一种量子电压标准装置教学机及其实现方法与流程

本发明涉及电测量与计量,并且更具体地，涉及一种量子电压标准装置教学机及其实现方法。

背景技术：

1、量子电压标准装置是基于约瑟夫森电压效应原理的量子电压发生装置，目前量子电压标准装置主要分为经典直流量子电压标准、可编程量子电压标准和脉冲驱动量子电压标准，三者的区别在于约瑟夫森阵列结构和驱动模式不同，经典直流量子电压标准的整个约瑟夫森阵列采用单路偏置电流控制，只能产生恒定的直流电压；可编程量子电压标准的约瑟夫森阵列采用二进制分段串联结构，通过可编程的多通道偏置电流源对各段节阵进行分别控制，产生一系列台阶的交流电压；脉冲驱动量子电压标准则采用频率连续变化的微波和固定的偏置电流，从而产生连续的正弦波形。目前，经典直流量子电压标准技术最为成熟，在国际上已作为直流电压量子基准装置。可编程量子电压标准和脉冲驱动型量子电压标准目前正在逐步推广应用。可编程量子电压标准可输出幅值高达10v的交、直流量子电压，目前可编程量子电压标准已成功应用于交直流标准源、数字多用表(adcs)、功率标准等装置的溯源，用于解决电力系统中功率(电能)标准、数字化计量标准设备、高电压比例标准的溯源难题。

2、可编程量子电压标准装置主要功能是产生可编程的量子电压台阶波形，其主要组件包括量子芯片、低温环境、低温探杆、铷钟、微波源、偏置电流源、差分测量系统等。其中量子芯片是产生量子电压效应的直接载体；低温环境和低温探杆是维持量子电压效应的低温环境及辅助设备；铷钟和微波源是保证量子电压准确度的关键设备；偏置电流源是控制量子芯片产生任意量子电压的驱动设备；差分测量系统是量子电压标准溯源应用的核心测量设备。目前可编程量子电压标准装置总体价格偏贵，并且设备运行维护要求及人员素质要求较高。量子电压标准装置运行过程中需要液氦或压缩制冷的低温环境，采用液氦制冷需要定期加装液氦，采用压缩机致冷容易引入噪声或振动影响。此外，量子电压芯片在运行过程中容易受环境因素影响导致出现芯片冻结磁通及空气冷冻现象，增加了量子电压标准装置运行维护难度。目前可编程量子电压标准的溯源应用尚在研究阶段，同时由于上述诸多因素影响，量子电压标准装置在国内的推广及应用受到较大的阻碍，电力系统内多数单位对于量子电压标准装置的溯源应用仍处于观望状态。因此，亟需一种低成本，易维护，生成可编程电压台阶波形准确度高的量子电压标准装置的替代产品出现，从而加快量子电压标准装置的推广以及量子电压溯源应用发展。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中量子电压标准装置价格偏，运行维护要求高导致其推广及应用受到较大的阻碍，并且对于量子电压标准装置的溯源应用仍处于观望状态的问题，本发明提出一种量子电压标准装置教学机及其实现方法。

2、根据本发明的一方面，本发明提供一种量子电压标准装置教学机，所述教学机包括：

3、模式切换单元，用于选择采样工作模式，其中，所述采样工作模式包括只对电压台阶波形信号进行采样的第一工作模式，只对待测电压波形信号进行采样的第二工作模式，以及对电压台阶波形信号和待测电压波形信号的差分信号进行采样的第三工作模式；

4、同步控制单元，用于当选择的采样工作模式为第三工作模式时，输出同步控制信号以实现对电压台阶波形信号和待测电压波形信号的幅值和相位的同步控制；

5、参数设置单元，用于根据选择的采样工作模式，确定拟生成电压台阶波形信号的波形参数；

6、多通道电流源，用于根据拟生成电压台阶波形信号的波形参数或者拟生成电压台阶波形信号的波形参数和同步控制参数在同一时刻控制n路电流源的状态，以及根据所述状态输出脉冲信号至差分采样单元，其中，所述波形参数包括幅值、频率、相位及每周期台阶数，所述状态包括输出和关断，所述同步控制参数包括电压台阶波形信号和待测电压波形信号的相对幅值和相对相位；

7、电阻阵列，由n个电阻块串联组成，每个电阻块连接n路电流源中的1路，用于根据多通道电流源的状态，生成电压台阶波形信号，并输出至切换开关；

8、差分采样单元，其与多通道电流源连接和切换开关连接，用于根据选择的采样工作模式，输出开关控制信号至切换开关，根据多通道电流源传输的脉冲信号采集切换开关的输出信号并处理，以及在接收所述同步控制信号时，根据电压台阶波形信号和待测电压波形信号的差分信号计算同步控制参数并传输至多通道电流源，其中，所述输出信号包括待测电压波形信号，电压台阶波形信号，电压台阶波形信号和待测电压波形信号的差分信号；

9、切换开关，其分别与电阻阵列，差分采样单元和待测量装置连接，用于根据所述开关控制信号切换至与选择的采样工作模式对应的开关状态，从而实现输出信号的输出。

10、根据本发明的另一方面，本发明提供量子电压标准装置教学机实现方法，所述方法包括：

11、选择采样工作模式，其中，所述采样工作模式包括只对电压台阶波形信号进行采样的第一工作模式，只对待测电压波形信号进行采样的第二工作模式，以及对电压台阶波形信号和待测电压波形信号的差分信号进行采样的第三工作模式；

12、当选择的采样工作模式为第三工作模式时，选择是否输出同步控制信号以实现对电压台阶波形信号和待测电压波形信号的幅值和相位的同步控制；

13、根据选择的采样工作模式，确定拟生成电压台阶波形信号的波形参数，并输出开关控制信号；

14、当选择第一工作模式，第二工作模式或者第三工作模式但不输出同步控制信号时，根据拟生成电压台阶波形信号的波形参数在同一时刻控制n路电流源的状态；当选择第三工作模式且输出同步控制信号时，根据拟生成电压台阶波形信号的波形参数和同步控制参数在同一时刻控制n路电流源的状态，其中，所述波形参数包括幅值、频率、相位及每周期台阶数，所述状态包括输出和关断，所述同步控制参数包括电压台阶波形信号和待测电压波形信号的相对幅值和相对相位；

15、根据所述状态输出脉冲信号至差分采样单元，以及根据所述状态，生成电压台阶波形信号，并输出至切换开关；

16、根据所述开关控制信号切换至与选择的采样工作模式对应的开关状态，从而实现输出信号的输出，其中，所述输出信号包括电压台阶波形信号、待测电压波形信号，以及电压台阶波形信号和待测电压波形信号的差分信号；

17、根据所述脉冲信号采集切换开关的输出信号并处理，以及在接收所述同步控制信号时，根据电压台阶波形信号和待测电压波形信号的差分信号计算同步控制参数并传输至多通道电流源。

18、本发明所述的量子电压标准装置教学机及其实现方法，其中所述教学机包括模式切换单元，同步控制单元，参数设置单元，多通道电流源，电阻阵列，差分采样单元和切换开关，其通过可编程的多通道电流源驱动电阻阵列，以产生高准确度的任意电压台阶波形，利用差分采样单元实现电压台阶波形与待测电压波形的同幅同相控制，同时利用程控切换开关实现电压台阶波形、待测电压波形及差分电压波形的采样模式的切换。所述量子电压标准装置教学机采用电阻阵列替代量子电压芯片，无需配备低温液氦或制冷环境和微波系统，装置运行维护简单，操作自动化程度高，可让科研人员快速了解可编程量子电压实现原理以及溯源应用。该教学机输出可编程电压台阶波形的准确度主要由低噪声多通道电流源和低温漂精密电阻的准确度保证。该教学机与可编程量子电压标准装置的区别在于没有微波源、量子电压芯片和低温环境，当配合微波源、量子电压芯片及低温环境时，即可成为可编程量子电压标准装置，不会千万重复投资或资源浪费，从而可加快量子电压标准装置的推广以及量子电压溯源应用发展。