Рубидиевый стандарт частоты Stanford Research Systems FS725

Рубидиевый стандарт частоты Stanford Research Systems FS725

Компания Stanford Research System (США) основана в 1980 году и занимается разработкой высокоточного измерительного и испытательного оборудования для научных исследований и разработок. Основными видами продукции, выпускаемыми компанией, являются:

- приборы для научных исследований (счетчики фотонов, высоковольтные блоки питания, цифровые интеграторы и т.д),

- приборы для измерения времени и частоты (стандарты частоты и измерители временных интервалов),

- средства измерения общего назначения (измерители RLC, анализаторы сигналов БПФ, генераторы сигналов произвольной формы с ультранизким уровнем искажений),

- вакуумные и аналитические приборы (лазеры, газоанализаторы и т.д).

Разработка современных источников прецизионной частоты развивается по двум направлениям: повышение точности воспроизведения частоты и расширение предоставляемых пользователю возможностей по более удобной работе. Лабораторный стандарт частоты FS725 производства компании «Stanford Research» (США) является ярким представителем реализации в приборах направления по достижению удобства в работе. Посторенный на базе давно известного атомарного перехода в рубидиевой ячейке, стандарт FS725 обеспечивает погрешность установки частоты за год не более ±5×10^-10 и кратковременную нестабильность не более ±1×10^-11 за 10 секунд. Данное значение является стандартным для источников на рубидиевой ячейке и отвечает большинству сегодняшних запросов. Однако, в отличие от предыдущего поколения таких стандартов и даже от некоторых современных аналогов, FS725 значительно удобнее в работе.

Во-первых, его масса составляет всего около 5 кг при небольших габаритных размерах, во-вторых, FS725 имеет выходы 5 и 10 МГц, что делает его пригодным как для работы с отечественными приборами, так и с импортными, а также выход 1 Гц шкалы времени, в-третьих, мониторинг состояния прибора и подстройка частоты осуществляются через компьютер по интерфейсу RS-232 c помощью программного обеспечения, входящего в комплект прибора (также возможна подстройка с помощью регулировочного винта), в-четвертых, время самопрогрева прибора для обеспечения погрешности по частоте не более 1×10^-9составляет всего 7 минут. Но самым удобным и перспективным является наличие у FS725 входа для внешнего опрного сигнала 1 Гц, что позволяет производить синхронизацию прибора по более точному источнику.

Для этих целей могут использоваться водородные и цезиевые стандарты частоты, а также сигналы поступающие с приемников систем глобального позиционирования GPS/ГЛОНАСС. Метки времени 1 Гц с приемников GPS/ГЛОНАСС имеют долговременную стабильность влоть до 10^-12. Поскольку кратковременная нестабильность сигнала GPS/ГЛОНАСС намного хуже, чем у FS725, то для синхронизации прибор использует схему фазовой автоподстройки частоты с программируемой постоянной времени (от 8 минут до 18 часов), что уменьшает нестабильность опорного сигнала 1 Гц путем усреднения. При получении внешнего опорного сигнала 1 Гц стандарт частоты синхронизируется по нему, проводит накопление статистики по отклонению внутренней частоты от опорной за время, заданное постоянной времени, и затем перестраивает свою выходную частот до совпадения с опорной. Если по каким-либо причинам происходит отключение опорного внешнего сигнала (например, пропадание сигнала спутника), то стандарт в течение 72 часов сохраняет погрешность по частоте не более 1×10^-11. Таким образом, с использованием приемников GPS/ГЛОНАСС обеспечивается непрерывная прослеживаемость частоты и шкалы времени FS725 к национальным эталонам частоты и времени.

Например, при использовании аппаратуры СН-4702 для приема сигналов спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, на вход внешней опорной частоты 1 Гц стандарта частоты поступает секундная метка времени, синхронизированнная со шкалами GPS, ГЛОНАСС или UTC с погрешностью не более ±100 нс (при вводе поправки на задержку сигнала в антенном кабеле). Простой расчет показывает, что используя эту секундную метку времени можно подстроить за сутки стандарт частоты до значений погрешности не более =100 нс /100000 с. Для  корректной работы приемника СН-4702 необходимо либо 4 спутника одной системы (GPS или ГЛОНАСС), либо 2 спутника одной системы и 3 спутника другой). При размещении в Москве приемной антенны со свободной зоной приема сигнала в верхней полусфере круглосуточно наблюдается от 5 до 8 спутников, что позволяет постоянно обепечивать на выходе FS725 частоту с погрешностью не более ±1×10^-12 и практически снять вопросы о поверке и калибровке стандарта. Также канал GPS/ГЛОНАСС можно использовать в качестве канала сравнения для получения поправок от вышестоящих государственных эталонов, поскольку стандарт частоты FS725 внесен в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации.

Таким образом, комбинация FS725 и СН-4702 представляет собой недорогое решение, соизмеримое по долговременной погрешности с водородными и цезиевыми стандартами частоты и пригодное к использованию в различных метрологических службах, предприятиях связи и телекоммуникации и т.д . Краткие характеристики стандарта и внешний вид приведены ниже.