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Hochpräziser Sinuswellen-Generator für die Darstellung der Kapazitätseinheit Farad

Kategorien:
  • Grundlagen der Metrologie
25.10.2022

Ansicht des digitalen Sinuswellen-Generators.

Die PTB hat einen digitalen Generator entwickelt, der sinusförmige Wechselspannungen mit diskreten Frequenzen im kHz-Bereich mit besonders hoher Präzision und Stabilität erzeugt. Der Generator ist eine wesentliche Komponente für die präzise Darstellung der Kapazitätseinheit „Farad“ mit dem Quanten-Hall-Widerstand.

 

Diese quantenbasierte Darstellung der Kapazitätseinheit, an der PTB entwickelt und angewendet, beruht auf einer Quadraturbrücke, welche die Impedanz eines Kapazitätsnormals im Verhältnis zum Quanten-Hall-Widerstand misst. Der Quanten-Hall-Widerstand, dessen numerischer Wert im revidierten internationalen Einheitensystem (SI) exakt festgelegt ist, wird dabei mit Wechselstrom betrieben. Weil die Quadraturbrücke nur diskrete Impedanz-Verhältnisse wie z.B. 1:1, 2:1 und 1:2 messen kann und nur dekadische Kapazitätswerte für den Aufbau der Kapazitätsskala benötigt werden, kann die Quadraturbrücke nur bei einigen wenigen diskreten Frequenzen betrieben werden, nämlich bei 1233,15 Hz oder 2466,29 Hz sowie in Zukunft auch bei 616,57 Hz. Diese Frequenzen müssen aber eine relative Präzision und Stabilität von besser als 6·10‑10 aufweisen, und das Spektrum muss sehr rein sein.

 

Weil es für diese Anwendung keinen geeigneten kommerziellen Sinuswellen-Generator gibt, hat die PTB einen digitalen Sinuswellen-Generator entwickelt, dessen Ausgangsfrequenz direkt von dem 10‑MHz-Referenzsignal einer Atomuhr abgeleitet wird. Der Generator basiert auf einfachen, bewährten Methoden der digitalen Sinuswellen-Synthese, getriggert durch das frequenz-konvertierte Referenzsignal. Er benötigt weder eine sogenannte „Phase-Locked Loop“ noch irgendwelche Techniken, um einen weiten Frequenzbereich kontinuierlich, aber auf Kosten der Präzision und Genauigkeit abzudecken. Deshalb ist die Ausgangsfrequenz streng synchron mit der verwendeten Atomuhr, auch über viele Jahre hinweg. Die relative Frequenzstabilität ist besser als 2·10‑11 und somit deutlich besser als die Mindestanforderung. Das Spektrum des Sinussignals ist sehr rein und weist nur kleine Harmonische auf (‑90 dB für die zweite Harmonische und mindestens ‑100 dB für alle höheren Harmonischen). Deshalb benötigt die Quadraturbrücke keinen sehr aufwändigen Detektorfilter, was ein großer praktischer Vorteil ist.

 

Der Sinuswellen-Generator hat kompakte Abmessungen und besteht nur aus handelsüblichen Elektronik-Komponenten (d.h. keine speziell gefertigten oder selektierten Bauteile). Ein Prototyp ist an der PTB seit vielen Jahren zuverlässig im Einsatz für die quantenbasierte Kapazitätsdarstellung. Weitere technische Details sind in der unten aufgeführten Veröffentlichung dargestellt.

 

Der innovative Synchron-Generator wurde kürzlich ins Technologie-Transferangebot der PTB aufgenommen, und Interessenten können sich auf den Internetseiten der PTB unter "PTB-Zeichen 7097" über Nutzungsmöglichkeiten informieren.

 

 

Bild: Ansicht des digitalen Sinuswellen-Generators.

 

 

Ansprechperson:

Jürgen Schurr

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie"

juregen.schurr@ptb.de

 

Veröffentlichung:

J. Schurr und J. Lee, „Realization of the farad from the ac quantum Hall resistance – 14 years of experience“IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 71, pp. 1502008, 2022. 

 

 

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