08.11.2012
Die PTB ist weltweit das erste Metrologieinstitut, das die Kapazitätseinheit Farad mit kleinster Unsicherheit direkt vom Quanten-Hall-Widerstand ableitet. Dazu werden zwei 10 nF-Kapazitätsnormale in einer Quadraturbrücke mit Wechselstrom betrieben und mit zwei Quanten-Hall-Widerständen in Beziehung gesetzt. Die hervorragende relative Messunsicherheit von 6·10-9 (k = 2) wurde erreicht, weil das thermische Rauschen der Quanten-Hall-Widerstände sehr gering ist und weil ein geeigneter Sinusgenerator entwickelt wurde, der die hohen Anforderungen an Frequenzstabilität und Klirrfaktor erfüllt. Der Sinusgenerator kann darüber hinaus bei zwei verschiedenen Frequenzen betrieben werden, um auch die Frequenzabhängigkeit von Kapazitätsnormalen zu bestimmen. Für die Anwendung wurden 1233 Hz und 2466 Hz gewählt, es sind aber prinzipiell auch andere Frequenzen wie 1000 Hz oder 1592 Hz möglich.
Der Generator beruht auf Digital-zu-Analog-Konverter (DAC) basierter Signalerzeugung mit nachgeschaltetem Bandpassfilter hoher Güte. Die besondere Frequenzstabilität resultiert aus der direkten Referenz der DAC Taktung auf die hochstabile 10 MHz PTB Normalfrequenz. Regelkreise, wie sie bei den gebräuchlichen PLL- und DDS-Systemen zur Signalerzeugung Verwendung finden, werden dabei vermieden.
Der Sinusgenerator hat eine relative Frequenzstabilität von besser als 10‑10, und alle Harmonischen sind kleiner als -90 dB. Er übertrifft damit die geforderten hohen Spezifikationen für die Ableitung der Kapazitätseinheit.
Ansprechpartner: G. Ramm
Fachbereich 2.1: Gleichstrom und Niederfrequenz