交流约瑟夫森电压标准系统的介绍
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交流直流电压AC
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2. 齐纳管电压标准
原理 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标准（也称 为固态电压标准）。
齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳 定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。
将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源， 如LM199/299/399、REF系列。
5.2 电压标准
5.2.1 直流电压标准
电压和电阻是电磁学中的两个基本量。 电压基准和电阻基准——〉其他电磁量基准。 电压标准有：
1)标准电池（实物基准， 10-7）； 2)齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6）； 3)约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）。 电阻标准有： 1)精密线绕电阻（实物标准）； 2)霍尔电阻基准（量子化自然基准，10-9）。
6
5.1.2 电压测量的方法和分类
4）基于采样的交流电压测量方法
交流电压--〉A/D转换器--〉瞬时采样值u(k) --〉计算， 如有效值
V
1
N
u2 (k )
N k 1
式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。
5）示波测量方法
交流电压--〉模拟或数字示波器--〉显示波形--〉读出结 果
7
The End
1
二、电压测量的特点
1.频率范围广：零频（直流）～109Hz 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。
2.测量范围宽 微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）； 超高压信号：电力系统中，数百千伏。
3.电压波形的多样化 电压信号波形是被测量信息的载体。 各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯 形波；随机噪声。
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5.2.2 高频电压标准
2. 齐纳管电压标准
原理 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标准（也称 为固态电压标准）。
齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳 定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。
将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源， 如LM199/299/399、REF系列。
5.2 电压标准
5.2.1 直流电压标准
电压和电阻是电磁学中的两个基本量。 电压基准和电阻基准——〉其他电磁量基准。 电压标准有：
1)标准电池（实物基准， 10-7）； 2)齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6）； 3)约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）。 电阻标准有： 1)精密线绕电阻（实物标准）； 2)霍尔电阻基准（量子化自然基准，10-9）。
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5.1.2 电压测量的方法和分类
4）基于采样的交流电压测量方法
交流电压--〉A/D转换器--〉瞬时采样值u(k) --〉计算， 如有效值
V
1
N
u2 (k )
N k 1
式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。
5）示波测量方法
交流电压--〉模拟或数字示波器--〉显示波形--〉读出结 果
7
The End
1
二、电压测量的特点
1.频率范围广：零频（直流）～109Hz 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。
2.测量范围宽 微弱信号:心电医学信号、地震波等,纳伏级（10-9V）； 超高压信号：电力系统中，数百千伏。
3.电压波形的多样化 电压信号波形是被测量信息的载体。 各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯 形波；随机噪声。
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5.2.2 高频电压标准
约瑟夫森结的原理和应用
约瑟夫森结的原理和应用1. 约瑟夫森结的原理约瑟夫森结(Josephson junction)是一种在超导体中产生和探测微小电流的装置。
它是由两个超导体之间插入一层非超导体材料而形成的。
当约瑟夫森结被置于超导电路中时，它可以表现出一些非常有趣和重要的物理现象。
约瑟夫森结的原理可以通过基本的超导电子理论解释。
超导电子在超导体中组成了配对的库珀对，这些电子对可以通过库伯对隧穿到另一边。
当约瑟夫森结中施加电压时，这些电子可以通过约瑟夫森结的非超导层隧穿，并在超导电路中形成一个电流环。
2. 约瑟夫森结的应用约瑟夫森结在许多领域中都有着广泛的应用。
以下是约瑟夫森结的一些主要应用：2.1 量子比特约瑟夫森结可以用作量子比特的基础。
量子比特是量子计算中的基本单位，类似于经典计算机中的比特。
通过控制约瑟夫森结的电流量和相位，可以实现量子比特的操作和控制，从而实现量子计算。
2.2 交流电压标准约瑟夫森结可以用作交流电压标准。
由于约瑟夫森结对电压的依赖关系很好地满足了量子效应的精确性要求，因此可以将其作为电压的参考标准。
这使得约瑟夫森结在科学研究和工程应用中具有重要的意义。
2.3 超导量子干涉仪约瑟夫森结也可以被用作超导量子干涉仪的关键元件。
超导量子干涉仪是一种利用超导电子的量子干涉效应来测量微小物理量的装置。
通过控制约瑟夫森结的相位，可以改变干涉图样，从而实现高精度的物理量测量。
2.4 单光子检测器约瑟夫森结还被广泛应用于单光子检测器中。
单光子检测器是一种用于探测光子的装置，可以实现高灵敏度和高时间分辨率。
约瑟夫森结的超导性和量子隧穿效应使其成为实现单光子检测器的理想选择。
2.5 量子隧穿器件除了以上应用外，约瑟夫森结还可以应用于量子逻辑门和量子隧穿器件的制备。
量子逻辑门是实现量子计算中的逻辑操作的元件，而量子隧穿器件是利用量子隧穿效应来控制和操纵量子态的装置。
约瑟夫森结在这些应用中具有重要的角色。
3. 总结约瑟夫森结作为一种特殊的超导电子装置，在量子计算、交流电压标准、量子干涉仪、单光子检测器以及量子隧穿器件等领域中有着重要的应用。
基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究_朱珠
表1 交流电压标准特性对照表 波形合成法 约瑟夫森结类型 输出电压（ max） 输出信号 输出频率（ max） 测量不确定度 二进制结 10V 离散信号 2kHz 脉冲调制法 脉冲可编程结 几百毫伏 连续信号 30MHz［3］
［ 2］ Ralf Behr． Synthesis of Precision Waveforms Using a SINIS Josephson Junction Array ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005 ， 54 （ 2 ） ． ［ 3］ Samuel P． Benz． Pulse － Driven Josephson Digital / Analog Converter ［ J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 1998 ， 8 （ 2） ． ［ 4］ Clark A． Hamilton． AC Josephson Voltage Standard： Progress Report ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1997 ， 46 （ 2 ） ． ［ 5］ Charles J． Burroughs，AC Josephson Voltage Standard Error Measurements and Analysis ［J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2003 ， 52 （ 2） ． ［ 6］ C． A． Hamilton． Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1995 ， 44 （ 2 ） ． ［ 7］ S． P． Benz，P． D． Dresselhaus，C． J． Burroughs et al． Precision measurements using a 300 mV Josephson arbitrary waveform synthesizer ［ J］ ． IEEE Trans． Appl． Supercond． ， 2007． ［ 8］ J． M． Williams，D． Henderson，P． Patel et al． Achieving sub － 100 － ns switching of programmable Josephson arrays ［J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ，2007 ，56 （ 2 ） ： 651 ～ 654． ［ 9］ L． Palafox，G． Ramm，R． Behr et al． Primary ac power standard based on programmable Josephson junction arrays ［ J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ， 2007 ， 56 （ 2 ） ： 534 ～ 537． ［ 10］ C． J． Burroughs，P． D． Dresselhaus，et al． Design of the NIST 10V programmable Josephson voltage standard system ［ C］ ． Conf． Digest CPEM2010 ， 2010．
［ 2］ Ralf Behr． Synthesis of Precision Waveforms Using a SINIS Josephson Junction Array ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005 ， 54 （ 2 ） ． ［ 3］ Samuel P． Benz． Pulse － Driven Josephson Digital / Analog Converter ［ J］ ． IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 1998 ， 8 （ 2） ． ［ 4］ Clark A． Hamilton． AC Josephson Voltage Standard： Progress Report ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1997 ， 46 （ 2 ） ． ［ 5］ Charles J． Burroughs，AC Josephson Voltage Standard Error Measurements and Analysis ［J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2003 ， 52 （ 2） ． ［ 6］ C． A． Hamilton． Josephson D / A Converter with Fundamental Accuracy ［ J］ ． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1995 ， 44 （ 2 ） ． ［ 7］ S． P． Benz，P． D． Dresselhaus，C． J． Burroughs et al． Precision measurements using a 300 mV Josephson arbitrary waveform synthesizer ［ J］ ． IEEE Trans． Appl． Supercond． ， 2007． ［ 8］ J． M． Williams，D． Henderson，P． Patel et al． Achieving sub － 100 － ns switching of programmable Josephson arrays ［J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ，2007 ，56 （ 2 ） ： 651 ～ 654． ［ 9］ L． Palafox，G． Ramm，R． Behr et al． Primary ac power standard based on programmable Josephson junction arrays ［ J］ ． IEEE Trans． Instrum． Meas． ， 2007 ， 56 （ 2 ） ： 534 ～ 537． ［ 10］ C． J． Burroughs，P． D． Dresselhaus，et al． Design of the NIST 10V programmable Josephson voltage standard system ［ C］ ． Conf． Digest CPEM2010 ， 2010．
SQUID(超导量子干涉仪)
x y
Supercon.2 Ψ2
2qB0 d
z
y )(d t 2a)
2qB0 d y) I c sin qB0 dLy sin(2 1 )
Isolator
dx
Ly
2 Ly 2
dy jc sin(2 1
qB0 dLy
sin(2 1 ) 1 I达到极值,
超导中的磁通量子化
超导体内js=0， Cooper对波函数相位满足
1 2m 2eA [ js 2eA] ns e
取一个回路，作环路积分
.dl
2e
A.dl
2e
B
黄昆《固体物理学》
超导中没有磁场，这就是通过环孔 的磁通量，左端为一周的相位增加， 为使波函数回到同一点不会发生实 质变化于是 B 2n
ns 2 ei2代入，经处理得
j 2q
ns1 4qk ns1 ns 2 sin(2 1 ) jc sin t
在外加电压为零时，有一超导电流，其数 值由位相差决定。 V
交流约瑟夫森效应
Supercon.1 Supercon.2
Ψ1
Ψ2
若在结的两侧加上电压，则方程变为 1 i qV 1 k 2 t
c
b
A.dl J .dl
b
c
2 d c 2 0
代入并整理后得
d
c
A.dl
2 a d 0
a
d
A.dl J .dl
d
a
2 1 2n
i 2 I C cos(
0
各国电压标准
各国电压标准电压标准是指在不同国家和地区，用于供电系统的电压参数规定。
各国电压标准的差异主要是由于历史、经济、技术等方面的原因，而这些差异也给国际贸易和旅行带来了一定的不便。
因此，了解各国电压标准对于国际贸易和旅行者来说是非常重要的。
在国际上，电压标准主要分为两种，交流电压标准和直流电压标准。
交流电压标准是指供电系统中交流电的电压参数，而直流电压标准则是指直流电的电压参数。
接下来，我们将分别介绍一些主要国家和地区的电压标准。
欧洲地区的电压标准主要分为220V和230V两种，其中西欧国家多数采用230V的标准，而东欧国家多数采用220V的标准。
此外，英国和爱尔兰地区采用的是230V的标准。
而在北美地区，美国和加拿大采用的是120V的标准，墨西哥则采用127V的标准。
亚洲地区的电压标准也存在一定的差异。
日本采用的是100V的标准，中国大陆地区采用的是220V的标准，而中国香港地区则采用的是200V的标准。
另外，印度采用的是230V的标准，韩国采用的是220V的标准。
在南美洲地区，巴西采用的是127V和220V两种标准，而阿根廷采用的是220V的标准。
而在非洲地区，南非采用的是230V的标准，埃及采用的是220V的标准。
除了上述国家和地区之外，还有一些国家和地区采用了其他特殊的电压标准。
例如，澳大利亚采用的是230V的标准，新西兰采用的是230V的标准，巴基斯坦采用的是230V的标准，俄罗斯采用的是220V的标准。
总的来说，各国电压标准的差异主要是由于历史、技术和经济等方面的原因所致。
了解各国电压标准对于国际贸易和旅行者来说是非常重要的，可以帮助他们更好地使用电器设备，并避免因电压不匹配而造成的损坏。
希望本文所述内容能够对读者有所帮助，谢谢阅读！。
约瑟夫森效应
5
6
自由电子经由间接的吸引力结合成库珀电子 对，库珀电子对互相也随着晶格振动产生的 正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也 就没有电阻的产生。
7
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BCS理论可以得到磁通量子化的结论，即磁通 量子的电荷有效单位是2e而不是e。 由于BCS基态涉及的是库珀电子对，所以磁通 量子化中的电子对电荷2e是BCS理论的一个推论 。
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图3-3 Sn-SnOx-Sn结构的电流和电压关系
3.3 直流约瑟夫森效应
图3-4 Sn-SnOx-Sn结的约瑟夫森电流和磁场的关系
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3.3 交流约瑟夫森效应
U i
超导体
i
超导体
薄绝缘势垒
17
3.3 交流约瑟夫森效应
I
V
18
19
The End
19
BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微 观理论，也是目前唯一成功的超导微观理论。 后来，虽然又有了一些形式上的发展和完善， 但基本思想和物理图像则没有更大的改变。
9
3. 约瑟夫森效应
在两片超导中间夹 入一片薄薄的绝缘体， 在没有外加电压的情 况下，仍会有直流电 流通过绝缘体。
如果在超导体两端施上 一固定电压，则居然会出 现交流电流；我们可以从 交流电的频率得到非常准 确的物理常数。
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3.1 电子隧道效应
在经典力学中，若两个空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能 量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。 在量子力学中，一个能量不大的粒子也可能以一定的几率“穿过”势垒，这就 是所谓的隧道效应。 i 绝缘体通常阻挡从一种金属流 向另一种金属的传导电子。如果 阻挡层足够薄，则由于隧道效应 ，电子具有相当大几率穿越绝缘 层。
利用约瑟夫森电压标准装置测量直流电阻分压箱
ｕｅＪｓｐ ｓｎｖｌ ｇ ｔ ｄｒ Ｊ Ｓ ｏｄｒｃｌ ｍ ａｕｅｔ ｏｖｌ ｇ ｓａｄｃｌｕａ ｄｔｅ ｔ ．Ｉ ｓ ｏｅｈ ｏ ｏ ａｅｓ ｎ ａｄ（Ｖ ）ｔ ｉ ｔ ｅｓｒ ｅｔ ｏｔ ｅ ｎ ａ ｌ ｅ ｈ ｉ ｒ ｉ ｔ ｔ ａ ｅ ｙ ｈ ｗ ａ ｃ ｔ ｒ ａｏ源自 分压箱分压 比
Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔｏ ｃ Ｒｅ ｉｔ ｎ ｅ Ｖｏ ｔ ｇ ｖ ｄ ｒ ｗｉｈ ａｕ ｅ ｎ ｆｄ ｓｓ ａ ｃ ｌａ ｅ Ｄｉ ｉ ｅ ｔ
Ｊ ｓ ｐ ｓ ｎ Ｖｏｔ ｇ ｔ ｎ ａ ｄ ｏ ｅ ｈ ｏ ｌ ｅＳ ｄ ｒ ａ ａ
ＹＡＮ ｎ Ｍｉ ｇ
ｃｐｅ ｏ Ｖ ｎ ｃ ｒｓ ｔｎ ｅｖ ｌ ｇ ｉｉｅ ｎ ｈ ｅ ｈ ｏｏ ｙｏ ａ ｕｉｇ ｖ ｌ ｇ ａｉ ｒｅａｓ ｎ ｉｌ ｆ Ｓ ａ ｄ ｄ ｅｉ ａ ｃ ｏｔ ｅ ｄｖｄ ｒａ ｄ ｔｅｔｃ ｎ ｌｇ ｆｍｅ ｓ ｒ ｏｔ ｅ ｒｔ Ｊ ｓ ａ ｎ ａ ｏ，ａ ｌ ｉ— ｏ ｔ ｄ ｃ ｄ ｈ ｒ． Ｊ ａ ａ ｕｅ １ ｏ ａ ｅ ａ ｄ １ ｏｔｇ ｏ ｔ ｕ ｕ ｌ． Ｗ ｉ ｏ ｄ ｄ ｓｇ ｆ ｔｓｉｇ ｒ ｕ ｅ ｅｅ ＶＳ ｃ ｎ ｍｅ ｓ ｒ ０ ｖ ｈ ｇ ｎ ｖ ｌ ｅ ｃ ｎｉ ｏ ｓ ｏ ａ ｎ ｙ ｔ ｇ ｏ ｅｉｎ ｏ ｅｔ ｈ ｎ
方法和步骤 ， 消除了以往测量方法 中引线和其他测试设备 以及电阻温度漂 移的干扰 ， 能够更加准确地测量 出分压箱
的分压 比和线性度等指标 ， 当测量分压箱 比率为 １： 和 １０１ ， ０１ ０ ： 时 测量的不确定度可分别达到 １ １ 和 ３×１ ～。 ×０ ０
关 键 词 约瑟夫森 电压标准
２１ ０ ０年 ８月
宇航 计 测 技 术
基于约瑟夫森效应的交流电压标准研究
１ 引 言
处 于超 导状 态 下 的约 瑟 夫森 结 在微 波辐 照 下 ，
随着科 学 技 术 的 日益 发 展 ， 约瑟 夫 森结 阵 的研 究 得 到长足 发展 ， 加工 工艺 也越来 越成 熟 ， 响应 速 其 度 快 ， 阶电压 宽 ， 能稳 定 可 靠 ， 量 子交 流 电压 台 性 为 标 准 的研究 奠 定 了基 础 。 国际上开 始研究 用约 瑟夫 森效 应直 接复 现交 流 电压 ， 建立 量子 交流 电压标 准 ， 现 已取得 了很 大 进 展 。 目前 ， 国正 在 开 展 约森 夫 我
－
３・ ２
宇航 计 测技 术
２ １ 波 形合成 法 ．
利用 波形合 成法 来实 现约瑟 夫森 交流 电压标 准 所使 用 的超导结 为 二 进 制约 瑟 夫 森结 阵 ， 即各 段 结
阵 的单结 数 量 按 二 进 制 的排 列 为 １ ２ ） １ ２ ） ２ （ 。 ， （ 。 ，
（ ，（ ，（ ， ，Ⅳ ２ ） 阵 列 中共 有 ２ ２）４ ２ ）８ ２ ） … ２．（ ，
ＺＨＵ ｕ ＫＡＮＧ ｎ Ｗ ＡＮＧ ＨＵ ．ｅ Ｚｈ Ｙａ Ｌｕ Ｙｉｆｉ
（ ｅ ｉｇＩｓ ｔ ｅｏ ａｉ Ｍｅ ｏ ｇ ｎ ａｕｅ ｅ ｔ Ｂ ｉｎ ００ ９ Ｂ ｒｎ ｔｕ ｆ ｄｏ ｔ ｌ ｙａｄＭｅｓｒｍ ｎ ， ｅ ｉ １０ ３ ） ｎ ｉｔ Ｒ ｒｏ ｊｇ
文章编 号 ：００ ７０ （０ ２ ３ ０ ３ — ４ １０ — ２ ２ ２ １ ）０ — ０ １ ０
中图分类号 ： Ｍ ３ ． １ Ｔ ９ ３ ２
文献标识码 ： Ａ
基 于 约 瑟 夫 森 效 应 的 交 流 电压 标 准 研 究
朱 珠 康 焱 王 路 胡毅 飞
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成器 方 法就 可 以消 除交 流波 形产 生 时寄 生瞬 态 的影 响 。
本文介绍适用于电压校准达到 １ ０ Ｖ， 频率达到 １ 千
赫兹 情 况 的可编 程 约瑟 夫森 电压 标 准系统 。该 系统是 一 个 交流 量子 电压表 ， 通 过零检 测器 配置下 的快速 数字采样
器（ Ｉ Ｏ Ｍ Ｓ ／ ｓ ） ， 在工业校准实验室中对其性能进行现场测试， 被测对象是 目前最先 进 的福 禄克 ５ ７ ０ ０系列校 准器 ， 该校 准 器被广泛用于计量机构 和校准服务 公 司。分析 校准器 电压 的长期稳定度 以及泄漏 电流对不确定度 的影 响。
几 个福禄克 ５ ７ ０ ０ Ａ系列校准器 ， 其电压为 １ ０ Ｖ， 频率是 ｌ ｋ Ｈ ｚ了解 到该 系统在 工业环境 中的性 能和操作 方法。交流电压 标准的测量 不确定度小于 １ Ｘ１ ０ 关键词 ： 福禄克 ５ ７ ０ ０校 准器 ； 可编程约瑟夫森 电压标准
中图分类号 ： Ｔ Ｍ９ ３ ３ ． ２ 文献标识码 ： Ａ 国家标准学科分类代码 ： ４ ６ ０ ． ４ ０ ３ ０
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ８ ８ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ ４— ６ ９ ４ １ ． ２ ０ １ ６ ． ０ ４ ． ０ １ ５
Ｔｈ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ＡＣ Ｊ ｏ ｓ ｅ ｐ ｈ ｓ ｏ ｎ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
计量与测试技 术》 ２ ０ １ ６丰 第４ ３ 卷 第４期
交流 约 瑟夫 森 电压 标 准 系统 的介 绍
李 安 香
（ 哈尔滨市计量检定 测试 院 ， 黑龙 江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ３ ６ ）
摘
要： 本 文 介 绍 了交 流 约 瑟 夫 森 电压 标 准 系 统 的性 能 。该 系 统 是 一 种 新 型 的交 流 量 子 电压 计 量 装 置 ， 用 于 校 准 常 用 的 直 流 和 交 流 电 压 标 准 。 通 过 测 试
心 的额定 电流 。仪 器 同步 是 必 要 条 件 ， 利 用 快 速 傅 里 叶 变换 从 采样 数据 中评 价 相位 噪声 。
４ 校准 器测 量
交 流 电压校 准器 的测 量不 同于具 有相 同振 幅 和相 位
的阶梯式约瑟夫森波形。该系统采用约瑟夫森波形每周
期２ ０步 的方 式近 似 正 弦 波 。这 样 从 大 量 的不 同波 形 周 期 中采 样 ， 再 将 数据 进 行 平 均 以精 确 波 形 周 期 。结 合 调 整后 的约瑟 夫森 电压 和采 样 器 的增 益 及 偏 移 ， 从 重 构 波 形 中计算 均方 根 。默 认 每 秒 捕 获 一 次 数 据 ， 并 且 每 循 环
２ 设 置
交流 量 子 电压表 是 基 于 ７ ０ Ｇ Ｈｚ微 波 频 率 驱 动 的 １ ０ Ｖ 可编程 约 瑟 夫森 电压 标 准 结 阵 。快 速 的 １ ７通 道 偏 置 源提 供 最 大 电 压 １ 阵 。 双 通道 多路 转换 器 为 直 流 和 交 流测 量 提 供 不 同 的配 置 。 直 流校 准方 面 ， 约 瑟夫 森 电压 标 准 结 阵 与 直 流 电压 标 准 相 连 以进 行 校 准 ， 选 择吉 时 利 ２ １ ８ ２ Ａ型 纳伏 表 作 为零 检 测器 ， 多路 转换 器进 行极 性 逆转 操作 。
近 年来 ， 可 编程 约 瑟夫 森 电压 标 准 在 交 流 电压 计 量 方 面越 来越 引入 注 目。 目前 ， 国 际上 在 约 瑟 夫 森 交 流 电
压标 准 的实 现上 有 两种 不 同 的方 法 ， 分 别 为波 形 合 成 法
和脉 冲 调制 法 。结合 约 瑟 夫 森 结 阵 ， 抽 样 技 术 和 锁 定 合
ｌ ０次计 算 均方 根 和 Ａ类 不确 定 度 。
阵的 ＨＩ 端 与福禄 克 ５ ７ ０ ０ Ａ校 准器 的 Ｈ Ｉ 端 相 连接 ， 快 速 采 样器 Ｎ Ｉ Ｐ Ｘ Ｉ ５ ９ ２ ２对 Ｌ Ｏ端 的电压 差进 行 数 字化 处 理 。 因为 采样 器接 地 ， 所 以避 免 了不 完 全 共 模 抑 制 造成 的 系
交 流 校准方 面 ， 多 路 转 换 器 将 约 瑟 夫 森 电 压标 准 结
通信 ， 临界 电流 ， 以及整个 约瑟 夫森结 阵电压 步幅 的宽 度 。必要 时优 化微 波 频 率 和功 率 以增 加 测量 范 围 （ 步 长 大于 ０ ． ７ ｍ Ａ） 。然 后 ， 通 过 直 接 测 量 约 瑟 夫 森 标 准 电 压 确定 采样 器 的增 益 和偏 移 。最 后 ， 将 相 位 对 齐 于 校 准 器 波形 和约 瑟夫 森 电压 标 准波形 之 间 。 除 了交 流波 形前 十次 谐 波 的均 方 根 ， 还 需 要 确定 ５ ０ Ｈ ｚ的频 率 。为 了保 证 约瑟 夫 森 电压 标 准结 阵在 平 缓 台 阶下 进行 操作 ， 我们使 用 不 同的偏 置 电流 每次 测量 三 次 ， 包括 ， Ｇ 一１ ０ ０ １ ｘ Ａ， ， ｃ ， ， ＋１ ０ ０ １ ． ￣ Ａ， 其中， 。 表 示 夏皮 罗 级 中
Ｌ ｉ Ａｎ ｘ ｉ ａ ｎ ｇ
１ 引 言
自动 运行 ， 装 配 的软件 也 能够远 程 控制 。在 使用 ６ ５升 液 氮 杜 瓦瓶 的情 况下 （ 每 天 消 耗 约 ４升 ） ， 系统 能够 操 作 ３ 周 。集成 芯 片加 热器 能 够 在 几 秒 内加 热 约 瑟夫 森 结 阵 ， 使 其 达 到捕获 磁通 量 的 临 界 温度 ， 而 且 加 热 操 作 不 需 要 举 起 冷冻 探针 。 系统 初始 化过 程 从 自检 开 始 ， 包 括 检 查 设 备 的 内部
本文介绍适用于电压校准达到 １ ０ Ｖ， 频率达到 １ 千
赫兹 情 况 的可编 程 约瑟 夫森 电压 标 准系统 。该 系统是 一 个 交流 量子 电压表 ， 通 过零检 测器 配置下 的快速 数字采样
器（ Ｉ Ｏ Ｍ Ｓ ／ ｓ ） ， 在工业校准实验室中对其性能进行现场测试， 被测对象是 目前最先 进 的福 禄克 ５ ７ ０ ０系列校 准器 ， 该校 准 器被广泛用于计量机构 和校准服务 公 司。分析 校准器 电压 的长期稳定度 以及泄漏 电流对不确定度 的影 响。
几 个福禄克 ５ ７ ０ ０ Ａ系列校准器 ， 其电压为 １ ０ Ｖ， 频率是 ｌ ｋ Ｈ ｚ了解 到该 系统在 工业环境 中的性 能和操作 方法。交流电压 标准的测量 不确定度小于 １ Ｘ１ ０ 关键词 ： 福禄克 ５ ７ ０ ０校 准器 ； 可编程约瑟夫森 电压标准
中图分类号 ： Ｔ Ｍ９ ３ ３ ． ２ 文献标识码 ： Ａ 国家标准学科分类代码 ： ４ ６ ０ ． ４ ０ ３ ０
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ８ ８ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ ４— ６ ９ ４ １ ． ２ ０ １ ６ ． ０ ４ ． ０ １ ５
Ｔｈ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ＡＣ Ｊ ｏ ｓ ｅ ｐ ｈ ｓ ｏ ｎ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
计量与测试技 术》 ２ ０ １ ６丰 第４ ３ 卷 第４期
交流 约 瑟夫 森 电压 标 准 系统 的介 绍
李 安 香
（ 哈尔滨市计量检定 测试 院 ， 黑龙 江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ３ ６ ）
摘
要： 本 文 介 绍 了交 流 约 瑟 夫 森 电压 标 准 系 统 的性 能 。该 系 统 是 一 种 新 型 的交 流 量 子 电压 计 量 装 置 ， 用 于 校 准 常 用 的 直 流 和 交 流 电 压 标 准 。 通 过 测 试
心 的额定 电流 。仪 器 同步 是 必 要 条 件 ， 利 用 快 速 傅 里 叶 变换 从 采样 数据 中评 价 相位 噪声 。
４ 校准 器测 量
交 流 电压校 准器 的测 量不 同于具 有相 同振 幅 和相 位
的阶梯式约瑟夫森波形。该系统采用约瑟夫森波形每周
期２ ０步 的方 式近 似 正 弦 波 。这 样 从 大 量 的不 同波 形 周 期 中采 样 ， 再 将 数据 进 行 平 均 以精 确 波 形 周 期 。结 合 调 整后 的约瑟 夫森 电压 和采 样 器 的增 益 及 偏 移 ， 从 重 构 波 形 中计算 均方 根 。默 认 每 秒 捕 获 一 次 数 据 ， 并 且 每 循 环
２ 设 置
交流 量 子 电压表 是 基 于 ７ ０ Ｇ Ｈｚ微 波 频 率 驱 动 的 １ ０ Ｖ 可编程 约 瑟 夫森 电压 标 准 结 阵 。快 速 的 １ ７通 道 偏 置 源提 供 最 大 电 压 １ 阵 。 双 通道 多路 转换 器 为 直 流 和 交 流测 量 提 供 不 同 的配 置 。 直 流校 准方 面 ， 约 瑟夫 森 电压 标 准 结 阵 与 直 流 电压 标 准 相 连 以进 行 校 准 ， 选 择吉 时 利 ２ １ ８ ２ Ａ型 纳伏 表 作 为零 检 测器 ， 多路 转换 器进 行极 性 逆转 操作 。
近 年来 ， 可 编程 约 瑟夫 森 电压 标 准 在 交 流 电压 计 量 方 面越 来越 引入 注 目。 目前 ， 国 际上 在 约 瑟 夫 森 交 流 电
压标 准 的实 现上 有 两种 不 同 的方 法 ， 分 别 为波 形 合 成 法
和脉 冲 调制 法 。结合 约 瑟 夫 森 结 阵 ， 抽 样 技 术 和 锁 定 合
ｌ ０次计 算 均方 根 和 Ａ类 不确 定 度 。
阵的 ＨＩ 端 与福禄 克 ５ ７ ０ ０ Ａ校 准器 的 Ｈ Ｉ 端 相 连接 ， 快 速 采 样器 Ｎ Ｉ Ｐ Ｘ Ｉ ５ ９ ２ ２对 Ｌ Ｏ端 的电压 差进 行 数 字化 处 理 。 因为 采样 器接 地 ， 所 以避 免 了不 完 全 共 模 抑 制 造成 的 系
交 流 校准方 面 ， 多 路 转 换 器 将 约 瑟 夫 森 电 压标 准 结
通信 ， 临界 电流 ， 以及整个 约瑟 夫森结 阵电压 步幅 的宽 度 。必要 时优 化微 波 频 率 和功 率 以增 加 测量 范 围 （ 步 长 大于 ０ ． ７ ｍ Ａ） 。然 后 ， 通 过 直 接 测 量 约 瑟 夫 森 标 准 电 压 确定 采样 器 的增 益 和偏 移 。最 后 ， 将 相 位 对 齐 于 校 准 器 波形 和约 瑟夫 森 电压 标 准波形 之 间 。 除 了交 流波 形前 十次 谐 波 的均 方 根 ， 还 需 要 确定 ５ ０ Ｈ ｚ的频 率 。为 了保 证 约瑟 夫 森 电压 标 准结 阵在 平 缓 台 阶下 进行 操作 ， 我们使 用 不 同的偏 置 电流 每次 测量 三 次 ， 包括 ， Ｇ 一１ ０ ０ １ ｘ Ａ， ， ｃ ， ， ＋１ ０ ０ １ ． ￣ Ａ， 其中， 。 表 示 夏皮 罗 级 中
Ｌ ｉ Ａｎ ｘ ｉ ａ ｎ ｇ
１ 引 言
自动 运行 ， 装 配 的软件 也 能够远 程 控制 。在 使用 ６ ５升 液 氮 杜 瓦瓶 的情 况下 （ 每 天 消 耗 约 ４升 ） ， 系统 能够 操 作 ３ 周 。集成 芯 片加 热器 能 够 在 几 秒 内加 热 约 瑟夫 森 结 阵 ， 使 其 达 到捕获 磁通 量 的 临 界 温度 ， 而 且 加 热 操 作 不 需 要 举 起 冷冻 探针 。 系统 初始 化过 程 从 自检 开 始 ， 包 括 检 查 设 备 的 内部