ЭТАЛОНЫ ТОЧНЫХ ВЕЛИЧИН И ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

В гл. 7 мы познакомили вас с приемами, которыми пользуются в точных приборах для обеспечения малых сдвигов и небольшого дрейфа, например, при усилении очень малых напряжений. Там мы коснулись только аналоговой электроники, вопросов усиления постоянно изменяющихся напряжений и токов. По ряду причин оказывается, что цифровые измерения таких величин, как частота, период, временной интервал, дают значительно более высокую точность, чем аналоговые измерения. В последующих разделах мы рассмотрим точность принятых в электронике эталонов (таких величин, как время, напряжение, сопротивление), и вы узнаете, как производить аналоговые измерения с высокой точностью, используя эти эталоны. Основное внимание при обсуждении будет уделено вопросам измерения времени/частоты, так как в этих измерениях точность имеет наибольшее значение, а также потому, что аналоговые схемы мы уже рассмотрели более или менее подробно в гл. 7.

15.09. Эталоны частоты

Посмотрим, как можно получить стабильный эталон частоты, каким образом задать частоту и как ее поддерживать.

Кварцевые генераторы.

Ранее в разд. мы упоминали о том, какую стабильность может обеспечить эталон частоты, начиная от простейшего релаксационного RС-генератора и кончая атомным эталоном на основе рубидия или цезия. Для любой более или менее серьезной времязадающей схемы нужно использовать устройство, не менее стабильное, чем кварцевый генератор. К счастью, среди кварцевых генераторов есть очень недорогие, и их точность определяется миллионными долями. Например, за 50 долл. можно приобрести хороший кварцевый генератор с температурной компенсацией, стабильность которого определяется отношением при изменении температуры от 0 до . При более высоких требованиях следует использовать термостатированные кристаллы; стоимость таких генераторов колеблется от пары сотен долларов до 1000 долл. Если вас интересует стабильность, оцениваемая миллиардными долями, то следует побеспокоиться о таком параметре, как «старение», которым определяется тенденция кварцевого генератора к дрейфу частоты с более или менее постоянной скоростью с момента начала эксплуатации прибора. Генераторы серии , выпускаемые фирмой Hewlett-Packard, представляют собой стандартные генераторные модули, стабильность которых определяется отношением в полном температурном интервале, а скорость старения - отношением за день.

Некомпенсированные кварцевые генераторы и даже кварцевые генераторы с температурной компенсацией представляют собой лишь логические блоки небольших приборов. Более совершенные генераторы на термостатированных кристаллах кварца, как правило, представляют собой самостоятельные приборы.

Атомные эталоны.

В настоящее время используют три атомных эталона: рубидий, цезий и водород. Рубидий поглощает микроволновые колебания на частоте 6 834682 608 Гц, цезий - на частоте 9192 631770 Гц, а водород - на частоте 1 420 405 751 768 Гц. Эталон частоты на основе одного из перечисленных атомов представляет собой гораздо более сложное и дорогое устройство, чем хороший кварцевый генератор.

Рубидиевый эталон. Эталон на основе рубидия представляет собой стеклянную колбу, заполненную парами рубидия. Ее нагревают и помещают в микроволновую камеру со стеклянными окошками на торцах. Камера просвечивается рубидиевой лампой, свет, прошедший через камеру, фиксирует фотоэлемент. Одновременно на камеру подается модулированный микроволновый сигнал, полученный с помощью стабильного кварцевого генератора. Используя для обнаружения переданной световой энергии метод захвата (см. разд. 15.15), можно точно совместить микроволновый сигнал с резонансной частотой рубидия, так как оптическое поглощение газа рубидия изменяется на резонансной частоте. Частота кварца связана с резонансной частотой рубидия определенным соотношением, и таким образом генерируется эталонная частота, например 10 МГц. (На самом деле есть некоторые сложности, на которых мы не будем заострять внимание.)

Эталоны частоты на основе рубидия обладают большей стабильностью, чем кварцевые генераторы с термостатированным кристаллом, правда, им присущ один недостаток - старение. Имеющиеся в продаже устройства обладают стабильностью порядка в полном температурном интервале, а старение для них определяется отношением за месяц. Рубидиевые эталоны используют в лабораторных условиях, вы можете встретить их в обсерваториях и других местах, где выполняют наблюдения с очень высокой степенью точности. Следует отметить, что эталоны частоты на основе рубидия, так же как и кварцевые генераторы, должны быть откалиброваны, так как изменение условий внутри резонансного контура изменяет частоту в отношении .

Цезиевый эталон. Цезиевый эталон частоты практически представляет собой атомную лабораторию в миниатюре, в которой атомы цезия запускаются из нагревательной в вакуумную камеру. В последней они пропускаются через магнитный селектор постоянного спина и переменного электрического поля, а потом детектируются с помощью ионизационного детектора с нагретой проволокой. Как и в рубидиевом генераторе, в данном случае микроволновый сигнал, определяемый стабильным кварцевым генератором, резонансно захватывается за счет сигнала обратной связи, снимаемого с фазового детектора, а выходная частота снимается с кварцевого генератора.

Цезиевые генераторы эталонной частоты не отличаются миниатюрностью и дешевизной. Но они представляют собой первичные стандартные эталоны; для них не требуется выполнять калибровку. В соответствии с международным соглашением цезиевый генератор частоты определяет продолжительность времени в одну секунду: это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу атома цезия-133 между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Цезиевые часы служат стандартом официального времени в стране, с их помощью выполняют калибровку временных сдвигов. Цезиевые часы представляют собой очень сложные устройства, даже коммерческие цезиевые генераторы обладают исключительными характеристиками: для генератора модели фирмы Hewlett-Packard (стоимостью 32500 долл.) старение и воспроизводимость определяются отношением .

Водородный эталон. Для нейтральных атомов водорода резонансная частота составляет примерно 1420 МГц, и в отличие от других генераторов эталонной частоты на основе других атомов на атомах водорода можно непосредственно построить генератор. Как и в случае с атомами цезия, создается поток атомов, который пропускают сначала через магнитные селекторы. Затем он попадает в кварцевую колбу с тефлоновым покрытием, которая находится в микроволновой камере. Внутри этой «колбы-хранилища» атомы находятся в активном движении в течение приблизительно 1 с. За это время они отдают достаточное количество энергии ВЧ для поддержания колебаний в камере. Благодаря этому облегчается возможность фиксации кварцевого генератора с помощью схем ФАПЧ и смесителей. Такой прибор называют водородным мазером (он обеспечивает микроволновое усиление за счет индуцированного излучения).

Водородные мазеры обладают очень высокой стабильностью на коротких промежутках времени (не более нескольких часов), их стабильность оценивается отношением . Тем не менее они не заменяют цезиевые генераторы в качестве устройств первичного отсчета времени, так как с ними связана не решенная пока проблема влияния объема камеры на частоту, кроме того, в этих приборах наблюдается долговременный дрейф, связанный с изменением свойств поверхности колбы-хранилища. Всемирно признанным лидером в деле создания водородных часов является Р. Весот из Смитсоновской астрофизической обсерватории (Кембриджский создано более двух десятков этих приборов; цена одной такой «штуки» . долл.

Метановый лазер. Этот четвертый по счету эталон частоты используется для инфракрасного диапазона длин волн и называют его стабилизированным метаном гелий-неоновым лазером. Его стабильность сравнима со стабильностью других атомных эталонов частоты, но он работает на частоте Гц (длина волны 3,39 мкм), и его нельзя использовать в качестве эталона радиочастот.

Последние достижения. Последние научные исследования, связанные со стабильными эталонами частоты, открыли две новые многообещающие темы: «ионные ловушки» и криогенные водородные лазеры. Сторонники новых направлений говорят, что если все пойдет хорошо, то можно будет обеспечивать стабильность, определяемую отношением порядка .

Калибровка часов.

Если вы не являетесь счастливым обладателем цезиевого генератора эталонной частоты, то вам нужно знать, каким образом можно воспользоваться стабильным калибровочным сигналом. Кроме того, иногда может потребоваться абсолютное значение как времени, так и частоты, т. е. может возникнуть необходимость установить часы, после того как они уже проработали какое-то время с нужной скоростью. Для этого предусмотрены следующие службы. На восточном побережье Соединенных Штатов и в некоторых других областях можно принять навигационный сигнал на частоте , лорановский сигнал (Loran-C), с помощью которого можно определить частоту и время. Лорановский сигнал генерируют цезиевые часы, этот сигнал сравнивается с сигналом, который генерируют главные цезиевые часы в Морской обсерватории; Морская обсерватория ежемесячно публикует поправки. Еще одна служба времени именуется WWVB, ею заведует Национальный институт стандартов и технологии (бывшее Национальное бюро стандартов) в . Колорадо. Она формирует сигналы на частоте , которые можно принимать на всей территории Соединенных Штатов. Оба низкочастотных сигнала можно синхронизировать с точностью до и выше, если вы находитесь в пределах действия сигнала, распространяющегося по поверхности земли (в пределах нескольких сотен миль), но влияние ионосферы (смена дня и ночи, солнечные ветры и т. п.) приводит к тому, что синхронизация с помощью «воздушного сигнала» обеспечивает меньшую точность (10-50 мкс).

Из недавно появившихся служб времени можно назвать сигнал Омега, который передается на очень низкой частоте (около ) и может быть принят в любой точке с точностью около . Г еостационарные метеорологические спутники, известные под названием «GOES», передают в диапазоне УКВ (497 МГц) сигналы временных отсчетов, которые можно использовать для синхронизации с точностью до , при условии, что вы находитесь в зоне видимости одного из таких спутников (зона видимости - это вся Северная и Южная Америка).

Если вы используете эти сигналы, то сможете сравнивать частоту, которую вы получаете с помощью своего генератора, с эталоном. В продаже имеются хорошие приборы, воспользовавшись которыми вы можете не ломать себе голову над тем, как выполнить сравнение - все будет сделано без вашего вмешательства, а вы даже получите красивые графики с результатами. Немного сложнее обстоит дело с установкой часов. Самый надежный способ заключается в том, чтобы отнести свое устройство в службу времени, где могут выполнить такую установку. Вернувшись на место, следует обнаружить в эфире лорановский сигнал или какой-нибудь другой и определить временную задержку распространения от передатчика до вас. Полученное число нужно запомнить! (Мы до сих пор помним магическое число , которое определяет задержку распространения лорановского сигнала из Нантукета до -дюймового телескопа в Гарварде.) И если только между передатчиком и вами не образуется неожиданно новая гора, вы можете выдавать отсчеты точного времени.

Недавно появившаяся Система Глобального Позиционирования (СГП или «NAVSTAR») состоит из 121 спутника. Эти спутники находятся на 12 часовых орбитах с высоким отклонением, на их бортах установлены атомные часы. Когда эта система будет запущена в действие полностью, она позволит определять время (с точностью до 20 не) и местоположение (с точностью до ) любой точки на земле. Для решения этих задач будет использоваться «умное» приемное устройство Системы с небольшой антенной в форме круглой дверной ручки, имеющее небольшой диапазон -частот (от до . В незавершенном виде эта Система уже использовалась для синхронизации часов в мировом масштабе с точностью до 50 не. Полная Система, безусловно, сможет обеспечить время передачи порядка 2 не, при условии, что будут приняты предложения по ее модернизации.

К другим методам синхронизации времени и частоты, о которых вы можете услышать, относят синхронизацию с помощью микроволновых повторителей, телевизионных сигналов, спутников связи и наблюдений за пульсарами.