基于差分采样技术的交流量子电压量值传递方法研究

The precondition of ac Josephson voltage standard is to research on the efficient voltage measurement approach to accurately measure the ac voltage. This project plans to research on a Josephson ac voltage based differential sampling method. An Digital to Analog Converter (DAC) is used to generate the sine waveform which is under test. An Analog to Digital Converter (ADC) is used to measure the differential voltage between the ac Josephson voltage and the sine waveform generated by the DAC. This method only sample on the quantum voltage steps to avoid the influence by the transient between quantum voltage steps. We also research on the error source including transient, position of sampling windows, dynamic noise, quantization error, error of the reconstruction of the waveform under test after DFT, and so on. This project aims to create a new ac voltage measurement method which is able to achieve the uncertainty around several ppm.

研究交流量子电压有效值的准确量值传递方案，实现交流电压的精密测量，是建立交流量子电压基准需要解决的关键技术难题，也是目前国际上电学计量领域的研究前沿和热点。本课题旨在研究一种基于差分采样的交流量子电压量值传递方案，该方案将阶梯状的交流量子电压作为参考信号，通过精确调节采样窗的位置，只对阶梯波过渡过程以外(量子电压台阶处)的被测电压与交流量子电压的差值进行采样，有效降低了阶梯波过渡过程对交流量子电压量值传递准确性的影响。通过对影响量值传递准确性的阶梯波过渡过程、采样窗位置可能引入的误差、动态噪声、被测信号的量化误差、DFT(离散傅立叶变换)重构信号存在的误差等因素进行准确建模和实验评估，最终形成一套基于差分采样的交流量子电压量值传递理论，实现一种实现精度在ppm量级的交流量子电压量值传递方案。

研究交流量子电压有效值的准确传递方案，实现对交流电压的精密测量，是建立交流量子电压基标准的关键技术难题，也是目前国际上电学计量领域的研究热点。本项目实现了基于差分采样的交流量子电压量值传递系统，形成了一套新的交流量子电压量值传递理论。系统以阶梯波交流量子电压为参考，对被测正弦电压与交流量子电压的差值采样，通过精确调节采样窗，只选用阶梯波过渡过程以外（量子电压台阶处）的被测正弦电压与交流量子电压的差值重构被测信号，有效降低了阶梯波过渡过程对交流量子电压量值传递准确性的影响，实验表明，项目实现的差分采样系统对交流电压的量值传递不确定度达到了ppm量级，完成了立项之初设定的研究目标。项目的研究内容为交流量子电压的量值传递提供了一种新途径，研究成果将在建立我国首个交流量子电压标准的研究中发挥重要作用，成为交流量子电压标准中的重要组成部分，具有重要意义。