RU2026557C1 - Quantum voltage standard - Google Patents
Quantum voltage standard Download PDFInfo
- Publication number
- RU2026557C1 RU2026557C1 SU4874487A RU2026557C1 RU 2026557 C1 RU2026557 C1 RU 2026557C1 SU 4874487 A SU4874487 A SU 4874487A RU 2026557 C1 RU2026557 C1 RU 2026557C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- switch
- resistor
- zero
- organ
- section
- Prior art date
Links
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в прецизионных приборах, предназначенных для измерения напряжения, а также в эталонах напряжения. The invention relates to electrical engineering and can be used in precision instruments for measuring voltage, as well as in voltage standards.
Известны квантовые меры напряжения [1], содержащие квантовый пpеобpазователь "частота-напpяжение" на основе эффекта Джозефсона и резистивные делители напряжения, используемые для увеличения (умножения) воспроизводимого напряжения. Quantum voltage measures are known [1], containing a frequency-voltage quantum converter based on the Josephson effect and resistive voltage dividers used to increase (multiply) the reproduced voltage.
Напряжение, воспроизводимое квантовым преобразователем Джозефсона, не превышает единиц милливольт, что неудобно для практики. Его необходимо умножить хотя бы до 1 В. The voltage reproduced by the Josephson quantum converter does not exceed units of millivolts, which is inconvenient for practice. It must be multiplied by at least 1 V.
Известные квантовые меры напряжения по принципу действия требуют сверхнизкой температуры (< 4,2 К), которая обеспечивается применением дорогого хладагента - жидкого гелия, что существенно ограничивает область их применения. Known quantum voltage measures according to the principle of action require an ultra-low temperature (<4.2 K), which is ensured by the use of expensive refrigerant - liquid helium, which significantly limits the scope of their application.
Известно устройство [2], содержащее квантовый преобразователь Джозефсона, два набора резисторов, включенных в цепи источников тока, переключатели, коммутирующие цепи делителей, нуль-органа и квантового преобразователя. A device [2] is known, containing a Josephson quantum converter, two sets of resistors included in the circuit of current sources, switches, switching circuits of dividers, zero-organ and quantum converter.
Недостатками аналога является недостаточно высокая точность, связанная с большим количеством резисторов, необходимостью их взаимного сравнения и подстройки, что при больших коэффициентах умножения (>1000) приводит к сложным конструкциям. The disadvantages of the analogue are the insufficiently high accuracy associated with a large number of resistors, the need for their mutual comparison and adjustment, which with large multiplication factors (> 1000) leads to complex designs.
Как следует из [2], при коэффициентах деления (умножения) 1000 погрешность квантовой меры оценивается как 2 ˙ 10-7. Такая точность недостаточна в некоторых важнейших технических приложениях например, при выпуске прецизионных стабилитронов. Тем более в первичных или вторичных эталонах вольта, где точность должна быть еще на порядок выше.As follows from [2], for division factors (multiplication) of 1000, the error of the quantum measure is estimated as 2 ˙ 10 -7 . Such accuracy is insufficient in some critical technical applications, for example, in the production of precision zener diodes. Especially in primary or secondary volt standards, where accuracy should be even an order of magnitude higher.
Известна квантовая мера напряжения [3], которая по совокупности признаков и достигаемому результату наиболее близка к изобретению. A known quantum measure of voltage [3], which in terms of the combination of features and the achieved result is closest to the invention.
Эта мера содержит квантовый преобразователь Джозефсона, воспроизводящий напряжение по принципу, изложенному в [1], а также переключатель, нуль-орган, "n" последовательно включенных в цепь регулируемого источника тока равнономинальных резисторов. Указанный выше преобразователь Джозефсона с помощью переключателя через нуль-орган подключается встречно-параллельно каждому из "n" резисторов. Нуль-орган индуцирует отсутствие тока (равенство напряжений), чем устанавливается равенство всех резисторов. This measure contains a Josephson quantum transducer that reproduces the voltage according to the principle described in [1], as well as a switch, a zero-organ, “n”, equal-nominal resistors, connected in series to a controlled current source. The aforementioned Josephson transducer is connected in a counter-parallel manner to each of the “n” resistors via a zero-organ switch. The zero-organ induces the absence of current (equal voltage), which establishes the equality of all resistors.
Напряжение на i-том резисторе, выраженное через его отклонение от сопротивления R1 в резисторной цепи, определяется как
Ui = R1I(1 + Δ Ri/R1), (1) что при нулевом показании нуль-органа (U1 = Uдж) эквивалентно
Ui = Uдж(1 + Δ Ri/R1). (2)
Напряжение, воспроизводимое на всей резисторной цепи (Uo), определяется как сумма всех напряжений на "n" резисторах, т.е.The voltage at the i-th resistor, expressed through its deviation from the resistance R 1 in the resistor circuit, is defined as
U i = R 1 I (1 + Δ R i / R 1 ), (1) that with a zero reading of the zero-organ (U 1 = U j ) is equivalent
U i = U j (1 + Δ R i / R 1 ). (2)
The voltage reproduced on the entire resistor circuit (U o ) is defined as the sum of all voltages on the "n" resistors, i.e.
Uo=
Подгонкой резисторов обеспечивается условие приближенного равенства резисторов друг другу, т.е.U o =
By fitting the resistors, the condition of approximate equality of the resistors to each other is ensured, i.e.
Δ Ri << R1. (4)
Тогда с учетом (4), можно пренебречь членом 
u
Напряжение Uо используется как опорное для калибровки следующего каскада по принципу, описанному выше.Δ R i << R 1 . (4)
Then, taking into account (4), we can neglect the term
u
The voltage U о is used as a reference for calibrating the next stage according to the principle described above.
Как видно из выражения (3), погрешности подгонки резисторов к одному значению суммируются, т.е. накапливаются. Погрешность трехкаскадного делителя 1:1000 равна 2 ˙ 10-7, что, как уже указано выше, примерно на порядок ниже запросов практики. Конструкция известной меры содержит порядка 60 резисторов и элементов коммутации, т.е. достаточно сложна, поэтому возможность расширения воспроизводимого напряжения (коэффициент умножения более 1000) практически ограничена.As can be seen from expression (3), the errors of fitting resistors to a single value are summed, i.e. accumulate. The error of the three-stage divider 1: 1000 is 2 ˙ 10 -7 , which, as already mentioned above, is approximately an order of magnitude lower than the practical requirements. The design of the known measure contains about 60 resistors and switching elements, i.e. quite complicated, so the possibility of expanding the reproducible voltage (multiplication coefficient of more than 1000) is practically limited.
Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность, узкий диапазон напряжений при сложной конструкции. Thus, a disadvantage of the known device is low accuracy, a narrow voltage range with a complex structure.
Целью предполагаемого изобретения является повышение точности, увеличение диапазона воспроизводимых напряжений и упрощение конструкции. The aim of the proposed invention is to increase accuracy, increase the range of reproducible stresses and simplify the design.
Эта цель достигается тем, что в квантовую меру напряжения, содержащую квантовый преобразователь Джозефсона, резисторную цепь, состоящую из последовательно соединенных равнономинальных резисторов с отводами от каждого резистора, первый переключатель, выполненный двухсекционным, первый нуль-орган, первый вход которого соединен с одним из полюсов преобразователя Джозефсона, а второй вход через первую секцию первого переключателя соединен с отводами резисторной цепи, второй полюс преобразователя Джозефсона соединен через вторую секцию первого переключателя с отводами резисторной цепи, первый источник тока, подключенный одним из полюсов к первому выводу резисторной цепи, а управляющим входом к выходу первого нуль-органа, согласно изобретению введены дополнительный резистор, сопротивление которого равно сопротивлению резисторной цепи, второй нуль-орган и второй источник тока, управляющий вход которого соединен с выходом второго нуль-органа, второй переключатель, выполненный двухсекционным, и третий переключатель, при этом второй полюс первого источника тока соединен с одним из полюсов второго источника тока и одним из выводов дополнительного резистора, второй вывод которого через первую секцию второго переключателя соединен с отводом от точки соединения первого и второго резисторов резисторной цепи, второй вывод резисторной цепи, соединенный с одним из входов второго нуль-органа, подключен через вторую секцию второго переключателя к второму выводу дополнительного резистора и второму полюсу второго источника тока, второй вход второго нуль-органа соединен через третий переключатель с отводами резисторной цепи. This goal is achieved by the fact that, in a quantum measure of voltage, containing a Josephson quantum converter, a resistor circuit consisting of series-connected equal-voltage resistors with taps from each resistor, the first switch, made two-section, the first zero-organ, the first input of which is connected to one of the poles Josephson transducer, and the second input through the first section of the first switch is connected to the taps of the resistor circuit, the second pole of the Josephson transducer is connected through the second section according to the invention, an additional resistor is introduced, the resistance of which is equal to the resistance of the resistor circuit, the second zero-organ and the second one, the first switch with taps of the resistor circuit, the first current source connected by one of the poles to the first output of the resistor circuit a current source, the control input of which is connected to the output of the second zero-organ, a second switch, made two-section, and a third switch, while the second pole of the first current source is connected with one of the poles of the second current source and one of the terminals of the additional resistor, the second terminal of which through the first section of the second switch is connected to the tap from the connection point of the first and second resistors of the resistor circuit, the second terminal of the resistor circuit connected to one of the inputs of the second zero-organ, connected through the second section of the second switch to the second output of the additional resistor and the second pole of the second current source, the second input of the second zero-organ is connected through the third switch with taps Reversal of the chain.
Предлагаемое решение позволяет с помощью резисторной цепи из минимального числа "n" равнономинальных резисторов использовать "повторно" коэффициент деления "n" для создания через выходной резистор дополнительного тока, в (n-1) раз большего основного, что позволяет практически при заданном числе резисторов получить умножение напряжения Uдж не в "n", а в "n2" раз, тем самым расшиpить в "n" раз диапазон воспроизводимых напряжений и повысить в 
На чертеже представлена схема предложенной квантовой меры напряжения. The drawing shows a diagram of the proposed quantum measure of voltage.
В предлагаемом устройстве один полюс квантового преобразователя 1 Джозефсона через нуль-орган 2 подсоединен к одной из щеток переключателя 3, к ламелям первой секции которого присоединены отводы от каждого из "n" равноминальных резисторов резисторной цепи 4, а также вторая клемма дополнительного резистора 5, сопротивление которого равно сумме сопротивлений "n" равноминальных резисторов. Второй полюс квантового преобразователя 1 Джозефсона подсоединен к второй щетке переключателя 3. К ламелям второй секции переключателя 3 присоединены отводы от всех резисторов цепочки 4, начиная с 1-го, и первая клемма дополнительного резистора 5. В одном из положений двухсекционного переключателя 6 (показанном на чертеже) через одну из секций резисторы цепи 4 и дополнительный резистор 5 соединены последовательно и включены в цепь источника 7 тока. В этом положении двухсекционного переключателя 6 цепь дополнительного источника 8 тока, один из полюсов которого присоединен к второй клемме дополнительного резистора 5, а другой полюс - к ламели двухсекционного переключателя 6, разорвана. In the proposed device, one pole of the Josephson quantum converter 1 through a zero-organ 2 is connected to one of the brushes of the switch 3, to the lamellas of the first section of which are connected the taps from each of the "n" equal resistors of the resistor circuit 4, as well as the second terminal of the additional resistor 5, resistance which is equal to the sum of the resistances "n" of the equal resistors. The second pole of the Josephson quantum converter 1 is connected to the second brush of the switch 3. The lamellas of the second section of the switch 3 are connected to the taps from all the resistors of the circuit 4, starting from the 1st, and the first terminal of the additional resistor 5. In one of the positions of the two-section switch 6 (shown on drawing) through one of the sections, the resistors of circuit 4 and the additional resistor 5 are connected in series and are included in the circuit of the current source 7. In this position of the two-section switch 6, the circuit of the additional current source 8, one of the poles of which is connected to the second terminal of the additional resistor 5, and the other pole to the lamella of the two-section switch 6, is broken.
Во втором положении двухсекционного переключателя 6 через его вторую секцию дополнительный резистор 5 подключен к отводу между 1 и 2 резисторами цепи 4, а один из полюсов второго источника 8 тока подключен к дополнительному резистору 5, а его второй полюс через двухсекционный переключатель 6 подключен к клемме первого резистора цепи 4, т.е. резисторы R1 и Rд соединены последовательно и включены в цепь регулируемого источника 8 тока. Один полюс второго нуль-органа 9, например, гальванометра, через односекционный переключатель 10 связан с отводами каждого резистора цепи 4, а его второй полюс подключен к щетке двухсекционного переключателя 6. Нуль-орган 9 может быть выполнен в виде операционного усилителя, вход которого присоединен как указано выше, а выход подключен к регулируемому источнику тока 8 по принципу обратной связи.In the second position of the two-section switch 6 through its second section, an additional resistor 5 is connected to the tap between 1 and 2 resistors of circuit 4, and one of the poles of the second current source 8 is connected to the additional resistor 5, and its second pole is connected through the two-section switch 6 to the terminal of the first circuit resistor 4, i.e. resistors R 1 and R d are connected in series and are included in the circuit of an adjustable current source 8. One pole of the second zero-organ 9, for example, a galvanometer, through a single-section switch 10 is connected to the taps of each resistor of the circuit 4, and its second pole is connected to the brush of the two-section switch 6. The zero-organ 9 can be made in the form of an operational amplifier, the input of which is connected as indicated above, and the output is connected to an adjustable current source 8 according to the feedback principle.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Переключатели 3 и 6 обеспечивают два режима работы: режим калибровки делителя и рабочий режим воспроизведения напряжения. В режиме калибровки делителя напряжения на каждом из "n" резисторов цепи 4 сравнивается через нуль-орган 2 с помощью переключателя 3 с напряжением квантового преобразователя 1. Подстройкой резисторов реализуется их равенство. Окончательная (тонкая) подстройка резисторов может осуществляться с помощью переменных высокоомных резисторов, шунтирующих подстраиваемый резистор. Switches 3 and 6 provide two operating modes: a divider calibration mode and an operating voltage reproduction mode. In the calibration mode of the voltage divider on each of the "n" resistors, circuit 4 is compared through a zero-organ 2 using switch 3 with the voltage of quantum converter 1. By adjusting the resistors, their equality is realized. The final (fine) adjustment of the resistors can be carried out using variable high-resistance resistors shunting the adjustable resistor.
Подключив преобразователь 1 Джозефсона через нуль-орган 2 с помощью переключателя 3 параллельно всей цепи 4, уменьшают в "n" раз значение тока источника 7 (по равенству напряжений). Затем подключают преобразователь 1 с нуль-органом 2 с помощью переключателя 3 параллельно дополнительному резистору 5 (Rд) в "n" раз большему, чем R1. Подгонкой этого резистора обеспечивается его равенство суммарному сопротивлению цепи 4 (по равенству напряжений)
Uд = Uдж . (6) При этом значение Rд можно выразить через "n" и R1 следующим образом
Rд= R1 
В другом положении переключателя 6 обеспечивается дифференциальное (встречное) включение напряжения на резисторе R1 цепи 4 с напряжением на остальных (n-1) резисторах. Регулируют ток источника 8 вручную или автоматически до нулевого показания нуль-органа 9. При этом в цепи дополнительного источника 8 протекает ток Iд и напряжение R1 равно суммарному напряжению на остальных (n-1) резисторах, т.е.By connecting the Josephson transducer 1 through the zero-organ 2 using the switch 3 parallel to the entire circuit 4, the value of the current of the source 7 is reduced by "n" times (by the equality of voltages). Then connect the Converter 1 with the zero-organ 2 using the switch 3 parallel to the additional resistor 5 (R d ) "n" times greater than R 1 . By fitting this resistor, its equality is ensured by the total resistance of circuit 4 (by the equality of voltages)
U d = U j . (6) Moreover, the value of R d can be expressed in terms of "n" and R 1 as follows
R d = R 1
In another position of the switch 6, differential (oncoming) voltage is switched on at the resistor R 1 of circuit 4 with the voltage at the remaining (n-1) resistors. The current of the source 8 is controlled manually or automatically to the zero reading of the zero-organ 9. In this case, the current I d flows in the circuit of the additional source 8 and the voltage R 1 is equal to the total voltage on the remaining (n-1) resistors, i.e.
JдR1 = J 
Jд = J 
В этой операции использован повторно полученный ранее коэффициент деления "n" для обеспечения известной кратности токов Iд и I, т.е. Iд/I = n - 1.J d R 1 = J
J d = J
In this operation, the previously obtained division coefficient "n" was used to ensure the known multiplicity of currents I d and I, i.e. I d / I = n - 1.
Напряжение Uo на Rд удовлетворяет соотношение
Uo = Rд(Iд + I) . (10)
Подставив Rд из (7) и ток из (9), получим
Uo= JR
Используя условие равенства резисторов, получим
Uo = IR1n2 = Uджn2 . (12)
Условие (11) позволяет также учесть поправки в виде
δo= 2n
В рабочем режиме воспроизведения напряжения квантовой мерой квантовый преобразователь 1 Джозефсона переключателем 3 через нуль-орган 2 подключается встречно-параллельно одному из резисторов цепи "n" равнономинальных резисторов. Ток источника 7 вручную или автоматически регулируется по нулевому показанию нуль-органа 2, поддерживается также баланс напряжений во входной цепи нуль-органа 9, при этом воспроизводимое напряжение определяется через число "n" по формуле (12). Переключатель 10 служит для получения сетки напряжений в пределах от 2Uдж до Uджn2. Очевидно, число измерений (сравнений) напряжений для получения коэффициента умножения n2 равно (n + 1), т.е. в (n - 1) раз меньше по сравнению с прототипом (при эквивалентных коэффициентах умножения). При этом погрешность воспроизведения напряжения по сравнению с прототипом будет меньше для случайной погрешности в 
U o = R d (I d + I). (10)
Substituting R d from (7) and the current from (9), we obtain
U o = JR
Using the condition of equality of the resistors, we obtain
U o = IR 1 n 2 = U j n 2 . (12)
Condition (11) also makes it possible to take into account corrections in the form
δ o = 2n
In the operating mode of voltage reproduction by a quantum measure, Josephson’s quantum transducer 1 is connected in opposite to one of the resistors of the “n” circuit of equal-rated resistors through a zero-organ 2 switch 3. The current of the source 7 is manually or automatically regulated by the zero reading of the zero-organ 2, the voltage balance in the input circuit of the zero-organ 9 is also maintained, while the reproducible voltage is determined through the number "n" according to formula (12). The switch 10 is used to obtain a voltage grid in the range from 2U j to U j n 2 . Obviously, the number of measurements (comparisons) of stresses to obtain the multiplication coefficient n 2 is equal to (n + 1), i.e. in (n - 1) times less in comparison with the prototype (with equivalent multiplication factors). In this case, the error in reproducing the voltage in comparison with the prototype will be less for a random error in
Предлагаемое устройство может быть выполнено в виде нескольких каскадов, при этом напряжение Uо на выходе первого каскада используется в качестве опорного (вместо Uдж) для калибровки следующего каскада.The proposed device can be made in the form of several stages, while the voltage U about at the output of the first stage is used as a reference (instead of U j ) to calibrate the next stage.
Предлагаемая квантовая мера напряжения в своих отличительных признаках может быть реализована, например, на серийных прецизионных резисторах типа Р3030 (с ТКС < 10-6/K), операционных усилителях серий К140, К544 и др., коммутаторах типа МП-12. В качестве стабилизированных источников тока может быть использован серийный блок П36-1, имеющий 3 независимых источника тока с высокой стабильностью. При типовых значениях параметров, приведенных в описании прототипа, при двухкаскадном варианте предлагаемого устройства количество резисторов, необходимое для получения коэффициента умножения напряжения порядка 1300, в предлагаемом устройстве должно быть - 14 (в прототипе - 60), погрешность не превышает 3 ˙ 10-8 (в прототипе 2 ˙ 10-7) при диапазоне напряжений в 1,3 раз большем, чем в прототипе. Возможность расширения диапазона напряжений практически неограничена.The proposed quantum voltage measure in its distinguishing features can be implemented, for example, on serial precision P3030 resistors (with TKS <10 -6 / K), operational amplifiers of the K140, K544 series, etc., and MP-12 switches. As stabilized current sources, the P36-1 serial unit can be used, having 3 independent current sources with high stability. When the typical values of the parameters given in the description of the prototype, with a two-stage version of the proposed device, the number of resistors required to obtain a voltage multiplier of the order of 1300, in the proposed device should be 14 (in the prototype - 60), the error does not exceed 3 ˙ 10 -8 ( in the prototype 2 ˙ 10 -7 ) with a voltage range of 1.3 times greater than in the prototype. The possibility of expanding the voltage range is almost unlimited.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4874487 RU2026557C1 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Quantum voltage standard |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4874487 RU2026557C1 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Quantum voltage standard |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2026557C1 true RU2026557C1 (en) | 1995-01-09 |
Family
ID=21540715
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4874487 RU2026557C1 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Quantum voltage standard |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2026557C1 (en) |
-
1990
- 1990-10-16 RU SU4874487 patent/RU2026557C1/en active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 1. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. М., Мир, 1984. * |
| 2. Кржимовский В.И. и др. Воспроизведение размера вольта при помощи долгоживущих точечных контактов Джозефсона на монокристалле ниобия. Измерительная техника. N 2, 1983 г., с.31. * |
| 3. Айнитдинов Х.А. и др. Промышленная установка опорного напряжения на основе эффекта Джозефсона. Тезисы 3-го Всесоюзного совещания "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы". Л., 1988 г., с.17. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPS6214783B2 (en) | ||
| JPS59148914A (en) | Current source arrangement | |
| US4350974A (en) | Logarithmic analog-to-digital converter | |
| RU2026557C1 (en) | Quantum voltage standard | |
| Behr et al. | Measuring resistance standards in terms of the quantized Hall resistance with a dual Josephson voltage standard using SINIS Josephson arrays | |
| Finnegan et al. | High Accuracy Potentiometers for Use with Ten Millivolt Josephson Devices. I. Double Series‐Parallel Exchange Comparator | |
| US3273060A (en) | Expanded scale ammeter including a bridge biased transistor differential amplifier | |
| US3443215A (en) | Impedance measuring bridge with voltage divider providing constant source impedance to bridge | |
| JPS5919438B2 (en) | Control device with large dynamic control range | |
| US3297939A (en) | Direct reading potentiometer | |
| JP3189866B2 (en) | Resistance meter calibration device | |
| Kunz | Exponential D/A converter with a dynamic range of eight decades | |
| SU883756A1 (en) | Multi-stage voltage divider | |
| JPS59208472A (en) | Impedance change measuring circuit | |
| SU670901A1 (en) | Current ratio meter | |
| SU588508A1 (en) | Device for measuring resistance ratio error | |
| Thompson | Self-checking resistive ratios | |
| JPS6352497B2 (en) | ||
| SU1112286A2 (en) | Digital measuring instrument | |
| US3292081A (en) | Apparatus for measuring the negative ratio of voltage | |
| RU2176090C1 (en) | Device measuring electric resistance | |
| RU2028630C1 (en) | Resistance-to-voltage changer | |
| RU2054790C1 (en) | Measuring operational amplifier | |
| RU1826070C (en) | Resistance and conductance box | |
| JPS5830332Y2 (en) | variable slope signal generator |