaciones en el resonador, el segundo oscilador se selecciona
de manera que produce una segunda señal de frecuencia desplazada con
respecto a la frecuencia de resonancia del resonador, constando los
medios de generación, después del segundo oscilador, de un circuito
apto para sumar y/o restar en frecuencia a la segunda señal una
señal de desplazamiento para proporcionar la señal de excitación, y
de un circuito de suministro de la señal de desplazamiento. De este
modo resulta posible ajustar la potencia de la señal de excitación,
entregada al resonador por medio del circuito sumador y/o restador
de frecuencia, para entregar a dicho resonador la potencia sólo
necesaria. Además, las eventuales fluctuaciones de potencia de la
segunda señal no modifican sensiblemente la potencia de la señal de
excitación, que puede ser controlada proporcionalmente por el
circuito de desplazamiento. De este modo se eliminan los problemas
de envejecimiento del segundo oscila-
dor.
dor.
En una de las formas de realización, el circuito
sumador y/o restador está constituido por un circuito mezclador, por
ejemplo, de banda lateral única.
En una de las formas de realización, el circuito
de suministro de la señal de desplazamiento comprende un
sintetizador digital de frecuencia sincronizado con la primera
señal.
Según una de las características de la invención,
los medios de generación de la señal de excitación, después del
segundo oscilador, no constan más que de los circuitos de suma y/o
de resta de frecuencia de la segunda señal.
En una de las formas de realización de la
invención, adecuada para generar unas señales de frecuencia patrón a
partir de la respuesta de un resonador atómico de cesio, el segundo
oscilador es apto para producir una segunda señal de 9200 MHz y el
primer oscilador es apto para suministrar una primera señal de 10
MHz.
Según una de las características de la invención,
el dispositivo, en cuanto a osciladores, no consta más que de el
primer y el segundo osciladores.
La invención se comprenderá mejor considerando la
descripción siguiente, realizada en referencia al dibujo
proporcionado únicamente a título de ejemplo y que representa
esquemáticamente un dispositivo de suministro de frecuencia patrón
según la invención.
El dispositivo 1 de suministro de frecuencia
patrón se describe en relación con un resonador R de cesio.
Evidentemente, el dispositivo también se puede utilizar con
cualquier otro resonador atónico, por ejemplo, con un resonador de
rubidio.
El dispositivo 1 de suministro de frecuencia
patrón consta de un primer oscilador 2 que produce en la salida una
primera señal S1 de frecuencia determinada F0, regulada por una
señal de regulación recibida en una entrada E1 de regulación. El
primer oscilador 2 es por ejemplo del tipo VCXO, por ejemplo, de 10
MHz. La entrada E1 de regulación está conectada a un circuito de
control C, el cual entrega la señal de regulación en función de la
señal Sr de respuesta del resonador R. En relación con el
funcionamiento del resonador R y del circuito de control C, se puede
\hbox{hacer} referencia al documento
US-A-5 148 122, en el que estos
elementos están designados por las referencias 26 y 11
respectivamente y se proporciona su descripción desde la columna 3,
línea 47 a la columna 4, línea 51.
La salida del primer oscilador 2 está conectada a
un circuito 3 de distribución de la primera señal S1 y de suministro
de la señal patrón Se. Evidentemente, el circuito 3 puede
suministrar varias señales patrón. Las señales patrón de frecuencia
submúltiplo de la correspondiente a la señal Se patrón de 10 MHz
también pueden ser suministradas por los circuitos adecuados
situados después de la señal Se y del circuito 3 de suministro. El
circuito 3 consta de un circuito 3a de distribución de potencia
excitado por la primera señal S1 y cada de cuyas salidas está
conectada a un amplificador 3b de aislamiento de banda ancha y de
baja ganancia que suministra en la salida una señal a la frecuencia
F0. Uno o varios de los amplificadores 3b de aislamiento suministran
en la salida la señal patrón Se a la misma frecuencia F0. Una salida
4 de otro amplificador 3b de aislamiento del circuito 3 de
distribución y de suministro está conectada a una primera entrada 5
de un comparador 6 de fase, conectado por una segunda entrada 7 a la
salida 8 de un divisor 9 lógico de frecuencia, de banda ancha. La
salida 10 del comparador de fase está conectada a la entrada 11 de
un circuito 12 de generación de la señal de mando de un segundo
oscilador 13 de microondas. El divisor 9 de frecuencia se puede
realizar en varias etapas divisoras en cascada.
La salida 14 del circuito 12 de generación para
la señal de mando está conectada a una entrada E2 de mando de un
segundo oscilador 13, que produce en su salida 15 una segunda señal
S2 de frecuencia determinada, en función de la señal presente en su
entrada E2 de mando. La segunda señal S2 posee una frecuencia
situada a menos de 1 GHz por encima o por debajo de la frecuencia de
resonancia del resonador R. La frecuencia de la segunda señal es
igual a un múltiplo entero N de la frecuencia F0 de la primera señal
S1. La segunda señal S2 es de una frecuencia próxima y diferente a
la frecuencia de resonancia del resonador R y es de una frecuencia
igual a uno de los veinte múltiplos enteros de la frecuencia de la
primera señal S1 más próximos a la frecuencia de resonancia, y por
ejemplo de los dos múltiplos enteros de la frecuencia de la primera
señal S1 más próximos a la frecuencia de resonancia. En la
realización representada, la frecuencia de la segunda señal S2
producida por el segundo oscilador es de 9200 MHz para un resonador
de cesio que presente una frecuencia de resonancia de 9 192 631 770
Hz.
La salida 15 del segundo oscilador 13 se envía a
un acoplador 16 conectado por una primera salida 16a a la entrada 9a
del divisor 9 de frecuencia cuya relación de división es igual al
múltiplo entero N citado anteriormente. La señal presente en la
salida 8 del divisor 9 posee una frecuencia fundamental igual a la
frecuencia F0 de la primera señal. El circuito 12 de generación de
la señal de mando, el divisor 9 y el comparador 6 son tales que
forman un circuito de enganche de fase de la segunda señal S2 con la
primera señal S1.
Una segunda salida 16b del acoplador 16 está
conectada a una primera entrada 17b de un circuito mezclador 17 de
frecuencia, cuya segunda entrada 18 recibe una señal D de
desplazamiento de
\hbox{frecuencia} y cuya salida
suministra una señal Fat de excitación del resonador atómico R que
presenta su frecuencia de resonancia. El circuito mezclador 17
realiza una suma y/o una resta en frecuencia de la señal D de
desplazamiento sobre la segunda señal S2. La señal D de
desplazamiento está modulada en frecuencia por una señal de
frecuencia muy baja de por ejemplo algunas decenas de hercios y se
produce a la salida 19 de un circuito 20 de suministro. En el
ejemplo citado previamente, el circuito 20 suministra una señal D de
desplazamiento de 7,368230 MHz. El circuito 20 de suministro está
formado por ejemplo por un sintetizador digital directo de baja
frecuencia del tipo DDS. El circuito 20 de suministro está
sincronizado por su entrada 21 de sincronización conectada a una
salida 22 del circuito 3 de distribu-ción.
En una realización que permite disponer de un
circuito menos costoso, el circuito mezclador 17 es de dos bandas
laterales y suministra en la salida una señal suma de frecuencias y
una señal diferencia de frecuencias a partir de la segunda señal S2
y de la señal D de desplazamiento, en el ejemplo anterior a
9207,368230 MHz y 9192,631770 MHz respectivamente.
En una realización que permite eliminar los
efectos parásitos provocados por la señal de salida a 9207,368230
MHz y obtener una exactitud y estabilidad mejoradas en frecuencia,
el circuito mezclador 17 es de banda lateral única seleccionada para
conservar en la salida la señal Fat de excitación a la frecuencia de
resonancia y atenuar la señal a la frecuencia de 9207,368230
MHz.
El dispositivo 1 comprende también una
alimentación 23 de energía eléctrica para sus diferentes
componentes. El dispositivo 1 se puede poner en marcha directamente
mediante el accionamiento de un interruptor 24 previsto en la
alimentación, sin regulación.
El primer y el segundo osciladores 2 y 13
respectivamente se pueden seleccionar en una versión de alto
rendimiento para obtener una exactitud y estabilidad de frecuencia
del orden de 10^{-12} y 10^{-14} respectivamente o en una
versión de bajo rendimiento menos onerosa para obtener una exactitud
y estabilidad del orden de 10^{-11} y 10^{-13}
respectivamente.
Claims (11)
1. Dispositivo (1) de suministro de una señal
(Se) de frecuencia patrón a partir de la respuesta de un resonador
(R) atómico a una señal (Fat) de excitación enviada hacia el mismo,
que consta de:
- un primer oscilador (2) apto para producir una
primera señal (S1) de frecuencia (F0) función de la señal (E1) de
respuesta del resonador (R);
- un segundo oscilador (13) apto para producir
una segunda señal (S2) de frecuencia (NF0) igual a un múltiplo
entero de la correspondiente a la primera señal (S1), en función de
una señal (E2) de mando;
- medios (6, 9, 12) de control de fase de la
segunda señal (S2) según la primera señal (S1), que producen la
señal (E2) de mando;
- medios (3, 17, 20) de generación de la señal
(Fat) de excitación a partir de la segunda señal (S2);
caracterizado por el hecho de que
comprende medios (3) de suministro directo de por lo menos una señal
(Se) patrón a partir de la primera señal (S1), conectados después
del primer oscilador (2) y antes del segundo oscilador (13) y el
segundo oscilador (13) se selecciona de manera que produce una
segunda señal (S2) de frecuencia igual a un valor comprendido en un
intervalo de 1 GHz a un lado y a otro de la frecuencia de resonancia
del resonador (R).
2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el segundo oscilador (13)
se selecciona de manera que produce una segunda señal (S2) de
frecuencia sensiblemente igual a uno de los veinte múltiplos enteros
(NF0) de la frecuencia de la primera señal (S1) más próximos a la
frecuencia de resonancia del resonador (R).
3. Dispositivo (1) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el segundo oscilador (13) se selecciona de manera que produce
una segunda señal (S2) de frecuencia comprendida en un intervalo de
50 MHz a un lado y a otro de la frecuencia de resonancia del
resonador (R).
4. Dispositivo (1) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el segundo oscilador (13) se selecciona de manera que produce
una segunda señal (S2) de frecuencia sensiblemente igual a uno de
los dos múltiplos enteros (NF0) de la frecuencia de la primera señal
(S1) más próximos a la frecuencia de resonancia del resonador
(R).
5. Dispositivo (1) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que los medios (6, 9, 12) de control de fase comprenden un circuito
(9) divisor lógico de frecuencia por el múltiplo entero (N) de la
segunda señal (S2), un circuito (6) comparador de fase de la salida
del circuito (9) divisor de la segunda señal (S2) y de la primera
señal (S1) y un circuito (12) de generación de la señal de mando del
segundo oscilador (13) a partir de la señal de salida del circuito
(6) comparador.
6. Dispositivo (1) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el segundo oscilador (13) se selecciona de manera que produce
una segunda señal (S2) de frecuencia desplazada con respecto a la
frecuencia de resonancia del resonador (R), comprendiendo los medios
de generación (3, 17), después del segundo oscilador (13), un
circuito (17) apto para sumar y/o restar en frecuencia a la segunda
señal (S2) una señal (D) de desplazamiento para proporcionar la
señal (Fat) de excitación, y un circuito (20) de suministro de la
señal (D) de desplazamiento.
7. Dispositivo (1) según la reivindicación 6,
caracterizado por el hecho de que el circuito (17) sumador
y/o restador está constituido por un circuito mezclador, por
ejemplo, de banda lateral única.
8. Dispositivo (1) según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 y 7, caracterizado por el hecho de que el
circuito (20) de suministro de la señal de desplazamiento comprende
un sintetizador de frecuencia sincronizado con la primera señal
(S1).
9. Dispositivo (1) según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por el hecho de que los
medios de generación de la señal (Fat) de excitación, después del
segundo oscilador (13), sólo comprenden circuitos (17) de suma y/o
de resta de frecuencia de la segunda señal (S2).
10. Dispositivo (1) destinado a generar señales
de frecuencia patrón a partir de la respuesta de un resonador (R)
atómico de cesio, según una cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado por el hecho de que el primer
oscilador (2) es apto para producir una segunda señal (S2) de 9200
MHz y el primer oscilador (2) es apto para suministrar una primera
señal (S1) de 10 MHz.
11. Dispositivo (1) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que, en cuanto a osciladores, sólo comprende el primer y el segundo
osciladores (2, 13).
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