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Einsatz programmierbarer Josephson-Schaltungen für das digitale Abtastverfahren

31.12.2003

Mit dem digitalen Abtastverfahren werden zur Zeit erfolgreich elektrische Wechselgrößen kalibriert. Kern des Verfahrens ist ein hochauflösendes Abtastvoltmeter, dessen A/D-Umsetzer maßgeblich die Messunsicherheit bestimmt.

Mit einem neuen Messverfahren ist es nun gelungen, die statischen und dynamischen Eigenschaften dieses A/D-Umsetzers direkt zu bestimmen. Die Spannungsmessungen werden dabei auf ein programmierbares Josephson-Spannungsnormal zurückgeführt. Um die Stufen konstanter Spannung, U=n·f/KJ, (mit n der Anzahl der Josephson-Kontakte, KJ der Josephson-Konstante und der Mikrowellenfrequenz) für Wechselspannungen nutzen zu können, wurde der Messaufbau des Josephson-Spannungsnormals in Kooperation mit dem National Physical Laboratory in Teddington, Großbritannien, erheblich weiter entwickelt. Mit einer binär geteilten, programmierbaren Josephson-Schaltung und einer schnellen Stromquelle lassen sich Stufen konstanter Spannung bis 1,2 V innerhalb von 250 ns einstellen oder digitale Wellenformen im Frequenzbereich von einigen Hz bis einigen kHz synthetisieren. Durch ein synchronisiertes Einstellen und Abtasten der Spannungsstufen bei verschiedenen Frequenzen konnten erstmals mit Josephson-Präzision die dynamischen Parameter des A/D-Umsetzers direkt gemessen werden. Erste Ergebnisse zeigen, das die Modelle zur Evaluierung der Messunsicherheit des in der PTB entwickelten Abtastverfahrens und die Spezifikationen des Gerätes sehr gut erfüllt sind.