周琨荔, 韓琪娜,2, 趙建亭, 魯云峰,施 楊, 楊 雁, 屈繼峰

(1. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

電壓是最重要的電學(xué)單位之一。傳統(tǒng)的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)為熱轉(zhuǎn)換器[1]，但是它作為實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，性能會(huì)隨著時(shí)間出現(xiàn)漂移，并且低頻熱脈動(dòng)效應(yīng)、高頻效應(yīng)和熱電效應(yīng)等均會(huì)對(duì)它的不確定度水平造成影響。各國(guó)的計(jì)量機(jī)構(gòu)正著力于研究溯源到基本物理常數(shù)的交流量子電壓標(biāo)準(zhǔn)以替代傳統(tǒng)的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，從而提升交流電壓的溯源和校準(zhǔn)水平。

目前,交流量子電壓標(biāo)準(zhǔn)可以分為可編程型約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)(programmable Josephson voltage standard, PJVS)和脈沖驅(qū)動(dòng)型交流約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)(AC Josephson voltage standard, ACJVS)[2～6]。PJVS已發(fā)展較為成熟,輸出電壓最大值達(dá)到了 10 V, 并已成功應(yīng)用至量子磁通、熱轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)、8位半電壓表校準(zhǔn)等領(lǐng)域[1]。與PJVS不同,ACJVS仍處在發(fā)展當(dāng)中。ACJVS的驅(qū)動(dòng)脈沖為寬頻帶信號(hào),它對(duì)約瑟夫森結(jié)陣芯片的微波特性有著更高的要求,這使得芯片的制備難度顯著增加?？紤]到單陣列合成電壓幅度有限,需要通過(guò)串聯(lián)多個(gè)陣列以提升輸出電壓的幅度。目前,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)通過(guò)多陣列聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式分別實(shí)現(xiàn)了4 V和1 V的交流量子電壓合成[3,4]。

在國(guó)內(nèi),中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology,NIM)于2011年采用脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓標(biāo)準(zhǔn)合成了微伏量級(jí)的多頻信號(hào)用于標(biāo)定噪聲溫度計(jì)中傳感器電阻的熱噪聲,實(shí)現(xiàn)了玻爾茲曼常數(shù)的精密測(cè)量[1]。2014年,該團(tuán)隊(duì)提出了一種三電平雙脈沖零補(bǔ)償法以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減小感應(yīng)電壓[5]。2018年,NIM合成電壓的幅度提升至100 mV,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)商用熱傳遞標(biāo)準(zhǔn)Fluke 792A的校準(zhǔn)[6]。近年,航天203所、航天514所也正逐步開(kāi)展脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓合成技術(shù)方面的研究[7]。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)采用包含更多約瑟夫森結(jié)的芯片并結(jié)合多通道聯(lián)合低頻補(bǔ)償進(jìn)一步提升單頻交流量子電壓的幅度有效值至1 V。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、目前的4種合成方法、數(shù)字代碼的頻譜以及實(shí)際測(cè)得的電壓信號(hào)頻譜。最后,展望了合成的交流量子電壓在電磁測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

搭建的脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。它分為微波驅(qū)動(dòng)模塊、低頻驅(qū)動(dòng)模塊和電壓測(cè)量模塊。儀器設(shè)備主要包括8位脈沖碼型發(fā)生器(pulse pattern generator,PPG)Keysight M8195A、微波放大器、直流阻斷(DC Block,DCB)、約瑟夫森結(jié)陣、電流-電壓(I-V)掃描電流源、補(bǔ)償電流源(compensating current source,CCS)、模擬示波器、高分辨率數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-5922和終端電阻。下文對(duì)核心的約瑟夫森結(jié)陣芯片和脈沖碼型發(fā)生器進(jìn)行介紹。

圖1 脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 System configuration of the pulse-driven ACJVS

2.2 約瑟夫森結(jié)陣芯片

約瑟夫森結(jié)陣芯片分為2個(gè)獨(dú)立的陣列,每個(gè)陣列含4個(gè)子陣列,每個(gè)子陣列由12 810個(gè)約瑟夫森結(jié)串聯(lián)地集成到一條超導(dǎo)共面波導(dǎo)上組成。每條波導(dǎo)的末端集成有終端電阻,如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只對(duì)約瑟夫森結(jié)陣芯片一個(gè)陣列中的4個(gè)子陣列進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)。每個(gè)子陣列有單獨(dú)的低頻補(bǔ)償電流源CCS接口,而4個(gè)子陣列在芯片上通過(guò)功分器共用了一路微波輸入。低頻補(bǔ)償信號(hào)輸入端口和量子電壓輸出端口各自串聯(lián)著由阻性阻尼超導(dǎo)線圈做成的扼流圈[8～11]。需要注意的是,圖1只給出了針對(duì)單個(gè)子陣列的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。4個(gè)子陣列為同一批次制造,因此具有相似的特性。它們的臨界電流約為7.5 mA,特征頻率約為14.4 GHz。在2個(gè)約瑟夫森結(jié)之間存在雜散電感,當(dāng)高速驅(qū)動(dòng)電流脈沖中的低頻電流分量或補(bǔ)償電流源CCS注入的低頻電流分量流過(guò)雜散電感時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,進(jìn)而影響ACJVS合成電壓的準(zhǔn)確度。

2.3 脈沖碼型發(fā)生器

脈沖碼型發(fā)生器Keysight M8195A用于產(chǎn)生幅度可調(diào)的高速電流脈沖序列驅(qū)動(dòng)約瑟夫森結(jié)陣。它包含4個(gè)輸出通道,每個(gè)通道有2個(gè)互補(bǔ)的輸出端口DATA1和DATA2。通道之間可以進(jìn)行分辨率達(dá)ps量級(jí)的延時(shí)調(diào)節(jié),最大延時(shí)為10 ns。輸出信號(hào)的最大模擬帶寬為20 GHz,輸出幅度的可調(diào)范圍為 -1 V～+1 V。它與德國(guó)產(chǎn)的BPG系列儀器和美國(guó)產(chǎn)的ABG系列儀器不同,內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器高達(dá)8位,也就是說(shuō)可以輸出多電平脈沖,如圖2所示。脈沖碼型發(fā)生器的內(nèi)存越大,交流量子電壓源可合成信號(hào)的最低頻率越低。M8195A的內(nèi)置存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)1M個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),外置存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)16G個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),完全滿(mǎn)足交流量子電壓源的波形合成需求。正常工作時(shí),需要利用Matlab和Keysight公司提供的軟件共同實(shí)現(xiàn)M8195A的控制。

圖2 脈沖碼型發(fā)生器產(chǎn)生的多電平脈沖Fig.2 Multilevel pulses generated by the pulse pattern generator

3 合成方法

脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓源ACJVS經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,目前存在4種波形合成方法：傳統(tǒng)補(bǔ)償法、單脈沖零補(bǔ)償法、三電平雙脈沖零補(bǔ)償法、五電平雙脈沖零補(bǔ)償法[5,8,10,11]。傳統(tǒng)補(bǔ)償法采用三電平Δ-Σ調(diào)制的方式產(chǎn)生需要的數(shù)字代碼。其中,約瑟夫森結(jié)陣通常工作在正的第一量子態(tài)和負(fù)的第一量子態(tài)。由于傳統(tǒng)補(bǔ)償法需要重新注入低頻電流分量,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且感應(yīng)電壓誤差大。單脈沖零補(bǔ)償法和三電平雙脈沖零補(bǔ)償法均采用兩電平Δ-Σ調(diào)制而不是三電平Δ-Σ調(diào)制的方式得到需要的波形數(shù)字代碼[5,8]。然后,分別在正脈沖的后面補(bǔ)一個(gè)負(fù)脈沖,在正脈沖的前后各自補(bǔ)一個(gè)半幅度的負(fù)脈沖。理想情況下,通過(guò)正負(fù)向脈沖的抵消可以完全消除低頻電流分量。正負(fù)向脈沖分別將約瑟夫森結(jié)陣驅(qū)動(dòng)至正的第一量子態(tài)和第零量子態(tài)。在單脈沖零補(bǔ)償法中,由于負(fù)向脈沖的幅度較大,因此需要直流偏置源使整個(gè)脈沖序列向上偏移以保證負(fù)向脈沖工作在第零量子態(tài)。與此不同,三電平雙脈沖零補(bǔ)償法不需要直流偏置源也能正常工作,因而和前者相比具有更簡(jiǎn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。單脈沖零補(bǔ)償法和三電平雙脈沖零補(bǔ)償法具有2方面的缺點(diǎn):一方面,只有正向脈沖工作在非零量子態(tài),導(dǎo)致合成信號(hào)存在直流分量；另一方面,負(fù)的第一量子態(tài)沒(méi)有參與波形合成,導(dǎo)致2種合成方法的最大合成電壓幅度減半。五電平雙脈沖零補(bǔ)償法采用三電平Δ-Σ調(diào)制產(chǎn)生數(shù)字代碼,除了在正脈沖前后補(bǔ)半幅度的負(fù)脈沖外,還在負(fù)脈沖的前后補(bǔ)半幅度的正脈沖[10,11]。如此,有效避開(kāi)了單脈沖零補(bǔ)償法和三電平雙脈沖零補(bǔ)償法的2個(gè)缺點(diǎn)。由于零補(bǔ)償法添加了反向脈沖進(jìn)行低頻分量的抵消，使得有效采樣頻率降低，最終導(dǎo)致能夠合成的最大幅度有效值相應(yīng)的降低。4種合成方法在幅度有效值、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、感應(yīng)電壓、直流分量方面的比較如表1所示。其中，Vm表示傳統(tǒng)補(bǔ)償法能夠合成的最大幅度有效值?？紤]到本文的目的是盡可能提高合成電壓幅度，最終選用了傳統(tǒng)補(bǔ)償法合成電壓信號(hào)。

表1 4種合成方法的比較Tab.1 Comparison of four methods

4 量子電壓的合成

待合成的波形為幅度達(dá)到1 V、頻率為3 kHz的交流量子電壓信號(hào)。我們采用Δ-Σ調(diào)制算法將待合成波形轉(zhuǎn)換為一串?dāng)?shù)字代碼。調(diào)制過(guò)程中的采樣頻率為fs=14.4 GHz,數(shù)字代碼的長(zhǎng)度為N=14 400 000,也就是說(shuō)對(duì)應(yīng)的最低頻率為fb=1 kHz。待合成的3 kHz信號(hào)是最低頻率fb的3次諧波。另外,電平數(shù)為3,調(diào)制器階數(shù)為2。Δ-Σ調(diào)制所產(chǎn)生數(shù)字代碼的頻譜如圖3所示?？梢钥闯?10次以?xún)?nèi)的諧波均至少低于3 kHz處的信號(hào)180 dBc。調(diào)制產(chǎn)生的量化噪聲主要分布在10 MHz以上的高頻區(qū)域,整體上會(huì)隨著頻率的增加而顯著增加。對(duì)于待合成信號(hào)所在的低頻區(qū)域,量化噪聲的幅度較小,信噪比較高。接著,將數(shù)字代碼加載至脈沖碼型發(fā)生器PPG內(nèi)以產(chǎn)生相應(yīng)的高速脈沖去驅(qū)動(dòng)約瑟夫森結(jié)陣。為成功合成量子電壓,需要細(xì)致調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖幅度、放大器增益、直流阻斷、微波衰減、補(bǔ)償電流源與PPG之間的相對(duì)相位、補(bǔ)償電流源的幅度等參數(shù)。圖4為脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓標(biāo)準(zhǔn)ACJVS最終合成電壓信號(hào)的頻譜,其中,帶圈的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-5922本身的背景噪聲。采集卡的采樣頻率為 100 kS/s, 輸入阻抗為1 MΩ,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了50 s的平均。圖4中的諧波失真低于3 kHz處的1 V信號(hào) 117 dBc。 合成過(guò)程中,圖1中的I-V掃描電流源存在一定的三角波電流擾動(dòng),但是此時(shí)系統(tǒng)的輸出并沒(méi)有明顯變化。這說(shuō)明約瑟夫森結(jié)陣芯片工作在量子態(tài),圖4中的諧波失真源自數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-5922,而不是源自量子電壓系統(tǒng)。

圖3 數(shù)字代碼的頻譜Fig.3 Spectrum of the digital code

圖4 合成量子電壓的頻譜Fig.4 Spectrum of the AC quantum voltage

5 應(yīng)用領(lǐng)域展望

脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓源在電學(xué)領(lǐng)域具有多方面的應(yīng)用價(jià)值[1]。對(duì)仍處在發(fā)展中的量子阻抗橋、交流量子功率源和交流量子功率表介紹如下。

5.1 量子阻抗橋

阻抗橋用于實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感之間的比較,是精密電磁測(cè)量領(lǐng)域重要的儀器設(shè)備[12～19]。阻抗橋通常分為3種類(lèi)型：第1種為用于同類(lèi)型阻抗比較的比值橋；第2種為用于電容與電阻比較的正交橋；第3種為用于電感與電阻、電容比較的諧振橋。當(dāng)電橋平衡時(shí),2個(gè)阻抗的比值等于電壓的比值。在傳統(tǒng)阻抗橋中,通常采用感應(yīng)分壓器提供比例準(zhǔn)確的2個(gè)電壓信號(hào)。基于此建立的阻抗橋可以達(dá)到10-9量級(jí)的不確定度水平;然而,這種方式存在靈活性差的問(wèn)題。當(dāng)感應(yīng)分壓器制作完畢后,電壓比由線圈的匝數(shù)決定,并且2個(gè)電壓之間的相位只能是0°或180°,難以細(xì)致地調(diào)節(jié)[12]。上述因素使得傳統(tǒng)阻抗橋只能覆蓋復(fù)平面中位于坐標(biāo)軸上的部分區(qū)域。

近年,研究人員提出利用交流量子電壓標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生阻抗橋中的2個(gè)電壓信號(hào),以此建立的阻抗橋主要分為2種類(lèi)型：一種是基于PJVS的阻抗橋[13],另一種是基于ACJVS的阻抗橋[14,15]。基于PJVS的阻抗橋在測(cè)量時(shí)由PJVS產(chǎn)生階梯波,并在輸出信號(hào)的基頻處通過(guò)鎖相放大器實(shí)現(xiàn)電橋平衡的檢測(cè)。德國(guó)PTB采用PJVS阻抗橋分別測(cè)量了2個(gè)10 kΩ電阻和2個(gè)100 pF電容,不確定度都達(dá)到了10-8量級(jí)[13, 16]。然而,考慮到阻抗類(lèi)型不同時(shí)PJVS阻抗橋的平衡條件取決于頻譜純凈度,而PJVS合成波形中存在較多諧波成分,使得PJVS阻抗橋難以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型阻抗的比較。與PJVS阻抗橋不同,基于ACJVS的阻抗橋具有靈活性好、測(cè)量范圍能夠覆蓋整個(gè)復(fù)平面的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要由ACJVS、用于相位調(diào)節(jié)的任意波形發(fā)生器、指零儀等組成[12]。

圖5 以ACJVS建立的量子阻抗橋Fig.5 Quantum impedance bridge with the ACJVS

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)2套ACJVS的幅值和相位使電橋平衡,當(dāng)指零儀指零時(shí)電壓比等于阻抗比。目前,德國(guó)PTB和瑞士聯(lián)邦計(jì)量研究院(Swiss Federal Institute for Metrology,METAS)均開(kāi)展了ACJVS阻抗橋的工作。2016年,METAS采用4端阻抗橋在1 kHz～20 kHz的頻率范圍內(nèi)比較不同種類(lèi)的阻抗，其中比較的2個(gè)12.906 kΩ電阻的標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到10-8量級(jí)[14]；PTB比較了ACJVS阻抗橋、PJVS阻抗橋和商用電容橋AH2700A用于10 kΩ電阻與10 nF電容比對(duì)的結(jié)果,獲得了較好一致性[15]。2017年,PTB通過(guò)ACJVS阻抗橋?qū)?0 nF電容標(biāo)準(zhǔn)溯源至量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn),不確定度為1.4×10-8[17]。2018年,METAS采用NIST研制的將2個(gè)1 V陣列集成在一起的約瑟夫森結(jié)陣芯片簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；同時(shí),他們分析了微波串?dāng)_對(duì)電壓比的影響,并采用交叉測(cè)量的方式提高了電壓比的準(zhǔn)確度[18]。PTB在246 Hz～40 kHz頻率范圍內(nèi)采用75 mV量子電壓信號(hào)對(duì)2個(gè)10 nF電容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì),并與AH2700A進(jìn)行了比較,測(cè)量數(shù)據(jù)在20 kHz內(nèi)具有較好一致性,5 kHz范圍內(nèi)的不確定度為10-7[19]。從上述一系列研究可以看出,基于ACJVS的阻抗橋能夠在寬頻帶范圍內(nèi)將不同的阻抗直接聯(lián)系,從而縮短傳遞鏈條、提高溯源的不確定度水平。

5.2 交流量子功率源

功率源在功率測(cè)量、電能計(jì)費(fèi)、電網(wǎng)諧波評(píng)估等方面扮演了重要的角色[20]。功率源通常采用可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)的雙通道電壓源產(chǎn)生電壓通道和電流通道需要的電壓信號(hào),其主要有3種產(chǎn)生信號(hào)的方式：(1) 通過(guò)高速時(shí)序控制芯片(例如現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA))讀取存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的合成；(2) 以振蕩的方式產(chǎn)生交流電壓信號(hào)；(3) 通過(guò)可編程型交流量子電壓源PJVS產(chǎn)生交流電壓信號(hào)[21]。然而,上述幾種方式合成信號(hào)的頻譜存在諧波失真大、背景噪聲高等問(wèn)題,進(jìn)而降低了功率源的性能。針對(duì)以PJVS建立的交流量子功率源,美國(guó)NIST提出采用低通濾波器濾除高次諧波分量,但是這無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度[21]。

為此,文獻(xiàn)[22]提出采用ACJVS替代傳統(tǒng)電壓源以產(chǎn)生包含單個(gè)、兩個(gè)或者多個(gè)頻率分量的電壓信號(hào)建立功率源,如圖6所示。系統(tǒng)主要由可以實(shí)現(xiàn)輸出相位調(diào)節(jié)的雙通道任意波形發(fā)生器、ACJVS、電壓放大器、跨導(dǎo)放大器組成。雙通道任意波形發(fā)生器輸出兩路方波至ACJVS的脈沖碼型發(fā)生器PPG,從而實(shí)現(xiàn)功率因素的調(diào)節(jié)。電壓放大器的作用是實(shí)現(xiàn)ACJVS輸出信號(hào)的放大,跨導(dǎo)放大器的作用是將ACJVS產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)。假設(shè)兩套ACJVS產(chǎn)生的量子電壓分別為UQV1和UQV2,電壓放大器和跨導(dǎo)放大器的輸出分別為UO和IO,UO和IO之間的相對(duì)相位為φ,則傳輸?shù)奖恍?zhǔn)功率表輸入端口的功率值為P=UO×IO×cosφ。

圖6 以ACJVS建立的交流量子功率源Fig.6 AC quantum power source with the ACJVS

5.3 交流量子功率表

目前,美國(guó)、德國(guó)、加拿大、中國(guó)等國(guó)家的計(jì)量機(jī)構(gòu)正在利用PJVS建立基于差分采樣的功率測(cè)量裝置[23～26]。在該方案中,需要對(duì)電壓通道和電流通道的2個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)行基于階梯波的差分采樣測(cè)量[27]。其中,臺(tái)階狀階梯波由PJVS產(chǎn)生。階梯波與被測(cè)量的正弦信號(hào)做差,并利用非臺(tái)階切換過(guò)程的測(cè)量數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)及對(duì)應(yīng)功率的量子化測(cè)量。然而,這樣一種基于階梯波的功率差分測(cè)量方法存在以下兩方面的問(wèn)題：(1) 臺(tái)階切換過(guò)程較慢,通常在微秒量級(jí),這導(dǎo)致被測(cè)量正弦信號(hào)的頻率一般不超過(guò)500 Hz。這進(jìn)而使得基于PJVS建立的交流功率差分測(cè)量方法對(duì)應(yīng)的功率頻率也不能超過(guò)500 Hz,極大地限制了使用范圍。對(duì)于高頻的交流功率測(cè)量,基于PJVS的差分測(cè)量方法無(wú)能為力。(2) 臺(tái)階切換時(shí),約瑟夫森結(jié)陣的輸出信號(hào)并沒(méi)有量子化。數(shù)據(jù)處理時(shí)需要人為剔除臺(tái)階切換過(guò)程的測(cè)量數(shù)據(jù),無(wú)疑使數(shù)據(jù)的利用率降低。

針對(duì)PJVS存在的上述問(wèn)題,文獻(xiàn)[28]提出利用ACJVS建立功率基準(zhǔn)的方案,從而大幅度提升工作的頻率范圍,如圖7所示。之后,美國(guó)NIST也提出了類(lèi)似的方案[29]。圖7所示的系統(tǒng)主要包括ACJVS、電壓轉(zhuǎn)換模塊、電流轉(zhuǎn)換模塊、電壓比較器、任意波形發(fā)生器、相位測(cè)量模塊。被校準(zhǔn)功率源的電壓通道和電流通道分別連接至電壓轉(zhuǎn)換模塊和電流轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。電壓轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)電壓幅度的變換,通常由電阻分壓器、電壓互感器、放大器等構(gòu)成。電流轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)向電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換,通常由電流互感器、分流電阻器、電壓互感器等構(gòu)成。相位測(cè)量模塊用于實(shí)現(xiàn)電壓通道和電流通道之間相角的測(cè)量[30]。任意波形發(fā)生器用于實(shí)現(xiàn)兩套ACJVS系統(tǒng)的相位調(diào)節(jié)。

圖7 以ACJVS建立的交流量子功率表Fig.7 AC quantum power meter with the ACJVS

假設(shè)電壓轉(zhuǎn)換模塊和電流轉(zhuǎn)換模塊的輸出分別為UV和UI,2套ACJVS產(chǎn)生的量子電壓分別為UQV和UQI,則兩套電壓比較器分別可以實(shí)現(xiàn)UV同UQV的比較、UI同UQI的比較。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)ACJVS與被測(cè)量正弦信號(hào)(UV、UI)之間的相對(duì)相位和ACJVS輸出電壓的幅度,可以使電壓比較器的輸出達(dá)到最小。UQV和UQI是量子準(zhǔn)確的,再結(jié)合電壓比較器的輸出信號(hào)幅度,可以實(shí)現(xiàn)UV和UI的測(cè)量。電壓比較器存在以下4種可能的輸入信號(hào)連接方式,如圖8所示：(1) 2路信號(hào)分別輸入鎖相放大器的兩個(gè)輸入通道；(2) 2路信號(hào)串聯(lián)后經(jīng)過(guò)互感器和低噪聲放大器輸入鎖相放大器的某個(gè)輸入通道；(3) 2路信號(hào)經(jīng)串聯(lián)后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器；(4) 2路信號(hào)分別連接至切換開(kāi)關(guān)的2個(gè)輸入端口,切換開(kāi)關(guān)的輸出端口連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖8 4種可能的比較方式Fig.8 Four possible methods to compare the AC voltages

6 結(jié) 論

本文采用傳統(tǒng)波形合成方法,通過(guò)4通道聯(lián)合低頻電流補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了對(duì)約瑟夫森結(jié)陣芯片的驅(qū)動(dòng),最終成功合成了1 V有效值的脈沖驅(qū)動(dòng)型交流量子電壓。約瑟夫森結(jié)陣芯片位于液氦低溫杜瓦內(nèi),其產(chǎn)生的電壓信號(hào)引出到被校準(zhǔn)設(shè)備的過(guò)程中會(huì)受到量化誤差、量化噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)、感應(yīng)電壓誤差、共模誤差、熱電勢(shì)、傳輸線頻率響應(yīng)等一系列因素的影響[1,6],詳細(xì)評(píng)估上述因素的不確定度分量極為必要。后續(xù),我們將與可編程型交流量子電壓系統(tǒng)PJVS開(kāi)展500 Hz以?xún)?nèi)的差分采樣比對(duì),從而驗(yàn)證ACJVS所合成交流量子電壓的準(zhǔn)確性。我們還將在系統(tǒng)內(nèi)集成更多約瑟夫森結(jié)陣,并采用五電平雙脈沖零補(bǔ)償法達(dá)到同樣的交流量子電壓幅度,從而極大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提升合成電壓的準(zhǔn)確度水平[11]。ACJVS具有合成電壓量子準(zhǔn)確、頻帶寬、諧波失真低等優(yōu)點(diǎn),有望在精密電磁測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮重要的應(yīng)用價(jià)值。