低温电流比较仪动态特性的研究
- 格式：pdf
- 大小：208.21 KB
- 文档页数：5
第２７卷第８期 ２００６年８月
仪 器 仪 表 学 报
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｖｏ１．２７ ＮＯ．８
Ａｕｇ．２００６
低 日 皿 电流比较仪动态特性的研究 李正坤 张钟华 贺 青 刘 勇 刘君华 （西安交通大学电气工程学院西安７１００４９） （中国计量科学研究院北京１０００１３） 。（哈尔滨工业大学 哈尔滨 １５０００１）
摘要低温电流比较仪是现代电测量技术中最为准确的比例量具，在传递量子化霍尔电阻基准的量值时发挥了独特的作用。 为了进一步提高ＣＣＣ的比例准确度，一个有效的方法是采用匝数较多的绕组。但国际上各实验室均遇到了绕组匝数较高时电 流会发生跳跃的困难，目前未见到对此问题进行分析及提出解决办法的文章。本文对ＣＣＣ系统的动态特性进行了分析，找到 了产生该现象的原因，并采取措施改进了系统的动态特性，避免了跳跃现象。与国际上的同类装置相比，ＣＣＣ的绕组匝数被提 高了８倍，信噪比及比例准确度也有了很大的提高。结合其他措施，完成了综合不确定度为１Ｏ－１。量级的量子化霍尔电阻标准 装置。 关键词 低温电流比较仪 反馈系统 动态特性 电流跳跃 信噪比 中图分类号ＴＢ９７１ 文献标识码Ａ国家标准学科分类代码４１０．５５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ Ｌｉ Ｚｈｅｎｇｋｕｎ ， Ｚｈａｎｇ Ｚｈｏｎｇｈｕａ Ｈｅ Ｑｉｎｇ ・。Ｌｉｕ Ｙｏｎｇ Ｌｉｕ Ｊｕｎｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） 。（Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｐｒｅｃｉｓｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｏ ｉｍ— ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ＣＣＣ ｆｕｒｔｈｅｒ，ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｉｓ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｔｕｒｎ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｗｉｎｄｉｎｇｓ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｊ ｕｍｐｉｎｇ ｗｏｕｌｄ ａｐｐｅａｒ ｗｈｉｌｅ ｕｓｉｎｇ ａ ＣＣＣ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｔｕｒｎ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｒａｔｉｏ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｐａｐｅｒ ｏｎ ｈｏｗ ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｙｅｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒｏｕｂｌｅｓｏｍｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｊ ｕｍｐｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｊｕｍｐｉｎｇ ｗａｓ ａｖｏｉｄｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅ ｔｕｒｎ ｎｕｍｂｅｒ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ８ ｔｉｍｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ Ｓ／Ｎ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ ｔｏｏ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ，ａ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｈａｌｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｗｉｔｈ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｐａｒｔｓ ｉｎ １０ 。ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｅｅｄｂａｃｋ
引 言 目前，低温电流比较仪（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａ— ｔｏｒ，ＣＣＣ）是测量直流电流比例的精度最高的仪器 。
ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｊ ｕｍｐｉｎｇ ＳＮＲ 如图１所示，在传递量子化霍尔电阻基准的量值时发挥 了独特的作用。基于ＣＣＣ的电阻比较电路如图２所示。 电路的平衡条件是两个被比较电阻上的电压降相等，即： Ｉ１Ｒ１一Ｉ２Ｒ２ （１） 或
＊本文于２００５年５月收到，系国家自然科学基金（６００７６０３１）、国家科技部基金（２ＯＯ１ＤＥＡ２ＯＯＢ）资助项目
维普资讯 http://www.cqvip.com ８２６ 仪器仪表学报 第２ ７卷 Ｒ１／Ｒ２＝Ｊ２／Ｉ （２） ｊ 和ｊ 分别流过线圈ｗ 和ｗ ，ｗ 和ｗ 分别为两 线圈匝数。电路平衡时，如能使式（３）成立： Ｊ Ｖ ＋Ｊ２Ｗ２＝０ （３） 则由式（２）和（３）可得： Ｒ１／Ｒ２＝一Ｗ１／ｗ２ （４） ｉ
图１低温电流比较仪结构图 电阻之间的比值等于绕组的匝数之比。绕组的匝数是整 数，一旦绕制完成后也不会随时间、温度、气压等外界因 素变化，所以图２中的方法原则上可以达到很高的比例 准确度。
主 动 电 流 源
图２基于低温电流比较仪的电阻量值传递线路 若平衡方程式（３）未能得到完全满足，则该式成为： Ｊ Ｖ ＋Ｊ２Ｗ２一△ （５） 式中：△表示安培匝数的不平衡量。此不平衡量被图１ 中标为Ｌ的线圈检测到以后送入超导量子干涉器 （ｓＱＵＩＤ）的输入线圈Ｌ，，再经ＳＱＵＩＤ及后续的电子线 路放大，去调节电桥中的从动电流源，使平衡方程式（３） 得到满足。 安培匝数平衡方程式（３）中的误差项△中还包括了 系统中的各种噪声。目前还没有大辐度降低这些噪声的 有效办法。但从另一个角度来看，绕组的安培匝数Ｊ Ｗ 或Ｉｚｗｚ越大，信噪比越高，平衡后的比例准确度也就越 高。因此，提高绕组的安培匝数Ｊ ｗ 或Ｊ Ｗ 与降低噪 声是等效的。增加绕组中的电流或绕组匝数，均能有效
地改善测量准确度。但是绕组中的电流同时要通过被测 电阻，由于被测电阻耗散功率的限制，Ｊ 或Ｊ 并不能随意 增加。另一方面，增加绕组的匝数也受到了限制。国外 文献中的低温电流比较仪用于比较量子化霍尔电阻与 １００Ｑ标准电阻时，Ｗ 一般只能用到２０００多匝，再增加 时会引起反馈系统的不稳定而产生测量电流的跳跃，使 测量过程中断。当跳跃幅度比较大时，指零仪的输出会 超过量限，使指零仪受到冲击，有时甚至会造成指零仪损 坏，所以电流跳跃现象应该尽可能避免。目前尚未见到 有文章对上述的电流跳跃现象进行论述。本文对此现象 进行了分析，找到了产生此种现象的原因，并提出对系统 中前馈环节的动态特性进行细致补偿的方法，避免了此 种跳跃现象，大大提高了低温电流比较仪的绕组匝数、信 噪比，电流比例准确度也有了同样倍数的提高。
２低温电流比较仪运行过程中罡Ｉ８跃现象及 原因分析
超导量子干涉器件是一种周期响应器件，其输出随 输入磁通呈周期性变化，周期等于磁通量子ｈ／２ｅ，其输入 和输出特性图如图３所示。超导量子干涉器件的特点是 输出对输入的响应曲线呈三角波的形状，顶点为０．２５Ｖ 或一０．２５Ｖ。也就是说，此种非线性特性是分段线性化 的，在半个丸的范围内是斜率为１Ｖ／丸或一１Ｖ／丸的 直线。 负压 馈 ； 止及顶 负厦殒 ｆ， ｌ
ｏ．２５Ｖ ／／１ ／ ３ ４ Ａｗ（ Ａ
／ 。 ｛ ｝ ／一 ＼ 一。・２５Ｖ 图３ 与ＳＱＵＩＤ的输出曲线相应的负反馈区和正反馈 ／ ．／：； ／ ／ｉ 哆 ／ 一 。 ｒ
。：．
＠ ．
图４相平面上的积分曲线族 图４给出了相平面上由同一个起始点出发的积分曲 线，相当于冲击量不同的几种情况。为清晰起见，这些起
维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期 李正坤等：低温电流比较仪动态特性的研究 ８２７ 始点的纵坐标都安排得一样，横坐标则各不相同。可以 看到，由于相平面上存在多个稳定的平衡点，积分曲线分 成了若干类。从某些起始点出发的积分曲线趋向某一个 稳定平衡点，从另一些起始点出发的积分曲线则趋向另 一个不同的稳定平衡点。在与正反馈相应的不稳定平衡 点的附近，积分曲线都趋向于离开此不稳定平衡点。值 得注意的是，不同类积分曲线交界处的情况，从两个非常 靠近的起始点出发的积分曲线趋向了完全不同的稳定平 衡点。 对于低温电流比较仪来说，暂态过程的冲击是难以 避免的。为了消除测量回路中热电势的影响，工作电流 要进行正负换向。换向过程中因开关磨擦而产生的热电 效应与开关断开时产生的电火花均是较强的干扰源。如 果用继电器进行自动切换，则还会加上因继电器线圈的 驱动电流而产生的干扰。这些干扰所产生的冲击使得反 馈回路的工作点不会停留在原来的稳定平衡点上而被移 到相平面的某一点处。如果冲击量不太大，冲击过程过 去后，反馈回路就会以这一点作为新的起始点而回归到 原来的稳定平衡点处，如图４中①②两条曲线。如果冲 击量比较大，使得反馈回路的工作点移到了与别的稳定 平衡点相应的积分曲线族的区域，此时反馈回路就不会 回到原来的平衡点而趋向别的稳定平衡点处，如图４中 的曲线③，这就是前文提到的电流跳跃现象。实验所观 察到的电流跳跃现象一般发生在电流换向过程中，而且 跳跃量总是相当于整数个量子磁通，这与此处的分析均 是一致的。 下面对跳跃现象进行理论上的分析。图５是电流源 及前馈电路的原理图。在一次电流源的输出回路中串入 采样电阻ＲＱ及其微调部分ｒｏ（ｒｏ仅为ＲＱ的百分之一左 右）以取得与一次电流成正比的电压信号。此信号经过 两个由集成运算放大器ＬＭ１２８Ｍ构成的跟随器缓冲后 成为二次电流源的基准电压。ＬＭ１２８Ｍ是一种输入阻 抗特别高的器件，其输入电流小于１ｐＡ，对采样电阻Ｒ。 的分流作用基本上可以忽略不计。通过适当置定采样电 阻Ｒ。的数值并仔细调节其微调部分ｒｏ，可以使一次电流 和二次电流之比非常接近绕组匝数比值ｗ。／ｗ 。安培 匝数不平衡量也因此变得非常小。这正是前馈电路所起 的平衡作用。这样，前馈电路调整后平衡条件式（３）可基 本得到满足。 设系数Ｋ代表ｊ。与二次电流源基准电压的比值，此 系数的数值取决于二次电流源的结构。对于一个固定的 电流量程，Ｋ是固定的： Ｋ＇－丧 ㈤ 把式（３）代入式（６），可得前馈电路调平衡时的 Ｋ值： Ｋ＝一 Ｗ１ （７） 另一方面，系数Ｋ表示前馈电路的传输函数。由图 ５可知，采样电阻Ｒ。有一个串联的微调部分ｒｏ。也就是 说，前馈电路的作用可以通过微调Ｒ。而进行调节，使得 式（７）以及平衡条件式（３）得到满足。 图５ 电流源及前馈电路 但应注意，这里所说的平衡是对稳定的直流情况而 言的。当电流换向时，由于电路中存在分布电容，平衡条 件式（３）不再能严格得到满足而会发生一些偏差，下面就 来分析这一问题。 实验证明，电路中的分布电容主要存在于图５中两 个由集成运算放大器ＬＭ１２８Ｍ构成的跟随器的输入端。 这种集成运算放大器的静态输入阻抗很高，但实测结果 表明其输入电容并不小，可以达到３００ｐＦ，其原因可能是 这种运算放大器的真实输入电容被密勒效应大大夸大 了。在图５上已将这样的分布电容用Ｃ。并表示出来（虚 线框中的电容）。 图５表明，Ｃ。和Ｒ。是并联的。因此在考虑不平衡的 情况时，采样电阻Ｒ。应该用Ｃ。和ＲＱ并联的阻抗尺Ｑ／（１ ＋ｐＲ。Ｃ。）替代。图５中前馈回路的框图如图６所示。
