Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 О способах построения синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона 9
1.1 Синтезатор напряжения на основе цепочки
сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями 10
1.2 Синтезатор напряжения, управляемый серией импульсов (дельта-сигма цифро-аналоговый преобразователь на эффекте Джозефсона) 15
1.3 RSFQ- синтезатор переменного напряжения 34
1.4 Синтезатор напряжения с широтно-импульсной модуляцией на основе цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов 36
1.5 Краткие выводы к главе 1 42
Глава 2 Исследование экспериментальных цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS с двоичными секциями и частотой СВЧ накачки ЮГГц 44
2.1 Результаты исследования экспериментальных образцов цепочек сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS 44
2.2 Точное измерение напряжения цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов типа SINIS относительно эталона напряжения на основе традиционной SIS цепочки 55
2.2.1 Экспериментальная установка 56
2.2.2 Методика измерения и оценка метрологических характеристик экспериментальной установки 61
2.2.3 Результаты измерения напряжения USINIS -ЮГГЦ относительно Us/s - 70ГГц 65
2.3 Требования к аппаратуре синтезатора переменного напряжения на основе двоичных цепочек сильношунтированных переходов Джозефсона 68
2.4 Краткие выводы к Главе 2 69
Глава 3 Установка для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов с двоичными секциями 71
3.1 Описание устройства аппаратуры установки 71
3.2 Программно-измерительный модуль установки 76
3.2.1 Исследование характеристик программно- измерительного модуля установки 84
3.3. Экспериментальные результаты 87
3.3.1 Регистрация вольт амперных характеристик и настройка режимов работы 87
3.3.2 Синтезирование установкой сигналов переменного напряжения с заданными параметрами и измерение характеристик сигналов при помощи АЦП и программно-измерительного модуля 91
3.3.3 Измерение характеристик серийных низкочастотных генераторов при помощи аппаратуры установки 98
3.3.4 Испытания с целью определения метрологических характеристик 9-ти канальной системы регистрации геофизических данных при помощи аппаратуры установки 103
3.3.4.1 Методика испытаний 104
3.3.4.2 Результаты испытаний 104
3.3.4.3 Заключение по испытаниям 108
3.4 Краткие выводы к главе 3 109
Заключение ПО
Библиографический список использованной литературы
- Синтезатор напряжения, управляемый серией импульсов (дельта-сигма цифро-аналоговый преобразователь на эффекте Джозефсона)
- Синтезатор напряжения с широтно-импульсной модуляцией на основе цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов
- Методика измерения и оценка метрологических характеристик экспериментальной установки
- Исследование характеристик программно- измерительного модуля установки
Введение к работе
В наши дни процесс стадии разработки и создания эталонов напряжения постоянного тока на эффекте Джозефсона фактически завершён. Такие эталоны используются практически во всех странах мира, имеющих национальные метрологические центры. Более того, в ряде промышленно развитых стран некоторые коммерческие предприятия так же оснащены джозефсоновскими эталонами вольта.
В России завершается процесс создания эталонов вольта на эффекте Джозефсона. Так, во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева утвержден Государственный первичный эталон вольта ГЭТ 13-89. Он обеспечивает воспроизведение размера вольта с НСП и СКО не более 1-Ю'9 [4]. Во ВНИИМС и ВНИИФТРИ утверждены вторичные эталоны ВЭТ 13-12-99 и ВЭТ 13-І3-01 соответственно. Ведутся работы по созданию сети вторичных эталонов вольта в городах Хабаровске, Иркутске, Новосибирске.
В то же время существует потребность в аппаратуре нового поколения для точного воспроизведения и измерения как формы, так и амплитуды напряжения переменного тока, определяемая нуждами метрологического обеспечения современных высокоточных систем сбора, анализа и регистрации информации в геофизике, акустике, гидроакустике, радиотехнике, системах телекоммуникаций.
В России метрологическое обеспечение средств измерений напряжения переменного тока в частотном диапазоне 0,01 Гц -н 30 МГц осуществляется в соответствии с Государственной поверочной схемой по МИ 1935-88. Во глазе этой поверочной схемы находится Государственный специальный эталон единицы напряжения переменного тока ГЭТ 89-75 (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева) имеющий следующие характеристики:
частотный диапазон 20 Гц - 30 МГц, диапазон напряжений 0,1 - 10 В, НСП ПО" -3-Ю"4, 003 510^-5105.
Для расширения частотного диапазона в область инфранизких частот (0,01 -20)Гц, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были разработаны и изготовлены две поверочные
установки - АРМП ИЗЧ. Они используются во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и РОСТЕСТ-Москва как рабочие эталоны 2-го разряда в диапазоне частот 0,01-^90 Гц с пределом допускаемой погрешности 0,025-2,5%-
По мнению ряда экспертов, необходимый прогресс в повышении точности электрических измерений переменного низкочастотного напряжения в десять и более раз следует ожидать в разработке и создании аппаратуры нового поколения на эффекте Джозефсона [5,6,13]. Такие работы ведутся в NIST (США), РТВ (Германия), ETL (Япония), VTT (Финляндия), KRJSS (Ю.Корея) и др.
Так, в конце 2001 г. стартовал 4-х летний европейский проект по созданию синтезатора напряжения произвольной формы на эффекте Джозефсона, (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, JAWS Project) [8]. В этом проекте участвуют такие страны как Нидерланды, Германия, Англия, Франция, Словения, Швеция и др. Мировой интерес и актуальность проблемы может подчеркнуть тот факт, что на последней конференции по прецизионным электромагнитным измерениям СРЕМ-2002 (16-21 июня 2002 г. Канада, Оттава) было представлено 14 работ по синтезаторам сигналов переменного напряжения на эффекте Джозефсона, в том числе три работы от ВНИИФТРИ.
Таким образом, разработка новых высокоточных измерительных систем на основе эффекта Джозефсона для решения задач метрологического обеспечения средств измерений сигналов переменного низкочастотного напряжения является важной актуальной проблемой.
Цель работы. Целью данной работы является комплексное исследование возможности построения прецизионных средств измерения низкочастотного переменного напряжения на основе цепочек сильно шунтированных переходов Джозефсона, изготовленных по
технологии SINIS (сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор -сверхпроводник), разработка схемотехнических решений, обеспечивающих электромагнитную совместимость цифровых элементов и узлов системы управления синтезатора напряжения с джозефсоновской интегральной схемой, а также создание и исследование установки, которая может быть использована как для воспроизведения, так и измерения параметров сигналов переменного низкочастотного" и инфранизкочастотного напряжения.
Научная новизна.
Впервые выполнены исследования экспериментальных образцов джозефсоновских интегральных схем с двоичными группами сильношунтированных переходов типа SINIS с частотой СВЧ смещения 10 ГГц и показана возможность построения на их основе высокоточных синтезаторов переменного напряжения.
Впервые проведены точные измерения напряжения цепочки джозефсоновских переходов типа SFNIS относительно эталона ВЭТ 13-13-01.
Впервые разработана, изготовлена и исследована установка для воспроизведения сигналов переменного низкочастотного напряжения на основе джозефсоновской интегральной схемы с двоичными секциями, работающая в диапазоне частот 0 -н 20 Гц.
Практическая значимость и реализация результатов.
Настоящая диссертация связана с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых центром физико-химических и электрических измерений (ЦФХЭИ) ГП "ЗНИИФТРИ". Разработанная установка используется во ВНИИФТРИ для проведения дальнейших исследований по созданию высокоточных средств измерений переменного напряжения на эффекте Джозефсона. Результаты
разработки узлов СВЧ системы и криозонда и результаты точного измерения напряжения цепочки SINIS джозефсоновских переходов использованы при разработке и утверждении ВЭТ 13-13-01. Результаты разработки электронных блоков и схем для точного измерения постоянного напряжения использованы при разработке рН - метра первого разряда. Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на научно -технической конференции "Молодые метрологи - народному хозяйству России" (25.10-29.10 1999 г., Москва), XXVI и XXVII научно-технических конференциях молодых ученых-военных метрологов "Актуальные задачи военной метрологии" (22.05.2001 г. и 9.04.2002 г., Мытищи), на рабочем семинаре Евро-Азиатского геофизического общества (ЕАГО) "Современное состояние и направления развития метрологического обеспечения в разведочной геофизике" (17.04-18.04 2001 г. Москва), международной конференции СРЕМ-2002 (16-21 июня 2002 г. Канада, Оттава), IV Всероссийской научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации" (19-22 ноября 2002г. ЦДО "Подмосковье")
Личный вклад автора
Работа выполнена в лаб. 630 ЦФХЭИ ГП "ВНИИФТРИ". Личный вклад автора
заключается в проведении экспериментальных исследований джозефсоновских
микросхем, разработке и создании установки. Автором предложены и исследованы
способы и схемотехнические решения переключения напряжения джозефсоновских ИС,
проведена оценка погрешностей измерений.
На защиту выносятся:
Результаты исследования джозефсоновских схем, изготовленных по технологии SINIS,
показывающие возможность построения на их основе квантовых синтезаторов
переменного напряжения. в Техническое решение, состоящее в использовании гальванически изолированных
источников тока, присоединенных к двоичным сегментам джозефсоновской схемы к
интегральных быстродействующих аналоговых ключей, шунтирующих источники
тока, обеспечивает воспроизводимое переключение напряжения джозефсоновской микросхемы с частотой до 1 МГц. Результаты исследования установки на основе 9-ти битной джозефсоновской
интегральной схемы, подтверждающие следующие её основные метрологические характеристики:
погрешность воспроизведения единицы напряжения постоянного тока не более 5-Ю"5 % при работе установки в режиме калибратора напряжений;
погрешность воспроизведения единицы напряжения переменного
синусоидального тока в диапазоне частот 0,001 * 20 Гц не более 0,01%, при работе
установки в режиме синтезатора переменного напряжения.
Структура и содержание диссертационной работы. Диссертация состоит из трёх
глав, после каждой делаются краткие выводы. В главе 1 анализируются преимущества и
недостатки основных способов построения высокоточных синтезаторов переменного
напряжения на эффекте Джозефсона, в частности:
на основе цепочки джозефсоновских переходов с переключаемыми двоичными секциями с фиксированной частотой синусоидального СВЧ смещения;
на основе цепочки джозефсоновских переходов смещённых последовательностью пикосекундных импульсов с переменной частотой следования;
- на основе цифровой RSFQ-логической схемы (Rapid Single Flux Quantum),
использующей принцип двоичного умножения SFQ импульсов;
- а также оригинальный способ на основе широтно-импульсной модуляции выходного
напряжения цепочки сильношунтированньгх джозефсоновских переходов под
действием модуляции СВЧ мощности накачки цепочки.
Обозначены возможные частотные диапазоны и погрешности воспроизведения напряжения для каждого типа синтезатора. В первой главе приведен анализ и обсуждение теоретических и экспериментальных результатов, полученньгх на момент написания
/
диссертации ведущими в этой области метрологическими лабораториями. Отмечен ряд актуальных нерешенных вопросов, касающихся принципа работы и реализации построения квантовых синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона. На основании проведенного анализа для построения установки, работающей в низкочастотной области, выбрана схема на основе джозефсоновской цепочки с переключаемыми двоичными секциями, к тому же, к этому времени РТВ были изготовлены экспериментальные образцы джозефсоновских интегральных схем с двоичными группами переходов.
Синтезатор напряжения, управляемый серией импульсов (дельта-сигма цифро-аналоговый преобразователь на эффекте Джозефсона)
Синтезатор напряжения, описанный выше, на основе цепочки сильношунтированных переходов Джозефсона с двоичными секциями вполне пригоден для быстрого программирования уровней постоянного напряжения в таких приложениях как I) калибровка источников постоянного напряжения и цифровых вольтметров и 2) определение характеристик коммерческих ЦАП и АЦП. Однако конечное время переключения тока смещения выбранных сегментов и переходные процессы вносят неопределенность в синтезируемый сигнал [15], что ограничивает сверху частотный диапазон таких устройств. Поэтому в настоящее время так же разрабатываются альтернативные подходы к синтезу переменного напряжения на эффекте Джозефсона,
Принцип работы синтезатора Вместо программирования выходного напряжения джозефсоновской цепочки путем изменения номера ступеньки N в соотношений V=Nf/Kj, того же результата можно достичь, изменяя частоту / Однако, в случае синусоидального СВЧ возбуждения, амплитуда ступеньки В АХ быстро схлопывается до нуля при изменении частоты [18]. Это означает, что практически, управлять выходным напряжением изменяя частоту, можно лишь в небольших пределах, где-то 10 20 % от оптимальной частоты fc=lcR,\ Kj„ где #lV - нормальное сопротивление перехода. В работах [15,18] Бенз и др. показали, что если синусоидальное возбуждение заменить импульсным, то амплитуда ступеньки не зависит от частоты следования импульсов для всех частот ниже Оптимальная ширина импульса г = 1/(2jtfj. Рисунок 1.4 иллюстрирует вычисленные значення границ первой ступеньки для перехода с синусоидальной накачкой (заштрихованная область) и импульсной накачкой (черная область). Примечательно, что амплитуда ступеньки при импульсной накачке велика, симметрична относительно нуля и независима от частоты на всем протяжении до нулевой частоты. Фактически, если есть возможность менять полярность импульсов, цепочка будет генерировать как положительное, так и отрицательное напряжение.
Динамика сильноигунтированных переходов Джозефсона, облучаемых прямоугольными импульсами, была рассмотрена в работе Kim, Sosso, Clark [9] на примере численного решения. Для случая облучения цепочки последовательностью импульсов в виде дельта функции, подробно вопрос был исследован в работе В.М. Бухштабера, О.В.Каргсова, СИ. Тертычного [19J. Результаты подтверждают, что ступенька ВАХ симметрична относительно нуля только при дау-псдярньгх импульсах накачки, в случае же однополярных импульсов симметрия нарушается.. В этой работе серия импульсов представлена в виде суммы & функций Дирака и найдено точное аналитическое решение. Такое представление оправдано, если речь идет об импульсах с длительностью много меньшей {IeRNKj)A. В частности в [19] показано, что условия захвата фазы параметра порядка (наличие квантовых ступенек ВАХ) могут быть записаны в виде неравенства \D\ 1, где D = cosh — Гу! - Q cosщ] - г -л sinhj — 7yl - fQ2 sin щ (1.1) в случае однополярных импульсов / о - to- 2тц/Т, и О- -Т Л -Щ (1.2) cosh[-r /l-;02 І-cosh (-Г -r)Jl -i02 2 v v t І -/2 z /і і 0 в случае двухполярньгх импульсов накачки. Здесь Т -период следования импульсов, /р-безразмерный постоянный ток смещения, q\- заряд, переносимый импульсом, г- сдвиг между двухполярными импульсами. Графически эти зависимости показаны нарис. Ь5.
Диаграммы рис. 1.5 могут быть использованы для построения ВАХ джозефсоновских переходов. В частности, из рис. L5 видно, что начиная с некоторой частоты, ширина и местоположение ступенек ВАХ перехода практически не зависят от периода следования импульсов. Кроме того, ВАХ перехода для однополярных импульсов является асснметричнон.
В работе [20] этих же авторов показано, что при изменении условий накачки (период следования, амплитуда импульсов, ток смещения іо) в цепи джозефсоновского перехода возникают переходные процессы, которые затухают со скоростью ехр(- ШІТ), где 1og Т\—Г=Г= D-как и ранее определена выражениями (1-ї) и (1.2). Переходные процессы приводят к тому, что появляется дополнительный набег фазы ф, который со временем экспоненциально уменьшается. Этот дополнительный набег фазы р приводит к погрешности при воспроизведении напряжения на переходе Джозефсона. Для уменьшения этой погрешности необходимо увеличить интервал времени между переключениями параметров сигнала накачки. Это, приводит к ограничению максимальной частоты синтезируемого сигнала при заданной точности синтезируемого сигнала.
Если в дополнение к существующей последовательности (5-импульсов накачки перехода добавить еще 5-импульсы с амплитудой 2"2лл, то моделирование показывает, что переходные процессы при переключениях амплитуды n = 0, ±1 не возникают [20]. В то же время средний набег фазы, а стало быть, среднее напряжение на переходе Джозефсона, будет равен Ы \Дг/ Т где Д = № 1, Ро — разрядность последовательного кода 2 л- им пульсов, р-текущий номер 2ж-импульса в коде, пр = 0, ±1 - амплитуда 2л импульса, угловые скобки означают усреднение по времени Тус = lAt, Д/= PQT, 1= 0,1,2,..
Синтезатор напряжения с широтно-импульсной модуляцией на основе цепочки сильношунтированных джозефсоновских переходов
Как было показано в параграфе 1.1 этой главы, основным ограничением практического построения синтезаторов переменного напряжения на эффекте Джозефсона с переключением тока в двоичных секциях является конечное время (порядка - 1 мкс) переключения между квантовыми ступеньками напряжения. Этот факт практически линейно снижает точность среднеквадратичного значения генерируемого сигнала с повышением синтезируемой частоты. Отсюда и частотный диапазон такого устройства: постоянный ток - сотни герц.
Для синтезатора на основе накачки джозефсоновской цепочки серией импульсов, сдерживающим фактором является трудность реализации широкополосного согласования подводящих линий, и, возможно, некоторые трудности теоретического характера. Поэтому, актуальной задачей остается поиск возможностей быстрого переключения между ступеньками напряжения в джозефсоновских структурах.
В ходе экспериментов с цепочками снльношунтированных джозефсоновских переходов, которые подробно описаны в следующей главе, нами был найден альтернативный путь переключения между квантовыми ступеньками напряжения.
На рисунке 1.13 схематично показаны две вольт-амперные характеристики цепочки снльношунтированных переходов Джозефсона, наблюдающиеся при двух различных уровнях синусоидальной СВЧ мощности накачки P-Pt и Р=?2- Причем Рз Р/ т Рг & 0. Из рисунка видно, что при одном и том же постоянном токе смещения // меньшем 1С , существуют две квантовые ступеньки Шапиро с номерами т = 0нт = +1в зависимости от приложенной мощности Р. Пример наглядно показывает, что за счет изменения синусоидальной СВЧ мощности накачки при фиксированном постоянном токе смещения цепочки, возможно переключение между соседними квантовыми ступеньками напряжения. Таким образом: за счет переключения облучающей микроволновой мощности с уровня Р\ на уровень /S, и наоборот, с периодом следования Т, возможно получение іш цепочке импульсного, либо широтно-модулированного выходного напряжения с фундаментальными уровнями.
Пусть этот процесс характеризуется двумя промежутками времени: і; и г;, которые соответствуют времени когда микроволновая мошиость равна Pt и / соответственно. В этом случае период следования Т импульсного напряжения Vj на выходе цепочки эквивалентен г і + Т2- Выходное напряжение VQ достигается за счет интегрирования (усреднения) прямоугольных импульсов Vj при помощи ФНЧ (рис. 1.14) и определяется отношением гУГ.
Рис, 1.14 Широтно-модулированное напряжение на джозефсоновской цепочке (а) и то же напряжение после сглаживания фильтром (б)
Описанная процедура гарантирует синтез униполярного напряжения. Для синтеза биполярного напряжения необходимо реверсирование полярности тока смещения синхронно с изменением полярности синтезируемого сигнала. Эти переключения необходимо осуществлять во время, когда импульсное выходное напряжение Vj - 0 , т.е во время Р = Pf (на широкой, пересекающей ось нулевого тока квантовой ступеньке, соответствующей минимальному уровню СВЧ мощности).
Примечательно, что время переключения тока смещения Атос может быть много больше, чем время переключения микроволновой мощности АтМр , поскольку АТМР должно быть много меньше, чем период Т. В то же самое время, моменты, когда полярность тока смещения должна переключиться, Атос может быть эквивалентно периоду Г.
Возможность синтезирования биполярных сигналов особенно важна при абсолютных измерениях уровней напряжения. Поскольку позволяет избавиться от величины термо ЭДС, составляющей порядка (10 5 - Ю"9)В, и неизбежно возникающей при работе с криогенной техникой. В приложениях требующих лишь точных относительных уровней или спектрального состава, достаточно однополярных сигналов.
Таким образом, данная идея построения ШИМ ЦАП на эффекте Джозефсона, может быть реализована, поскольку на современной элементной базе возможно изготовление быстродействующих модуляторов микроволновой мощности. Точного же установления уровней микроволновой мощности Р не требуется.
На рис. 1,15 изображена схема предложенного нами ШИМ ЦАП на эффекте Джозефсона (приоритетная справка на изобретение № 2001 11 6626 от 20 июня 2001 г.). Данное устройство содержит разделенную на бинарные сегменты (не обязательное условие) цепочку сильно шунтированных джозефсоновских переходов 1, генератор синусоидальной СВЧ мощности накачки 2, управляемый источник постоянного тока смещения цепочки 3, генератор цифрового кода 4, высокостабильный источник частоты 5, управляемый модулятор мощности СВЧ 6, и фильтр нижних частот 7.
Методика измерения и оценка метрологических характеристик экспериментальной установки
Конструкция криогенного зонда SIS микросхемы изображена на рис. 2.10(6). Джозефсоновская микросхема изготовлена по технологии Nb/AbCVNb. Держатель микросхемы состоит из основания, отрезка волновода сечением 3.1 х 1.55 мм для подведения СВЧ мощности к микросхеме и контактной платы. С одной стороны волновода припаян фланец для присоединения к волноволному тракту, с другой стороны, в середине широких стенок волновода выфрезерована продольная 59 щель, в которую вставляется микросхема. Пластина микросхемы прижимается к основанию держателя с помощью переходной платы, изготовленной из фольгиро ванно го стеклотекстолита. Прижимные контакты к микросхеме, выполненные из оловянно свинцового припоя, и токо про водящие луженые дорожки на плате обеспечивают сверхпроводящий (при низких температурах) контакт к микросхеме токовых и потенциальных проводов (отобранные по .минимуму термо-ЭДС одножильные обмоточные провода с эмалевой изоляцией).
Наружным кожухом криозонда также служит трубка из нержавеющей стали диаметром 22 мм и толщиной стенки 0.3 мм. К нижнему концу трубки, так же как и для 10-гигагерцового зонда, припаян экран из криогенного пермаллоя. К верхнему концу трубки припаян фланец, с помощью которого она герметично соединяется с крышкой, в которую впаяны трубки из нержавеющей стали наружным диаметром 14 и 3 мм. Трубка диаметром 14 мм служит сверхразмерным цилиндрическим волноводом для СВЧ ихлучения, две трубки диаметром 3 мм использовались, как и ранее, для экранирования потенциальных и токовых проводов. К нижнему концу циллиндрического волновода припаян волноводный переход на прямоугольное сечение с размерами 3.10 х 1.55 мм2. Форма внутренней поверхности перехода Представляет собой комбинацию конуса и прямоугольного канала. Это позволило избежать гальванических процессов при его изготовлении, применив только токарные и фрезерные операции.
Переход заканчивается фланцем, к которому через фторопластовую прокладку присоединяется держатель джозефсоновской микросхемы. На верхнем конце цилиндрического волновода расположен волноводный поворот на 90 квазиоптического типа. Он заканчивается волноводным переходом, аналогичным описанному выше, но с выходом на сечение канала 3.6 х 1.6 мм , используемое в отечественной аппаратуре в 4-миллиметровом диапазоне длин волн. Переход оканчивается фланцем со стандартными присоединительными размерами, с помощью которого криозонд через фтооопластовую прокладку присоединяется к СВЧ системе. Такая конструкций волноводного тракта обеспечивает прохождение СВЧ излучения к джозефсоновской микросхеме с ослаблением дБ. На верхней крышке криозонда имеется коробка из дюралюминия с выфрезерованными в ней отсеками, в которых располагались элементы защитных низкочастотных ІС-фильтров. Провода от джозефсоновской микросхемы соединяются пайкой с С-фильтрами. Выходы ІС-фильтров разделены на два разъема: один использовался для подключения к блоку наблюдения ВАХ, другой - для вывода эталонного напряжения.
В установке использовались серийные СВЧ генераторы: Г4-142 диапазона 53-78 ГГц на лампе обратной волны и Г4-І11 диапазона 7-18 ГГц на клистроне. Частоты обоих генераторов синхронизировались посредством системы фазовой автоподстройки частоты, собственной разработки, [37] к рубидиевому стандарту частоты СЧВ-74 с шагом перестройки 70 МГц, с возможностью смещения на 30 МГц, и 5 МГц при синхронизации по зеркальному каналу для Г4-142 и Г4-111 соответственно. Частота накачки SINIS микросхемы составляла /= 10.045 ГГц, что соответствует напряжению, генерируемому цепочкой, Us = kf/Kj =10.572636895 мВ при к = 509. Частота накачки SIS микросхемы, генерирующей напряжение Uj = 10.571158394 мВ, составляла/= 70.03 ГГц (номер рабочей ступеньки к = 73). Таким образом, необходимо было измерить теоретическую разность между напряжениями генерируемыми цепочками A(J= 1.4785 мкВ.
Система измерения постоянного напряжения состояла из МДМ-усилителя постоянного тока компаратора Р-3003, с коэффициентом усиления 1000, на вход которого через механический коммутатор подавался разностный сигнал с цепочек, а так же автоматизированной системы регистрации на основе 24-разрядного АЦП с оптронной развязкой для цифровых линий управления. Система калибровалась при помощи меры напряжения МН-3.
Если собственный шум измерительной системы имеет распределение близкое к нормальному и легко усредняется, то временной дрейф нулей и термо-ЭДС добавляют компоненту типа \/f, и способны существенно усложнить процедуру точного измерения напряжения. Если ошибка усиления детектора и нелинейность поддаются измерению, и в случае необходимости могут быть учтены, то основной вклад в случайную погрешность измерения, конечно же, будут вносить дрейф нулей и термо-ЭДС.
Перед измерениями проводилась проверка линейности, выступающих в роли детекторов вольтметра Щ31 и блока АЦП относительно компаратора Р3003 откалиброванного по мере напряжения, а так же проверка коэффициента усиления компаратора РЗООЗ. Так, разброс значений напряжения из за нелинейности вольтметра Щ31, практически используемого в качестве детектора (нуль-индикатора) эталона вольта, в диапазоне выходного напряжения усилителя компаратора ( ± 0,5 В) составила не хуже 10 5 В, а блока АЦП, не хуже 2 10 5 , что при пересчете с коэффициентом усиления Ку = 1000, даст 10"8 В, и 2»10"8 В, или 10 нВ и 20 нВ для Щ31 и АЦП соответственно. Этого вполне достаточно по следующей причине:
Как сказано выше, в установке измеряемое напряжение (разность напряжений генерируемых цепочками) через коммутатор на механических переключателях подается на вход компаратора Р-3003, включенный на предел измерений 1мВ, и с его цифрового выхода снимается усиленное, соответственно, в 1000 раз. Компараторы данного типа в зависимости от серии и года выпуска имеют несколько различающиеся параметры, в частности размах собственного шума в таком случае может иметь значение от 30 до 70 нВ, и даже более у образцов выпуска времен "перестройки", например 1991 года, что больше чем погрешность связанная с нелинейностью детектора.
Исследование характеристик программно- измерительного модуля установки
Выбор режима работы, настройка параметров н включение режимов измерений (рис.3.9) Генерация сигналов с помощью файла функции: В этом режиме пользователь может записать в память микроконтроллера из библиотеки функций, хранящейся в памяти ПК (сгенерированный программой DIGM.EXE), файл функции или его часть, состоящую из отдельных отсчетов этой функций (максимальное число = 16000 16-ти битных отсчетов), которые далее управляют двоичной цепочкой джозефсоновских переходов. При включенном режиме генерации сигналов с внутренней синхронизацией, микроконтроллер выдает параллельный код с отсчетами функции управляющий включением тока в соответствующих бинарных сегментах цепочки. Напряжение, синтезированное джозефсоновской схемой, поступает на вход АЦП системы управления AD7710, при этом частота следования отсчетов определяется установленной в режиме настройки частотой дискретизации АЦП (которая в свою очередь может синхронизироваться либо по кварцевому резонатору, находящемуся на плате АЦП, либо по внешнему стабильному сигналу от рубидиевого стандарта частоты). Данный режим может использоваться для низкочастотных измерений и калибровки встроенного АЦП Рис, 3,9 Окно выбора режима измерений
В режиме генерации сигналов с внешней синхронизацией частота следования отсчетов функции задается внешним источником тактовых импульсов. При этом сигнал внешнего тактирования подается на вход "ВНЕШНИЙ ЗАПУСК" находящийся на задней панели блока системы управления. Этот режим может использоваться для снятия характеристик и калибровки внешних приборов.
В режиме независимой генерации устройство работает как генератор функций сигнала с частотой следования отсчетов, задаваемой программно. На данный момент наивысшая частота выдачи отсчетов сигнала составляет 50 000 Гц.
Исходные файлы функций для установки, как сказано выше, генерируется при помощи специально разработанной программы - цифрового генератора тестовых сигналов с требуемыми параметрами DIGM.EXE.
Режим измерения вольт-амперных характеристик предусмотрен для снятия ВАХ как всей цепочки джожефсоновских переходов, так и ее отдельных сегментов, используется преимущественно при настройке режимов работы синтезатора.
Используя режим включение и выключение каналов со знаком можно вручную включать ток в том или ином сегменте джозефсоновской цепочки, устанавливая рабочую точку на необходимую квантовую ступень, т.е, непосредственно задавать выходное напряжение джозефсоновской цепочки. Таким образом, устройство в данном режиме работает как калибратор, или программируемый источник напряжения на эффекте Джозефсона.
Исследование характеристик ПО проводилось путём их непосредственного определения по модельным реализациям сигналов с известными значениями задаваемых параметров. Для получения средних квадратических отклоненией (СКО) погрешностей определения параметров У и Л был применён процесс статистического моделирования в соответствии с МИ 2517-99 (метрологическая аттестация программного обеспечения средств измерений параметров физических объектов и полей с использованием компьютерных программ генерации цифровых тестовых сигналов) и МИ 2518-99 (метрологическая аттестация алгоритмов и программ генерации цифровых тестовых сигналов), состоящий из программно организованных циклов моделирования и обработки реализаций, накопления результатов и их последующей статистической обработки. Полученные результаты представлены далее в виде графиков, рис.3 Л О, 3.11..
На рис.3.10 приведён график зависимости СКО У (линии а) и СКО (линии б) от отношения сигнал/шум при максимальном сигнале для реализаций различной длины. На рис.3.11 приведён график зависимости тех же параметров от длины реализации для различных отношений сигнал/шум.
Зависимость СКО относительных погрешностей определения параметров / (частоты), линии а и (амплитуды) от отношения сигнал/шум. Л/-число отсчётов в реализации
Моделирование и обработка проводились с учётом пяти гармоник при коэффициенте гармоник равном 0.01%. Модель шума - нормальный белый шум. Число циклов моделирование-обработка (число выборочных значений параметров для статистики) равнялось 500 - 1000.
Полученные на графиках линейные зависимости СКО в логарифмическом масштабе соответствуют зависимости в виде степенных функций исходных аргументов- Исследоаание графиков показывает, что квадрат СКО погрешности амплитуды основного тона обратно пропорционален отношению сигнал/шум и числу отсчётов в реализации сигнала. Такую зависимость можно было ожидать, рассматривая квадрат СКО как статистическую оценку дисперсии. Другие зависимости СКО от заданных значений параметров менее очевидны; однако применение статистического моделирования даёт возможность получения погрешностей ПО при различных значениях параметров сигнала, что окажется полезным при исследовании реализаций натурных сигналов.
