DE102004028907B3

DE102004028907B3 - High accuracy voltage standard for voltmeter calibration has two J-DACs with multiplexer switched between them to give varying output signal

Info

Publication number: DE102004028907B3
Application number: DE200410028907
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Behr; Waldemar Guilherme Kürten Dr. Ihlenfeld; Martin Dr. Kahmann; Enrico Mohns; Günther Dr. Ramm
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-06-16

Abstract

A high accuracy voltage standard has two J-DAC (Josephson Digital to Analogue converters) (1, 2) with microcomputer (6) controlled (5) multiplexer (7) switching between their output voltages (3, 4) in conjunction with the JDAC inputs to create a varying voltage (13) with minimal transients at the output (8).

Description

Anwendungsbereichscope of application

Die Erfindung betrifft ein hochgenaues Spannungsnormal mit Josephson-Digital/Analog-Convertern, das bei der Kalibrierung von Spannungsmessmitteln, wie Voltmetern oder Thermokonvertern, verwendet werden kann.The The invention relates to a high-precision voltage standard with Josephson digital / analog converters, the calibration of voltage measuring devices, such as voltmeters or thermo converters, can be used.

Kalibrierungen in diesem Anwendungsbereich erfolgen in der Regel durch Vergleich der Ausgangsinformationen der Spannungsmessmittel mit den Ausgangsinformationen anderer Spannungsmessmittel geringerer Unsicherheit oder durch Messen bekannter Spannungen mit den zu kalibrierenden Spannungsmessmitteln. Bei der zweiten Alternative besteht das Ziel, die Spannungen mit möglichst geringer Unsicherheit zu erzeugen. Als die genaueste Möglichkeit, Spannungen zu erzeugen, gilt heute die Verwendung von Josephson-Elementen. Da diese ausschließlich Gleichspannungen liefern, ist es zur Erzielung von auch oft benötigten, zeitlich sich ändernden Spannungen an den zu kalibrierenden Spannungsmessmitteln allerdings erforderlich, Josephson-Elemente mit verschiedener Spannungshöhe getaktet in bestimmter Reihenfolge an den Eingang der Spannungsmessmittel anzulegen, so dass dort eine zeitlich sich ändernde Spannung anliegt. Dazu lassen sich vorteilhaft monolithisch integrierte Josephson-Schaltungen, sogenannte programmierbare Joseph son-Elemente, einsetzen. Diese können auch als Josephson-Digital/Analog-Converter (J-DAC) bezeichnet werden.calibrations in this area of application usually done by comparison the output information of the voltage measuring means with the output information other voltage measuring means of lower uncertainty or by measuring known voltages with the voltage measuring means to be calibrated. In the second alternative, the goal is to use the voltages as low as possible Create uncertainty. As the most accurate way to generate stress, Today, the use of Josephson elements applies. Since these are exclusively DC voltages it is also necessary to achieve often needed, temporally changing ones However, voltages at the voltage measuring instruments to be calibrated required, Josephson elements clocked with different voltage level in a specific order to the input of the voltage measuring means create so that there is a time-varying voltage. To do so advantageously monolithically integrated Josephson circuits, so-called programmable Josephson elements, use. These can also as Josephson digital / analog converter (J-DAC).

Dabei weisen die zur Zeit verfügbaren J-DAC noch die Unzulänglichkeit auf, dass bei der Umschaltung zwischen den verschiedenen Josephson-Spannungsstufen transiente Vorgänge auftreten, die analytisch nur schwer bestimmbar sind.there show the currently available J-DAC still the inadequacy on that when switching between the different Josephson voltage levels transient processes occur that are difficult to determine analytically.

Dadurch lässt sich der Vorteil, mit Josephson-Elementen theoretisch zeitlich sich ändernde Spannungen mit Fundamentalkonstanten-Genauigkeit erzeugen zu können, nicht vollständig ausnutzen.Thereby let yourself the advantage, with Josephson elements theoretically time-varying voltages with fundamental constant accuracy, not Completely exploit.

Realisierungsmöglichkeiten für J-DACs sind bekannt z. B. aus dem US-Patent 5,565,866. Die dort beschriebenen J-DACs bestehen aus einer Reihenschaltung einer Vielzahl von Josephson-Elementen. Sie werden durch eine digitale Logikschaltung so angesteuert, dass am Ausgang der dort vorgeschlagenen Schaltungsanordnung zeitlich veränderliche Spannungen entstehen. Die Scheitelwerte dieser Spannungen können im Voltbereich liegen. Ihre Quantisierungsstufen sind durch ganze Vielfache der Josephson-Spannung und damit mit Fundamental-Konstanten-Genauigkeit definiert. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass zwar die Höhe der Quantisierungsstufen der erzeugten Spannungssignale rechnerisch bekannt ist, der Effektivwert der erzeugten Signale, der zur Kalibrierung von Spannungsmessmitteln benötigt wird, jedoch nur mit größerer Unsicherheit angegeben werden kann. Ursache hierfür ist, dass es beim Umschalten zwischen den einzelnen Quantisierungsstufen transiente Spannungs-Übergangszustände gibt. Diese analytisch nicht exakt zu berechnenden Spannungs-Übergangszustände beeinflussen jedoch den Effektivwert der erzeugten Spannungssignale und verursachen so die Erhöhung der Messunsicherheit gegenüber Josephson-Gleichspannungen um mehrere Zehnerpotenzen.implementation options for J-DACs are known z. From US Patent 5,565,866. The ones described there J-DACs consist of a series circuit of a plurality of Josephson elements. she are controlled by a digital logic circuit so that the Output of the proposed circuit arrangement time-varying voltages arise. The peak values of these voltages can be in the volt range. Their quantization levels are by integer multiples of the Josephson voltage and thus defined with fundamental constant accuracy. Of the Disadvantage of this arrangement is that although the height of the quantization levels the generated voltage signals is computationally known, the rms value the signals generated, which are used to calibrate voltage measuring means needed but only with greater uncertainty can be specified. The reason for this is that it is when switching Transient voltage transition states exist between the individual quantization stages. These analytically not exactly calculated stress transition states influence however, the rms value of the generated voltage signals and cause so the increase the measurement uncertainty compared to Josephson DC voltages by several orders of magnitude.

Ein Lösungsvorschlag, der vorgenanntes Problem mit den transienten Stufenübergängen verringert, ist in dem US- Patent 6,236,344 beschrieben. Bei der dort angegebenen Anordnung wird das Signal der zeitlich sich ändernden Spannung nicht durch Amplituden-Codierung, wie im Fall des US-Patents 5,565,866 erzeugt, sondern durch Impulsbreiten-Codierung. Die Nachteile dieser Lösung liegen insbesondere darin, dass das Prinzip der Impulsbreiten-Codierung die Erzeugung von digitalen Signalen mit sehr viel höherer Frequenz als bei der Amplituden-Codierung erfordert, dass die erreichbaren Ausgangsspannungen niedriger sind als im Fall der Amplituden-Codierung und dass zwischen zu kalibrierendem Spannungsmessmittel und Josephson-Elementen ein analoges Filter geschaltet werden muss, dessen Auslegung die Berechenbarkeit der Ausgangsspannung beeinflusst.One Solution, reduces the aforementioned problem with the transient step transitions, is in the US patent 6,236,344. In the arrangement given there is the Signal of temporally changing Stress not by amplitude coding, as in the case of US Patent 5,565,866 but by pulse width coding. The disadvantages of this solution are especially in that the principle of pulse width coding the generation of digital signals at a much higher frequency as in the amplitude coding requires that the achievable Output voltages are lower than in the case of amplitude coding and that between voltage measuring means to be calibrated and Josephson elements an analog filter must be switched whose interpretation the Predictability of the output voltage influenced.

Einen Lösungsvorschlag für eine Kalibriervorrichtung von Spannungsmessmitteln, bei dem oben genanntes Problem mit den transienten Stufenübergängen vermieden wird, beschreibt die Offenlegungsschrift DE 102 26 412 . Der Nachteil der dort angegebenen Lösung besteht darin, dass sie sich nur für Spannungsmessmittel verwenden lässt, die nach dem Abtastverfahren arbeiten und deren Abtast-Frequenz sich mit der Takt-Frequenz des J-DACs synchronisieren lässt.A proposed solution for a calibration device of voltage measuring means, in which the above-mentioned problem with the transient step transitions is avoided, describes the published patent application DE 102 26 412 , The disadvantage of the solution given there is that it can only be used for voltage measuring means which operate according to the sampling method and whose sampling frequency can be synchronized with the clock frequency of the J-DAC.

Aus dem Stand der Technik ergibt sich die Erfindungs-Aufgabe: Sie besteht darin, eine Schaltung zu entwickeln, die den Vorteil der amplituden-codierten J-DACs gegenüber den pulsbreiten-codierten J-DACs ausnutzt, den Nachteil der transienten Stufenübergänge überwindet und eine Kalibrierung auch solcher Spannungsmessmittel ermöglicht, die sich nicht mit der Takt-Frequenz des J-DACs synchronisieren lassen. Die Erfindung ist vor Allem für Anbieter von Kalibrier-Dienstleistungen auf höchstem Genauigkeits-Niveau bedeutsam.Out The prior art results in the invention task: It consists of a circuit to develop the advantage of the amplitude-encoded J-DACs over the exploits pulse width coded J-DACs, the disadvantage of transient Stair transitions overcomes and allows calibration of such voltage measuring means, which do not synchronize with the clock frequency of the J-DAC to let. The invention is primarily for providers of calibration services at the highest Accuracy Level Significant.

Lösungsolution

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein hochgenaues Spannungsnormal unter Verwendung von amplituden-codierten Josephson-Digital/Analog-Convertern (J-DAC) gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Spannungsnormal mindestens zwei J-DACs (1, 2) aufweist, zwischen deren Ausgangsspannungen (3, 4) ein über ein Signal (5) von einem Mikrorechner (6) gesteuerter Multiplex-Schalter (7) derartig hin- und herschaltet, dass der Multiplex-Schalter immer nur auf denjenigen J-DAC schaltet und das entsprechende Spannungssignal (3, 4) an den Ausgang (8) des Spannungsnormals weiterleitet, bei dem der transiente Stufenübergang (11) abgeschlossen und das Spannungsplateau (12) erreicht ist, wobei die Schaltfolge für den Multiplex-Schalter und die Erzeugung der digitalen Eingangs-Signale (9, 10) für die J-DACs so vom Programm des Mikrorechners koordiniert werden, dass am Ausgang des Multiplex-Schalters, der den Ausgang (8) des Normals bildet, zeitlich sich ändernde Spannungen (13) mit Stufen mit vernachlässigbar geringen transienten Übergängen erscheinen.The object is achieved according to the invention by a high-precision voltage standard using amplitude-coded Josephson digital / analog converters (J-DAC), which is characterized in that the voltage standard comprises at least two J-DACs ( 1 . 2 ), between whose output voltages ( 3 . 4 ) via a signal ( 5 ) from a microcomputer ( 6 ) controlled multiplex switch ( 7 ) switches back and forth in such a way that the multiplex switch always switches only to that J-DAC and the corresponding voltage signal ( 3 . 4 ) to the exit ( 8th ) of the voltage standard, in which the transient step transition ( 11 ) and the voltage plateau ( 12 ), wherein the switching sequence for the multiplex switch and the generation of the digital input signals ( 9 . 10 ) for the J-DACs are coordinated by the program of the microcomputer so that at the output of the multiplex switch, the output ( 8th ) of the normal, time-varying voltages ( 13 ) with steps with negligible transient transitions.

Erläuterung einer Ausführungsformexplanation an embodiment

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung mit Hilfe von 1 und 2 beschrieben. Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Problemlösung ist das Beispiel für den Fall einer nur durch wenige Stufen repräsentierten, zeitlich sich ändernden Spannung ausgelegt. Diese Vereinfachung berührt die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Prinzips nicht.In the following, an embodiment of the invention with the aid of 1 and 2 described. For a better understanding of the problem solving according to the invention, the example is designed for the case of a time-varying voltage represented only by a few steps. This simplification does not affect the effectiveness of the principle according to the invention.

Das erfindungsgemäße Spannungsnormal des Beispiels verfügt über zwei J-DACs (1, 2) vorbekannter Konstruktionsweise. Die J-DACs in dem Beispiel sind so aufgebaut, dass der J-DAC 1 die Zahlenwerte –x*, 0 und +x* und der J-DAC 2 die Zahlenwerte –y**, –x**, +x** und +y** in analoge Spannungen umwandeln kann. Die analogen Ausgänge der J-DACs sind an die Eingangskontakte eines Multiplex-Schalters (7) angeschlossen, der z. B. in CMOS-Technologie ausgeführt sein kann, um hohe Schaltfrequenzen realisieren zu können. Dessen Ausgangskontakt (8) bildet den Ausgang des erfindungsgemäßen Spannungsnormals. Die digitalen Eingänge der J-DAC sind an die Ausgänge eines Mikrorechners (6) angeschlossen. Ein dritter Ausgang des Mikrorechners steuert den Multiplex-Schalter.The voltage standard of the invention has two J-DACs ( 1 . 2 ) of previously known construction. The J-DACs in the example are constructed so that the J-DAC 1 the numbers -x *, 0 and + x * and the J-DAC 2 the numbers -y **, -x **, + x ** and + y ** can convert into analog voltages. The analog outputs of the J-DACs are connected to the input contacts of a multiplex switch ( 7 ) connected, the z. B. may be implemented in CMOS technology to realize high switching frequencies. Its output contact ( 8th ) forms the output of the voltage standard according to the invention. The digital inputs of the J-DAC are connected to the outputs of a microcomputer ( 6 ) connected. A third output of the microcomputer controls the multiplex switch.

Der Mikrorechner erzeugt für den J-DAC 1 eine Zahlenfolge (–x*,0,+x*,0 usw.), die in 2b durch den Linienzug 9 symbolisiert wird. Am Ausgang des J-DAC 1 erscheint dann ein analoges Spannungssignal, wie es in 2c durch den Linienzug 3 dargestellt ist. Die Unzulänglichkeit des transienten Übergangs von Spannungsstufe zu Spannungsstufe ist in 2c dadurch versinnbildlicht, dass die analogen Spannungen beim Stufenwechsel nicht unmittelbar den digitalen Eingangssignalen folgen, sondern während der Zeit 6 rampenförmig (11) auf den neuen Stufenwert ansteigen oder abfallen.The microcomputer generated for the J-DAC 1 a sequence of numbers (-x *, 0, + x *, 0, etc.) written in 2 B through the polyline 9 is symbolized. At the exit of the J-DAC 1 then appears an analog voltage signal, as in 2c through the polyline 3 is shown. The inadequacy of the transient transition from voltage level to voltage level is in 2c This is symbolized by the fact that the analog voltages do not follow the digital input signals directly during the step change, but during the time 6 rise or fall ramp-shaped (11) to the new step value.

Des Weiteren erzeugt der Mikrorechner für den J-DAC 2 eine Zahlenfolge (–y**,–x**,+x**,+y**,+x** usw.), die in 2b durch den Linienzug 10 symbolisiert wird. Am Ausgang des J-DAC 2 erscheint dann ein analoges Spannungssignal, wie es in 2c durch den Linienzug 4 dargestellt ist. Bezüglich des transienten Vorgangs im Stufenwechsel gilt das vorausgehend Gesagte.Furthermore, the microcomputer generates for the J-DAC 2 a sequence of numbers (-y **, - x **, + x **, + y **, + x **, etc.) written in 2 B through the polyline 10 is symbolized. At the exit of the J-DAC 2 then appears an analog voltage signal, as in 2c through the polyline 4 is shown. Regarding the transient process in the step change, what has been said above applies.

Schließlich erzeugt der Mikrorechner ein Steuersignal für den Multiplexschalter, das in 2a durch den Linienzug 5 versinnbildlicht ist. Das Mikrorechner-Programm gewährleistet eine zeitlich synchronisierte Erzeugung der Signale 5, 9 und 10, so wie es in 2 durch die durchgehenden gestrichelten Vertikallinien versinnbildlicht ist. Die Zeitspannen, während der der Multiplex-Schalter in einer seiner beiden Ruhestellungen verharrt, sind so auf die Zeitspannen angepasst, während der die Signale 9 und 10 an den beiden J-DACs anliegen, dass der Ausgang (8) der erfindungsgemäßen Anordnung über den Multiplex-Schalter immer mit einem J-DAC verbunden ist, bei dem die Phase des transienten Stufenüberganges (11) abgeschlossen und das Spannungs-Plateau (12) der Stufen erreicht ist. So entsteht am Ausgang des erfindungsgemäßen Spannungsnormals ein Spannungsverlauf, wie er in 2d durch den Linienzug 13 versinnbildlicht ist.Finally, the microcomputer generates a control signal for the multiplex switch, which in 2a through the polyline 5 is symbolized. The microcomputer program ensures synchronized generation of the signals 5 . 9 and 10 as it is in 2 is symbolized by the continuous dashed vertical lines. The time periods during which the multiplex switch remains in one of its two rest positions are thus adjusted to the time periods during which the signals 9 and 10 abut the two J-DACs that the output ( 8th ) of the arrangement according to the invention via the multiplex switch is always connected to a J-DAC, in which the phase of the transient step transition ( 11 ) and the voltage plateau ( 12 ) of the stages is reached. This results in the output of the voltage standard according to the invention, a voltage curve, as in 2d through the polyline 13 is symbolized.

Da die Spannungs-Plateaus der Stufen bei J-DACs mit sehr geringer Unsicherheit bekannt und für verschiedene J-DAC-Exemplare identisch sind, kann bei Verwendung eines hochwertigen, schnellen Multiplex-Schalters am Ausgang des erfindungsgemäßen Spannungsnormals eine zeitlich sich ändernde Spannung erzeugt werden, deren Spektral-Komponenten sich rechnerisch mit sehr geringer Unsicherheit bestimmen lassen. Dies gestattet den Einsatz des erfindungsgemäßen Spannungsnormals als hochgenaue Kalibrierquelle, insbesondere auch für Wechselspannungsmessmittel.There the voltage plateaus of the stages in J-DACs with very little uncertainty known and for various J-DAC copies can be identical when using a high quality, fast multiplex switch at the output of the voltage standard according to the invention a temporally changing one Voltage are generated whose spectral components are calculated with very little uncertainty. This allows the use of the voltage standard according to the invention as a high-precision calibration source, in particular for AC voltage measurement.

Claims

High-precision voltage standard using amplitude-encoded Josephson digital-to-analog converters (J-DAC) that can be used in the calibration of voltage measuring devices, characterized in that the voltage standard comprises at least two J-DACs ( 1 . 2 ), between whose output voltages ( 3 . 4 ) via a signal ( 5 ) from a microcomputer ( 6 ) controlled multiplex switch ( 7 ) switches back and forth in such a way that the multiplex switch always switches only to that J-DAC and the corresponding voltage signal ( 3 . 4 ) to the exit ( 8th ) of the voltage standard, in which the transient step transition ( 11 ) and the voltage plateau ( 12 ), wherein the switching sequence for the multiplex switch and the generation of the digital input signals ( 9 . 10 ) for the J-DACs are coordinated by the program of the microcomputer so that at the output of the multiplex switch, the output ( 8th ) of the voltage standard, time-varying voltages ( 13 ) with steps with negligible transient transitions.