CN111896800B - 一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置及方法,该功率测量装置包括:电压转换设备,用于将待测电压转换为第一转换电压;电流转换设备,用于将待测电流转换为第二转换电压;相位测量设备,用于测量第一转换电压与第二转换电压的相位差值;脉冲驱动型交流量子电压源,用于生成对应于第一转换电压的第一量子电压,对应于第二转换电压的第二量子电压;指零仪,用于测量第一转换电压和第一量子电压的第一电压差值,第二转换电压和第二量子电压的第二电压差值;处理器,用于若确定第一电压差值和第二电压差值均满足要求,则基于第一量子电压、第二量子电压以及第一转换电压与第二转换电压的相位差值确定待测功率。

Description

一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置及方法
技术领域
本申请涉及功率计量技术领域,具体而言,涉及一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置及方法。
背景技术
早期,交流功率的测量主要是通过热电变换器实现的。然而,热电变换器存在溯源路径长的问题,并且它作为一种实物标准,性能会受到温度、湿度、机械振动等因素的影响而出现漂移。
为避免热电变换器的缺点,计量人员提出利用可编程型交流量子电压源——可编程约瑟夫森电压标准(Programmable Josephson Voltage Standard,PJVS)对交流功率进行测量,具体测量过程为:待测功率的电压通道和电流通道分别对应有正弦信号,PJVS生成每个正弦信号对应的阶梯波;针对每个正弦信号,根据该正弦信号与该正弦信号对应的阶梯波的差值,以及对应的阶梯波的幅度,确定该正弦信号的幅度;基于每个正弦信号的幅度,以及两个正弦信号之间的相位差值,确定待测功率。然而,这样一种基于阶梯波的功率差分测量方法存在以下两方面的问题:
(1)台阶切换过程慢,通常在微秒量级,这导致被测量的正弦信号的频率一般不超过500Hz,进而使得基于可编程型交流量子电压源PJVS建立的交流功率差分测量方法对应的功率频率也不能超过500Hz,因此,限制了该方法的频率使用范围。对于高频的交流功率,基于可编程型交流量子电压源PJVS的差分测量方法无法进行测量。
(2)台阶切换过程中,可编程型交流量子电压源PJVS中约瑟夫森结阵的输出信号并没有量子化,数据处理时需要人为剔除台阶切换过程的测量数据,无疑使数据的利用率降低,同时降低了功率测量的效率。
发明内容
有鉴于此,本申请实施例的目的在于提供基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置及方法,基于脉冲驱动型交流量子电压源生成的量子电压确定待测功率,量子电压频率最高可达几百kHz,拓宽了待测功率的频率范围,提高了功率测量的效率。
第一方面,本申请实施例提供了一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,所述功率测量装置包括处理器、脉冲驱动型交流量子电压源、指零仪、电压转换设备、电流转换设备以及相位测量设备;其中,所述脉冲驱动型交流量子电压源包括第一脉冲驱动型交流量子电压源和第二脉冲驱动型交流量子电压源,所述指零仪包括第一指零仪和第二指零仪;待测功率对应有待测电压和待测电流;
所述电压转换设备,用于基于电压转换系数和第一相位差值,将所述待测电压转换为第一转换电压,并将所述第一转换电压发送给所述相位测量设备和所述第一指零仪;
所述电流转换设备,用于基于电流转换系数和第二相位差值,将所述待测电流转换为第二转换电压,并将所述第二转换电压发送给所述相位测量设备和所述第二指零仪;
所述相位测量设备,用于测量所述第一转换电压与所述第二转换电压之间的第三相位差值,并将所述第三相位差值发送给所述处理器;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,用于响应携带有第一目标相位的第一触发信号,并基于所述第一目标相位以及本地预存的第一目标波形,生成对应的第一量子电压,并将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪;
所述第二脉冲驱动型交流量子电压源,用于响应携带有第二目标相位的第二触发信号,并基于所述第二目标相位以及本地预存的第二目标波形,生成对应的第二量子电压,并将所述第二量子电压发送给所述第二指零仪;
所述第一指零仪,用于测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述处理器;
所述第二指零仪,用于测量所述第二量子电压与所述第二转换电压之间的第二电压差值,并将所述第二电压差值发送给所述处理器;
所述处理器,用于若所述第一电压差值和所述第二电压差值均位于预设阈值范围内,则根据本地预存的所述电压转换设备的电压转换系数和第一相位差值、所述电流转换设备的电流转换系数和第二相位差值、所述第一目标波形和所述第二目标波形,以及接收到的所述第三相位差值,确定所述待测功率。
在一种可能的实施方式中,所述脉冲驱动型交流量子电压源为脉冲驱动型约瑟夫森任意波形合成器。
在一种可能的实施方式中,所述脉冲驱动型交流量子电压源的频谱包含预设数量的频谱分量。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪为锁相放大器;其中,所述锁相放大器的输入通道包括第一输入通道和第二输入通道;所述第一指零仪对应第一锁相放大器;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一锁相放大器的第一输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一锁相放大器的第二输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
测量通过所述第一输入通道接收到的第一转换电压,与通过所述第二输入通道接收到的第一量子电压之间的第一电压差值。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪包括锁相放大器和电压放大设备,所述第一指零仪对应第一锁相放大器和第一电压放大设备;
所述电压转换设备,还用于将所述第一转换电压发送给所述第一电压放大设备;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,还用于将所述第一量子电压发送给所述第一电压放大设备;
所述第一电压放大设备,用于基于预设的放大系数,对接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压的串联电压进行放大处理,得到所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述第一锁相放大器;
所述第一锁相放大器,用于对接收到的所述第一电压差值进行测量。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪为模数转换器,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的串联电压作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪包括模数转换器和切换开关,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道,所述切换开关对应有第一切换通道、第二切换通道以及输出通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器和第一切换开关;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一切换开关的第一切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一转换电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一切换开关的第二切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一量子电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的时域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值;
或者,对通过所述第三输入通道接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压分别进行离散傅里叶变换,将离散傅里叶变换后的第一转换电压和离散傅里叶变换后的第一量子电压的频域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
在一种可能的实施方式中,所述功率测量装置还包括任意波形发生器;
所述任意波形发生器,用于响应携带有第一目标相位参数的第一操作指令,生成所述第一目标相位参数对应的第一目标相位,并将携带有所述第一目标相位的第一触发信号发送给所述第一脉冲驱动型交流量子电压源;还用于响应携带有第二目标相位参数的第二操作指令,生成所述第二目标相位参数对应的第二目标相位,并将携带有所述第二目标相位的第二触发信号发送给所述第二脉冲驱动型交流量子电压源。
在一种可能的实施方式中,所述处理器,还用于若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内;
或者,若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围外,且连续多个调节后的第一目标相位参数分别对应的第一电压差值稳定在一个固定范围内,进而调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内;
或者,若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内。
第二方面,本申请实施例提供了一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量方法,所述功率测量方法应用于功率测量装置,所述功率测量装置包括处理器、脉冲驱动型交流量子电压源、指零仪、电压转换设备、电流转换设备以及相位测量设备;其中,所述脉冲驱动型交流量子电压源包括第一脉冲驱动型交流量子电压源和第二脉冲驱动型交流量子电压源,所述指零仪包括第一指零仪和第二指零仪;待测功率对应有待测电压和待测电流;
所述电压转换设备基于电压转换系数和第一相位差值,将所述待测电压转换为第一转换电压,并将所述第一转换电压发送给所述相位测量设备和所述第一指零仪;
所述电流转换设备基于电流转换系数和第二相位差值,将所述待测电流转换为第二转换电压,并将所述第二转换电压发送给所述相位测量设备和所述第二指零仪;
所述相位测量设备测量所述第一转换电压与所述第二转换电压之间的第三相位差值,并将所述第三相位差值发送给所述处理器;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源响应携带有第一目标相位的第一触发信号,并基于所述第一目标相位以及本地预存的第一目标波形,生成对应的第一量子电压,并将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪;
所述第二脉冲驱动型交流量子电压源响应携带有第二目标相位的第二触发信号,并基于所述第二目标相位以及本地预存的第二目标波形,生成对应的第二量子电压,并将所述第二量子电压发送给所述第二指零仪;
所述第一指零仪测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述处理器;
所述第二指零仪测量所述第二量子电压与所述第二转换电压之间的第二电压差值,并将所述第二电压差值发送给所述处理器;
所述处理器若所述第一电压差值和所述第二电压差值均位于预设阈值范围内,则根据本地预存的所述电压转换设备的电压转换系数和第一相位差值、所述电流转换设备的电流转换系数和第二相位差值、所述第一目标波形和所述第二目标波形,以及接收到的所述第三相位差值,确定所述待测功率。
本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置及方法,其中,所述功率测量装置包括处理器、脉冲驱动型交流量子电压源、指零仪、电压转换设备、电流转换设备以及相位测量设备;待测功率对应有待测电压和待测电流;电压转换设备,用于将待测电压转换为第一转换电压;电流转换设备,用于将待测电流转换为第二转换电压;相位测量设备,用于测量第一转换电压与第二转换电压的相位差值;脉冲驱动型交流量子电压源,用于生成对应于第一转换电压的第一量子电压,对应于第二转换电压的第二量子电压;指零仪,用于测量第一转换电压和第一量子电压的第一电压差值,第二转换电压和第二量子电压的第二电压差值;处理器,用于若确定第一电压差值和第二电压差值均满足要求,则基于第一量子电压、第二量子电压以及第一转换电压与第二转换电压的相位差值确定待测功率。本申请实施例使用脉冲驱动型交流量子电压源分别生成与待测电流、待测电压近似相等的量子电压,进而基于生成的量子电压确定待测功率,拓宽了待测功率频率的测量范围,提高了功率测量的效率和准确度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合所附附图,作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请实施例提供的一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置的结构示意图;
图2示出了本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置的架构图;
图3示出了本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置中脉冲驱动型交流量子电压源的结构示意图;
图4a示出了本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置中指零仪的结构示意图之一;
图4b示出了本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置中指零仪的结构示意图之二;
图4c示出了本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置中指零仪的结构示意图之三;
图4d示出了本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置中指零仪的结构示意图之四;
图5示出了本申请实施例提供的一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
现阶段,通常利用可编程型交流量子电压源——可编程约瑟夫森电压标准(Programmable Josephson Voltage Standard,PJVS)对交流功率进行测量,具体测量过程为:待测功率的电压通道和电流通道分别对应有正弦信号,PJVS生成每个正弦信号对应的阶梯波;针对每个正弦信号,根据该正弦信号与该正弦信号对应的阶梯波的差值,以及对应的阶梯波的幅度,确定该正弦信号的幅度;基于每个正弦信号的幅度,以及两个正弦信号之间的相位差值,确定待测功率。
但是,这样一种基于阶梯波的功率差分测量方法存在以下两方面的问题:
(1)台阶切换过程慢,通常在微秒量级,这导致被测量的正弦信号的频率一般不超过500Hz,进而使得基于可编程型交流量子电压源PJVS建立的交流功率差分测量方法对应的功率频率也不能超过500Hz,因此,限制了该方法的频率使用范围。对于高频的交流功率,基于可编程型交流量子电压源PJVS的差分测量方法无法进行测量。
(2)台阶切换过程中,可编程型交流量子电压源PJVS中约瑟夫森结阵的输出信号并没有量子化,数据处理时需要人为剔除台阶切换过程的测量数据,无疑使数据的利用率降低,同时降低了功率测量的效率。
基于上述问题,本申请实施例提供了一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置及方法,其中,所述功率测量装置包括处理器、脉冲驱动型交流量子电压源、指零仪、电压转换设备、电流转换设备以及相位测量设备;待测功率对应有待测电压和待测电流;电压转换设备,用于将待测电压转换为第一转换电压;电流转换设备,用于将待测电流转换为第二转换电压;相位测量设备,用于测量第一转换电压与第二转换电压的相位差值;脉冲驱动型交流量子电压源,用于生成对应于第一转换电压的第一量子电压,对应于第二转换电压的第二量子电压;指零仪,用于测量第一转换电压和第一量子电压的第一电压差值,第二转换电压和第二量子电压的第二电压差值;处理器,用于若确定第一电压差值和第二电压差值均位于预设阈值范围内,则基于第一量子电压、第二量子电压以及第一转换电压与第二转换电压的相位差值确定待测功率。本申请实施例使用脉冲驱动型交流量子电压源分别生成与第一转换电压、第二转换电压近似相等的量子电压,进而基于生成的量子电压确定待测功率,拓宽了待测功率频率的测量范围,提高了功率测量的效率和准确度。
针对以上方案所存在的缺陷,均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果,因此,上述问题的发现过程以及下文中本申请针对上述问题所提出的解决方案,都应该是发明人在本申请过程中对本申请做出的贡献。
下面将结合本申请中附图,对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
为便于对本实施例进行理解,首先对本申请实施例所公开的一种功率测量装置进行详细介绍。
参见图1所示,图1为本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置的结构示意图,该功率测量装置包括处理器101、脉冲驱动型交流量子电压源102、指零仪103、电压转换设备104、电流转换设备105以及相位测量设备106;其中,参见图2所示,所述脉冲驱动型交流量子电压源102包括第一脉冲驱动型交流量子电压源1021和第二脉冲驱动型交流量子电压源1022,所述指零仪103包括第一指零仪1031和第二指零仪1032;待测功率对应有待测电压和待测电流。
所述电压转换设备104,用于基于电压转换系数和第一相位差值,将所述待测电压转换为第一转换电压,并将所述第一转换电压发送给所述相位测量设备106和所述第一指零仪1031。
所述电流转换设备105,用于基于电流转换系数和第二相位差值,将所述待测电流转换为第二转换电压,并将所述第二转换电压发送给所述相位测量设备106和所述第二指零仪1032。
本申请实施例中,待测功率对应有电压通道和电流通道,待测功率的电压通道连接电压转换设备,电压转换设备通过电压通道获取待测功率对应的待测电压;待测功率的电流通道连接电流转换设备,电流转换设备通过电流通道获取待测功率对应的待测电流。电压转换设备基于设备自身的电压转换系数和第一相位差值,对待测电压的幅度和相位进行转换,得到第一转换电压,其中,第一转换电压的幅度处于0~10V的电压等级,由于脉冲驱动型交流量子电压源生成的量子电压处于0~10V的电压等级,电压转换设备用于将待测电压的电压等级调整为0~10V,以确保第一转换电压与对应的量子电压处于同一电压等级。实际中,电压转换设备通常由电阻分压器,和/或电压互感器,和/或放大器构成。
电流转换设备基于设备自身的电流转换系数和第二相位差值,将待测电流由电流转换为电压,并对待测电流的幅度和相位进行转换,得到第二转换电压,其中,第二转换电压的幅度处于0~10V的电压等级,电流转换设备用于将待测电流调整为0~10V的电压等级,以确保第二转换电压与对应的量子电压处于同一电压等级。实际中,电流转换设备通常由电流互感器,和/或精密分流电阻器构成。
所述相位测量设备106,用于测量所述第一转换电压与所述第二转换电压之间的第三相位差值,并将所述第三相位差值发送给所述处理器101。
本申请实施例中,相位测量设备接收电压转换设备发送的第一转换电压,以及电流转换设备发送的第二转换电压,第一转换电压对应有第一相位,第二转换电压对应有第二相位,相位测量设备用于测量第一相位与第二相位的相位差值,即第三相位差值,并将测量得到的第三相位差值发送给处理器。实际中,相位测量设备由专用相位测量仪器构成,或者由双通道数据采集卡通过频谱分析计算相位差的方式实现。
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源1021,用于响应携带有第一目标相位的第一触发信号,并基于所述第一目标相位以及本地预存的第一目标波形,生成对应的第一量子电压,并将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪1031。
所述第二脉冲驱动型交流量子电压源1022,用于响应携带有第二目标相位的第二触发信号,并基于所述第二目标相位以及本地预存的第二目标波形,生成对应的第二量子电压,并将所述第二量子电压发送给所述第二指零仪1032。
本申请实施例中,脉冲驱动型交流量子电压源本地预存有目标波形,在接收到触发信号后,根据触发信号携带的目标相位和预存的目标波形,生成与目标相位和目标波形对应的量子电压,并将生成的量子电压发送给指零仪,以使指零仪对量子电压进行相关处理。
实际中,待测功率对应有待测电压和待测电流,需要分别生成待测电压(第一转换电压)对应的第一量子电压,待测电流(第二转换电压)对应的第二量子电压,并分别测量第一转换电压与第一量子电压的第一电压差值,第二转换电压与第二量子电压的第二电压差值,因此,基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置包括两台脉冲驱动型交流量子电压源以及两台指零仪,即第一脉冲驱动型交流量子电压源和第二脉冲驱动型交流量子电压源,以及第一指零仪和第二指零仪,其中,第一脉冲驱动型交流量子电压源用于生成对应于第一转换电压的第一量子电压,并将第一量子电压发送给第一指零仪;第二脉冲驱动型交流量子电压源用于生成对应于第二转换电压的第二量子电压,并将第二量子电压发送给第二指零仪。
具体的,处理器将第一目标波形发送给第一脉冲驱动型交流量子电压源,第一脉冲驱动型交流量子电压源将接收到的第一目标波形在本地进行存储,第一脉冲驱动型交流量子电压源在接收到第一触发信号后,根据第一触发信号携带的第一目标相位,以及本地预存的第一目标波形,生成第一量子电压。相应的,处理器将第二目标波形发送给第二脉冲驱动型交流量子电压源,第二脉冲驱动型交流量子电压源将接收到的第二目标波形在本地进行存储,第二脉冲驱动型交流量子电压源在接收到第二触发信号后,根据第二触发信号携带的第二目标相位,以及本地预存的第二目标波形,生成第二量子电压。
具体的,脉冲驱动型交流量子电压源为脉冲驱动型约瑟夫森任意波形合成器(Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer,JAWS),或者脉冲驱动型交流约瑟夫森电压标准(AC Josephson Voltage Standard,ACJVS),脉冲驱动型交流量子电压源通过磁通量子调控的方式合成量子电压,其中,量子电压是交流电压,量子电压的幅度为0~10V,频率最高可到几百kHz,频谱纯净。
另外,脉冲驱动型交流量子电压源的频谱包含预设数量的频谱分量,预设数量可以根据用户的实际需求进行设定,量子电压的频谱允许任意设计,可以包含单个或多个频谱分量,当包含多个频谱分量时,各个频谱分量的幅度可以相等,也可以不相等。
参见图3所示,图3为本申请实施例提供的脉冲驱动型交流量子电压源102的结构示意图,该脉冲驱动型交流量子电压源102包括脉冲码型发生器、微波放大器、直流阻断(DCBlock,DCB)、约瑟夫森结阵(Josephson Junction Array,JJA)、补偿电流源(CompensatingCurrent Source,CCS)、电流-电压(I-V)扫描电流源和终端电阻,脉冲驱动型交流量子电压源102生成量子电压UQV或UQI。其中,脉冲码型发生器包括但不限于美国Keysight公司生产的M8195A、美国HSCC公司生产的ABG系列仪器、德国Sympuls公司生产的BPG系列仪器,一台脉冲码型发生器通常具有两个及以上的输出通道。约瑟夫森结阵处在液氦或制冷机提供的低温环境中,其温度不超过12K,一个约瑟夫森结阵芯片通常具有两个及以上的阵列。需要说明的是,脉冲码型发生器本地预存有目标波形,在接收到携带有目标相位的触发信号后,连续输出脉冲,以驱动约瑟夫森结阵生成量子电压。
作为一种可选的实施方式,本申请实施例的脉冲驱动型交流量子电压源采用美国Keysight公司生产的M8195A脉冲码型发生器驱动102480个约瑟夫森结,并采用低频电流补偿方式合成频率达到100kHz的交流电压信号(量子电压)。
所述第一指零仪1031,用于测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述处理器101。
所述第二指零仪1032,用于测量所述第二量子电压与所述第二转换电压之间的第二电压差值,并将所述第二电压差值发送给所述处理器101。
本申请实施例中,第一指零仪接收第一脉冲驱动型交流量子电压源发送的第一量子电压,以及电压转换设备发送的第一转换电压,测量第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值,并对第一电压差值进行显示。第一指零仪将第一电压差值发送给处理器,以使处理器基于第一电压差值对第一量子电压进行调节。
相应的,第二指零仪接收第二脉冲驱动型交流量子电压源发送的第二量子电压,以及电流转换设备发送的第二转换电压,测量第二量子电压与第二转换电压的第二电压差值,并对第二电压差值进行显示。第二指零仪将第二电压差值发送给处理器,以使处理器基于第二电压差值对第二量子电压进行调节。
所述处理器101,用于若所述第一电压差值和所述第二电压差值均位于预设阈值范围内,则根据本地预存的所述电压转换设备的电压转换系数和第一相位差值、所述电流转换设备的电流转换系数和第二相位差值、所述第一目标波形和所述第二目标波形,以及接收到的所述第三相位差值,确定所述待测功率。
本申请实施例中,处理器判断第一电压差值是否位于预设阈值范围内,并且判断第二电压差值是否位于预设阈值范围内,其中,预设阈值范围可以根据用户的实际需求进行设定,比如为0,即判断第一电压差值和第二电压差值是否均等于0,若第一电压差值和第二电压差值均位于预设阈值范围内,则确定第一转换电压的幅度等于第一量子电压的幅度,且第二转换电压的幅度等于第二量子电压的幅度。处理器中预存有电压转换设备的电压转换系数和电流转换设备的电流转换系数,处理器根据第一量子电压的幅度以及电压转换系数,确定待测电压的幅度,并根据第二量子电压的幅度以及电流转换系数,确定待测电流的幅度。同样地,处理器中预存有电压转换设备的第一相位差值和电流转换设备的第二相位差值,处理器根据从相位测量设备接收到的第三相位差值,以及第一相位差值和第二相位差值,确定待测电压与待测电流之间的相位差值,进而根据待测电压的幅度、待测电流的幅度以及待测电压与待测电流之间的相位差值,确定待测功率。
处理器本地存储有对应于待测电压的第一波形函数,以及对应于待测电流的第二波形函数,相应的,处理器根据第一波形函数确定第一目标波形,将第一目标波形发送给第一脉冲驱动型交流量子电压源,且根据第二波形函数确定第二目标波形,将第二目标波形发送给第二脉冲驱动型交流量子电压源。处理器在计算待测功率时,根据第一目标波形确定第一量子电压的幅度,根据第二目标波形确定第二量子电压的幅度。
其中,处理器根据波形函数(第一波形函数或第二波形函数)确定目标波形(第一目标波形或第二目标波形)时,包括:在Matlab平台上采用Δ-Σ调制器将波形函数转换为数字代码,并将数字代码发送给有限冲击响应滤波器,以使有限冲击响应滤波器对数字代码进行滤波,得到目标波形。这里,当Δ-Σ调制器为两电平调制器时,数字代码中包含“0/1”或者“0/-1”;当Δ-Σ调制器为三电平调制器时,数字代码中包含“1/0/-1”。与电力电子领域广泛使用的脉冲宽度调制器相比,Δ-Σ调制器具有噪声整形技术,能够将在交流信号(波形函数)转换为数字代码的过程中产生的量化噪声推至极高的频带范围,从而保证调制得到的数字代码序列的频谱在低频带内具有极高的信噪比。
本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,基于脉冲驱动型交流量子电压源生成的量子电压确定待测功率,量子电压频率最高可达几百kHz,拓宽了待测功率的频率范围,提高了功率测量的效率。
进一步的,参见图2所示,基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置还包括任意波形发生器107。
所述任意波形发生器107,用于响应携带有第一目标相位参数的第一操作指令,生成所述第一目标相位参数对应的第一目标相位,并将携带有所述第一目标相位的第一触发信号发送给所述第一脉冲驱动型交流量子电压源1021;还用于响应携带有第二目标相位参数的第二操作指令,生成所述第二目标相位参数对应的第二目标相位,并将携带有所述第二目标相位的第二触发信号发送给所述第二脉冲驱动型交流量子电压源1022。
本申请实施例中,一台任意波形发生器可以生成两路触发信号,并将携带有不同目标相位的两路触发信号分别发送给第一脉冲驱动型交流量子电压源和第二脉冲驱动型交流量子电压源,具体的,将携带有目标相位的触发信号发送给脉冲驱动型交流量子电压源中的脉冲码型发生器。这里,任意波形发生器可以分别对两个触发信号携带的相位进行调节。
参见图2所示,待测功率的待测电压为UT、待测电流为IT,电压转换设备104将UT转换为第一转换电压UV,电流转换设备105将IT转换为第二转换电压UI,相位测量设备106测量UV与UI之间的第三相位差值
Figure BDA0002626382800000175
任意波形发生器107分别向第一脉冲驱动型交流量子电压源1021和第二脉冲驱动型交流量子电压源1022发送携带有目标相位的触发信号,以使第一脉冲驱动型交流量子电压源1021生成量子电压UQV,第二脉冲驱动型交流量子电压源1022生成量子电压UQI,第一指零仪1031测量UV与UQV之间的第一电压差值,第二指零仪1032测量UI与UQI之间的第二电压差值。电压转换设备106对应有电压转换系数k1和第一相位差值
Figure BDA0002626382800000171
电流转换设备105对应有电流转换系数k2和第二相位差值
Figure BDA0002626382800000172
根据
Figure BDA0002626382800000173
确定UT和IT之间的目标相位差值
Figure BDA0002626382800000174
当第一电压差值和第二电压差值均位于预设阈值范围内时,根据UQV的幅度和k1,确定UT的幅度UT0,根据UQI的幅度和k2,确定IT的幅度IT0,进而将
Figure BDA0002626382800000181
的乘积,确定为待测功率。
进一步的,本申请实施例中指零仪103对应有多种工作方式,指零仪103包括第一指零仪1031和第二指零仪1032,第一指零仪1031的工作方式与第二指零仪1032的工作方式相同,下面以第一指零仪1031为例,阐释指零仪103的工作方式。
工作方式一、所述指零仪为锁相放大器;其中,所述锁相放大器的输入通道包括第一输入通道和第二输入通道;所述第一指零仪对应第一锁相放大器。
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:将所述第一转换电压发送给所述第一锁相放大器的第一输入通道。
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:将所述第一量子电压发送给所述第一锁相放大器的第二输入通道。
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
测量通过所述第一输入通道接收到的第一转换电压,与通过所述第二输入通道接收到的第一量子电压之间的第一电压差值。
本申请实施例中,参见图4a所示,电压转换设备将第一转换电压UV发送给第一锁相放大器(图4a中锁相放大器)的第一输入通道,第一脉冲驱动型交流量子电压源将第一量子电压UQV发送给所述第一锁相放大器的第二输入通道,第一锁相放大器测量UV与UQV的第一电压差值。相应的,电流转换设备将第二转换电压UI发送给第二锁相放大器(图4a中锁相放大器)的第一输入通道,第二脉冲驱动型交流量子电压源将第二量子电压UQI发送给所述第二锁相放大器的第二输入通道,第二锁相放大器测量UI与UQI的第二电压差值。
工作方式二、所述指零仪包括锁相放大器和电压放大设备,所述第一指零仪对应第一锁相放大器和第一电压放大设备。
所述电压转换设备,还用于将所述第一转换电压发送给所述第一电压放大设备。
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,还用于将所述第一量子电压发送给所述第一电压放大设备。
所述第一电压放大设备,用于基于预设的放大系数,对接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压的串联电压进行放大处理,得到所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述第一锁相放大器。
所述第一锁相放大器,用于对接收到的所述第一电压差值进行测量。
本申请实施例中,参见图4b所示,为了提高锁相放大器的检测灵敏度,在锁相放大器的输入端口加入电压放大设备,其中,电压放大设备包括升压变压器和低噪声放大器。电压转换设备将第一转换电压UV发送给第一电压放大设备(图4b中升压变压器和低噪声放大器),第一脉冲驱动型交流量子电压源将第一量子电压UQV发送给第一电压放大设备,电压放大设备基于预设的放大系数,对UV与UQV的串联电压进行放大,得到第一电压差值,并将第一电压差值发送给第一锁相放大器(图4b中锁相放大器),第一锁相放大器测量第一电压差值。相应的,电流转换设备将第二转换电压UI发送给第二电压放大设备(图4b中升压变压器和低噪声放大器),第二脉冲驱动型交流量子电压源将第二量子电压UQI发送给第二电压放大设备,电压放大设备对UI与UQI的串联电压进行放大,得到第二电压差值,第二锁相放大器(图4b中锁相放大器)测量第二电压差值。
工作方式三、所述指零仪为模数转换器,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器。
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:将所述第一转换电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道。
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:将所述第一量子电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道。
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的串联电压作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
本申请实施例中,参见图4c所示,电压转换设备将第一转换电压UV发送给第一模数转换器(图4c中模数转换器)的第三输入通道,第一脉冲驱动型交流量子电压源将第一量子电压UQV发送给第一模数转换器的第三输入通道,第一模数转换器测量UV与UQV的串联电压,即UV与UQV的第一电压差值。相应的,电流转换设备将第二转换电压UI发送给第二模数转换器(图4c中模数转换器)的第三输入通道,第二脉冲驱动型交流量子电压源将第二量子电压UQI发送给第二模数转换器的第三输入通道,第二模数转换器测量UI与UQI的串联电压,即UI与UQI的第二电压差值。
需要说明的是,模数转换器包括但不限于美国National Instruments公司生产的PXI 5922、美国Keysight公司生产的3458A、基于美国Analog Devices公司生产的模数转换器芯片开发的采集模块、基于美国Linear Technologies公司生产的模数转换器芯片开发的采集模块、基于美国Texas Instruments公司生产的模数转换器芯片开发的采集模块。
工作方式四、所述指零仪包括模数转换器和切换开关,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道,所述切换开关对应有第一切换通道、第二切换通道以及输出通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器和第一切换开关。
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:将所述第一转换电压发送给所述第一切换开关的第一切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一转换电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道。
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:将所述第一量子电压发送给所述第一切换开关的第二切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一量子电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道。
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的时域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值;或者,对通过所述第三输入通道接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压分别进行离散傅里叶变换,将离散傅里叶变换后的第一转换电压和离散傅里叶变换后的第一量子电压的频域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
本申请实施例中,参见图4d所示,作为一种可选的实施方式,电压转换设备将第一转换电压UV发送给第一切换开关(图4d中切换开关)的第一切换通道,第一切换开关将UV通过输出通道发送给第一模数转换器(图4d中模数转换器),第一脉冲驱动型交流量子电压源将第一量子电压UQV发送给第一切换开关的第二切换通道,第一切换开关将UQV通过输出通道发送给第一模数转换器,第一模数转换器测量UV与UQV的时域差值,即UV与UQV的第一电压差值。相应的,电流转换设备将第二转换电压UI发送给第二切换开关(图4d中切换开关)的第一切换通道,第二切换开关将UI通过输出通道发送给第二模数转换器(图4d中模数转换器),第二脉冲驱动型交流量子电压源将第二量子电压UQI发送给第二切换开关的第二切换通道,第二切换开关将UQI通过输出通道发送给第二模数转换器,第二模数转换器测量UI与UQI的时域差值,即UI与UQI的第二电压差值。
作为另一种可选的实施方式,第一模数转换器分别对接收到的UV和UQV进行离散傅里叶变换,并测量离散傅里叶变换后的UV和UQV的频域差值,即UV与UQV的第一电压差值。相应的,第二模数转换器分别对接收到的UI和UQI进行离散傅里叶变换,并测量离散傅里叶变换后的UI和UQI的频域差值,即UI与UQI的第二电压差值。
需要说明的是,模数转换器包括但不限于美国National Instruments公司生产的PXI 5922、美国Keysight公司生产的3458A、基于美国Analog Devices公司生产的模数转换器芯片开发的采集模块、基于美国Linear Technologies公司生产的模数转换器芯片开发的采集模块、基于美国Texas Instruments公司生产的模数转换器芯片开发的采集模块。
进一步的,处理器在确定第一电压差值和第二电压差值均位于预设阈值范围内时,对待测功率进行相关计算;当存在第一电压差值和/或第二电压差值位于预设阈值范围外时,处理器需要对量子电压进行调节,量子电压的调节方式包括:
调节方式一、所述处理器,还用于若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内。
本申请实施例中,若第一电压差值位于预设阈值范围外,处理器调节任意波形发生器的第一目标相位参数,检测第一指零仪测量的第一电压差值是否位于预设阈值范围内,若第一电压差值位于预设阈值范围内,处理器停止调节第一目标相位参数,确定当前的第一量子电压的幅度等于第一转换电压的幅度。相应的,若第二电压差值位于预设阈值范围外,第二目标相位参数的调节方式可以参照第一目标相位参数的调节方式,重复之处不再赘述。
调节方式二、所述处理器,还用于若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围外,且连续多个调节后的第一目标相位参数分别对应的第一电压差值稳定在一个固定范围内,进而调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内。
本申请实施例中,若第一电压差值位于预设阈值范围外,处理器调节任意波形发生器的第一目标相位参数,检测第一指零仪测量的第一电压差值是否位于预设阈值范围内,并且检测连续多个调节后的第一目标相位参数分别对应的第一电压差值是否稳定在一个固定范围内,若第一电压差值位于预设阈值范围外,且连续多个调节后的第一目标相位参数分别对应的第一电压差值稳定在一个固定范围内,即第一电压差值稳定在一个最小值,但这个最小值位于预设阈值范围外,处理器停止调节第一目标相位参数,转为调节第一目标波形,检测第一指零仪测量的第一电压差值是否位于预设阈值范围内,若第一电压差值位于预设阈值范围内,处理器停止调节第一目标波形,确定当前的第一量子电压的幅度等于第一转换电压的幅度。相应的,若第二电压差值位于预设阈值范围外,第二目标相位参数的调节方式可以参照第一目标相位参数的调节方式,重复之处不再赘述。
调节方式三、所述处理器,还用于确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内。
本申请实施例中,若第一电压差值位于预设阈值范围外,处理器调节第一目标波形,检测第一指零仪测量的第一电压差值是否位于预设阈值范围内,若第一电压差值位于预设阈值范围内,处理器停止调节第一目标波形,确定当前的第一量子电压的幅度等于第一转换电压的幅度。相应的,若第二电压差值位于预设阈值范围外,第二目标相位参数的调节方式可以参照第一目标相位参数的调节方式,重复之处不再赘述。
需要说明的是,针对指零仪的工作方式一、工作方式二、工作方式三,可以采用调节方式一或调节方式二对量子电压进行调节,针对指零仪的工作方式四,可以采用调节方式三对量子电压进行调节。
基于同一发明构思,本申请实施例中还提供了与基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置对应的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量方法,由于本申请实施例中的方法解决问题的原理与本申请实施例上述基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置相似,因此方法的实施可以参见装置的实施,重复之处不再赘述。
参见图5所示,图5为本申请一实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量方法的流程图,所述功率测量方法应用于功率测量装置,所述功率测量装置包括处理器、脉冲驱动型交流量子电压源、指零仪、电压转换设备、电流转换设备以及相位测量设备;其中,所述脉冲驱动型交流量子电压源包括第一脉冲驱动型交流量子电压源和第二脉冲驱动型交流量子电压源,所述指零仪包括第一指零仪和第二指零仪;待测功率对应有待测电压和待测电流;该功率测量方法包括以下步骤:
S501、所述电压转换设备基于电压转换系数和第一相位差值,将所述待测电压转换为第一转换电压,并将所述第一转换电压发送给所述相位测量设备和所述第一指零仪。
S502、所述电流转换设备基于电流转换系数和第二相位差值,将所述待测电流转换为第二转换电压,并将所述第二转换电压发送给所述相位测量设备和所述第二指零仪。
S503、所述相位测量设备测量所述第一转换电压与所述第二转换电压之间的第三相位差值,并将所述第三相位差值发送给所述处理器。
S504、所述第一脉冲驱动型交流量子电压源响应携带有第一目标相位的第一触发信号,并基于所述第一目标相位以及本地预存的第一目标波形,生成对应的第一量子电压,并将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪。
S505、所述第二脉冲驱动型交流量子电压源响应携带有第二目标相位的第二触发信号,并基于所述第二目标相位以及本地预存的第二目标波形,生成对应的第二量子电压,并将所述第二量子电压发送给所述第二指零仪。
S506、所述第一指零仪测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述处理器。
S507、所述第二指零仪测量所述第二量子电压与所述第二转换电压之间的第二电压差值,并将所述第二电压差值发送给所述处理器。
S508、所述处理器若所述第一电压差值和所述第二电压差值均位于预设阈值范围内,则根据本地预存的所述电压转换设备的电压转换系数和第一相位差值、所述电流转换设备的电流转换系数和第二相位差值、所述第一目标波形和所述第二目标波形,以及接收到的所述第三相位差值,确定所述待测功率。
在一种可能的实施方式中,所述脉冲驱动型交流量子电压源为脉冲驱动型约瑟夫森任意波形合成器。
在一种可能的实施方式中,所述脉冲驱动型交流量子电压源的频谱包含预设数量的频谱分量。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪为锁相放大器;其中,所述锁相放大器的输入通道包括第一输入通道和第二输入通道;所述第一指零仪对应第一锁相放大器;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一锁相放大器的第一输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一锁相放大器的第二输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
测量通过所述第一输入通道接收到的第一转换电压,与通过所述第二输入通道接收到的第一量子电压之间的第一电压差值。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪包括锁相放大器和电压放大设备,所述第一指零仪对应第一锁相放大器和第一电压放大设备;
所述电压转换设备,还用于将所述第一转换电压发送给所述第一电压放大设备;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,还用于将所述第一量子电压发送给所述第一电压放大设备;
所述第一电压放大设备,用于基于预设的放大系数,对接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压的串联电压进行放大处理,得到所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述第一锁相放大器;
所述第一锁相放大器,用于对接收到的所述第一电压差值进行测量。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪为模数转换器,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的串联电压作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
在一种可能的实施方式中,所述指零仪包括模数转换器和切换开关,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道,所述切换开关对应有第一切换通道、第二切换通道以及输出通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器和第一切换开关;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一切换开关的第一切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一转换电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一切换开关的第二切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一量子电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的时域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值;
或者,对通过所述第三输入通道接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压分别进行离散傅里叶变换,将离散傅里叶变换后的第一转换电压和离散傅里叶变换后的第一量子电压的频域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
在一种可能的实施方式中,所述功率测量装置还包括任意波形发生器;
所述任意波形发生器,用于响应携带有第一目标相位参数的第一操作指令,生成所述第一目标相位参数对应的第一目标相位,并将携带有所述第一目标相位的第一触发信号发送给所述第一脉冲驱动型交流量子电压源;还用于响应携带有第二目标相位参数的第二操作指令,生成所述第二目标相位参数对应的第二目标相位,并将携带有所述第二目标相位的第二触发信号发送给所述第二脉冲驱动型交流量子电压源。
在一种可能的实施方式中,所述处理器,还用于若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内;
或者,若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围外,且连续多个调节后的第一目标相位参数分别对应的第一电压差值稳定在一个固定范围内,进而调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内;
或者,若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内。
本申请实施例提供的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量方法,基于脉冲驱动型交流量子电压源生成的量子电压确定待测功率,量子电压频率最高可达几百kHz,拓宽了待测功率的频率范围,提高了功率测量的效率。
最后应说明的是:以上所述实施例,仅为本申请的具体实施方式,用以说明本申请的技术方案,而非对其限制,本申请的保护范围并不局限于此,尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述功率测量装置包括处理器、脉冲驱动型交流量子电压源、指零仪、电压转换设备、电流转换设备以及相位测量设备;其中,所述脉冲驱动型交流量子电压源包括第一脉冲驱动型交流量子电压源和第二脉冲驱动型交流量子电压源,所述指零仪包括第一指零仪和第二指零仪;待测功率对应有待测电压和待测电流;
所述电压转换设备,用于基于电压转换系数和第一相位差值,将所述待测电压转换为第一转换电压,并将所述第一转换电压发送给所述相位测量设备和所述第一指零仪;
所述电流转换设备,用于基于电流转换系数和第二相位差值,将所述待测电流转换为第二转换电压,并将所述第二转换电压发送给所述相位测量设备和所述第二指零仪;
所述相位测量设备,用于测量所述第一转换电压与所述第二转换电压之间的第三相位差值,并将所述第三相位差值发送给所述处理器;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,用于响应携带有第一目标相位的第一触发信号,并基于所述第一目标相位以及本地预存的第一目标波形,生成对应的第一量子电压,并将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪;
所述第二脉冲驱动型交流量子电压源,用于响应携带有第二目标相位的第二触发信号,并基于所述第二目标相位以及本地预存的第二目标波形,生成对应的第二量子电压,并将所述第二量子电压发送给所述第二指零仪;
所述第一指零仪,用于测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述处理器;
所述第二指零仪,用于测量所述第二量子电压与所述第二转换电压之间的第二电压差值,并将所述第二电压差值发送给所述处理器;
所述处理器,用于若所述第一电压差值和所述第二电压差值均位于预设阈值范围内,则根据本地预存的所述电压转换设备的电压转换系数和第一相位差值、所述电流转换设备的电流转换系数和第二相位差值、所述第一目标波形和所述第二目标波形,以及接收到的所述第三相位差值,确定所述待测功率。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述脉冲驱动型交流量子电压源为脉冲驱动型约瑟夫森任意波形合成器。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述脉冲驱动型交流量子电压源的频谱包含预设数量的频谱分量。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述指零仪为锁相放大器;其中,所述锁相放大器的输入通道包括第一输入通道和第二输入通道;所述第一指零仪对应第一锁相放大器;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一锁相放大器的第一输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一锁相放大器的第二输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
测量通过所述第一输入通道接收到的第一转换电压,与通过所述第二输入通道接收到的第一量子电压之间的第一电压差值。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述指零仪包括锁相放大器和电压放大设备,所述第一指零仪对应第一锁相放大器和第一电压放大设备;
所述电压转换设备,还用于将所述第一转换电压发送给所述第一电压放大设备;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,还用于将所述第一量子电压发送给所述第一电压放大设备;
所述第一电压放大设备,用于基于预设的放大系数,对接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压的串联电压进行放大处理,得到所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述第一锁相放大器;
所述第一锁相放大器,用于对接收到的所述第一电压差值进行测量。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述指零仪为模数转换器,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的串联电压作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
7.根据权利要求1所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述指零仪包括模数转换器和切换开关,其中,所述模数转换器对应有第三输入通道,所述切换开关对应有第一切换通道、第二切换通道以及输出通道;所述第一指零仪对应第一模数转换器和第一切换开关;
所述电压转换设备,在将所述第一转换电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一转换电压发送给所述第一切换开关的第一切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一转换电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源,在将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪时,包括:
将所述第一量子电压发送给所述第一切换开关的第二切换通道,以使所述第一切换开关将所述第一量子电压通过所述输出通道发送给所述第一模数转换器的第三输入通道;
所述第一指零仪,在测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值时,包括:
通过所述第三输入通道获取所述第一转换电压和所述第一量子电压,将所述第一转换电压和所述第一量子电压的时域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值;
或者,对通过所述第三输入通道接收到的所述第一量子电压和所述第一转换电压分别进行离散傅里叶变换,将离散傅里叶变换后的第一转换电压和离散傅里叶变换后的第一量子电压的频域差值作为所述第一电压差值,并测量所述第一电压差值。
8.根据权利要求1所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,所述功率测量装置还包括任意波形发生器;
所述任意波形发生器,用于响应携带有第一目标相位参数的第一操作指令,生成所述第一目标相位参数对应的第一目标相位,并将携带有所述第一目标相位的第一触发信号发送给所述第一脉冲驱动型交流量子电压源;还用于响应携带有第二目标相位参数的第二操作指令,生成所述第二目标相位参数对应的第二目标相位,并将携带有所述第二目标相位的第二触发信号发送给所述第二脉冲驱动型交流量子电压源。
9.根据权利要求8所述的基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量装置,其特征在于,
所述处理器,还用于若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内;
或者,若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节所述第一目标相位参数,得到调节后的第一目标相位参数,基于调节后的第一目标相位参数生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围外,且连续多个调节后的第一目标相位参数分别对应的第一电压差值稳定在一个固定范围内,进而调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内;
或者,若确定所述第一电压差值位于预设阈值范围外,则调节第一目标波形,得到调节后的第一目标波形,基于调节后的第一目标波形生成新的第一量子电压,直至新的第一量子电压与第一转换电压的第一电压差值位于预设阈值范围内。
10.一种基于脉冲驱动交流量子电压源的功率测量方法,其特征在于,所述功率测量方法应用于功率测量装置,所述功率测量装置包括处理器、脉冲驱动型交流量子电压源、指零仪、电压转换设备、电流转换设备以及相位测量设备;其中,所述脉冲驱动型交流量子电压源包括第一脉冲驱动型交流量子电压源和第二脉冲驱动型交流量子电压源,所述指零仪包括第一指零仪和第二指零仪;待测功率对应有待测电压和待测电流;
所述电压转换设备基于电压转换系数和第一相位差值,将所述待测电压转换为第一转换电压,并将所述第一转换电压发送给所述相位测量设备和所述第一指零仪;
所述电流转换设备基于电流转换系数和第二相位差值,将所述待测电流转换为第二转换电压,并将所述第二转换电压发送给所述相位测量设备和所述第二指零仪;
所述相位测量设备测量所述第一转换电压与所述第二转换电压之间的第三相位差值,并将所述第三相位差值发送给所述处理器;
所述第一脉冲驱动型交流量子电压源响应携带有第一目标相位的第一触发信号,并基于所述第一目标相位以及本地预存的第一目标波形,生成对应的第一量子电压,并将所述第一量子电压发送给所述第一指零仪;
所述第二脉冲驱动型交流量子电压源响应携带有第二目标相位的第二触发信号,并基于所述第二目标相位以及本地预存的第二目标波形,生成对应的第二量子电压,并将所述第二量子电压发送给所述第二指零仪;
所述第一指零仪测量所述第一量子电压与所述第一转换电压之间的第一电压差值,并将所述第一电压差值发送给所述处理器;
所述第二指零仪测量所述第二量子电压与所述第二转换电压之间的第二电压差值,并将所述第二电压差值发送给所述处理器;
所述处理器若所述第一电压差值和所述第二电压差值均位于预设阈值范围内,则根据本地预存的所述电压转换设备的电压转换系数和第一相位差值、所述电流转换设备的电流转换系数和第二相位差值、所述第一目标波形和所述第二目标波形,以及接收到的所述第三相位差值,确定所述待测功率。
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