Start - Prace badawcze i rozwojowe - Program OPUS-19 - Opis popularnonaukowy projektu
Opis popularnonaukowy projektu

Chociaż możliwa jest obecnie realizacja jednostki rezystancji przez bezpośrednie odniesienie do stałych fizycznych, to jednak nie ma zjawiska kwantowego pozwalającego na realizację jednostki pojemności i indukcyjności. Jedyną opcją jest porównanie pojemności lub indukcyjności z oporem wyznaczonym z kwantowego efektu Halla. W tym celu niezbędne jest zastosowanie odpowiednio dokładnych układów (tzw. komparatorów impedancji). Zasada działania tych układów opiera się na bezpośrednim porównaniu obiektu badanego (DUT) z wzorcem odniesienia (REF) o wystarczająco wysokiej dokładności i stabilności. Wyróżnić można różnicowe i ilorazowe układy komparacji. Obecnie, szczególnie w pomiarach impedancji, głównie ze względu na dynamiczny rozwój kwantowych i cyfrowych źródeł napięcia AC, dominują pomiary ilorazowe. W takich pomiarach parametry DUT są obliczane na podstawie dokładnie zmierzonego (zazwyczaj tzw. układem mostkowym) stosunku nieznanej impedancji do impedancji odniesienia o dobrze znanych parametrach. Najdokładniejsze porównanie impedancji wymaga użycia tzw. współosiowego obwodu czteroprzewodowego (4TP). Problem, który pozostaje wciąż nierozwiązany polega na tym, jak wykorzystać nową technologię elektroniczną w układach komparacji 4TP by zwiększyć dokładność pomiarów impedancji do poziomu 10-6 bez stosowania bardzo drogiego kwantowego wzorca napięcia przemiennego (tzw. wzorca Josephsona). Kolejnym problemem naukowym jest opracowanie skutecznych metod testowania tak dokładnego systemu pomiarowego, co pozwoli projektantom ocenić niepewność systemu i wykryć źródła błędów w systemie już na etapie budowy prototypu. Oba wyżej wymienione problemy zostaną rozwiązane w ramach niniejszego projektu. Celem badawczym projektu jest opracowanie cyfrowego niekwantowego systemu do porównań impedancji, który będzie dokładniejszy niż obecnie dostępne układy.

Nasza koncepcja układu do porównywania impedancji 4TP opiera się na układzie mostkowym (patrz rysunek) złożonym z dedykowanego dwukanałowego źródła napięcia przemiennego i porównywanych impedancji. Równoważenie mostka wymaga użycia trzech źródeł i dwóch detektorów zera. Po uzyskaniu stanu równowagi mostka spełnione są warunki definicyjne komparacji wzorców 4TP, a zespolony stosunek impedancji może być wyznaczony na podstawie zespolonego stosunku napięć na zaciskach porównywanych wzorców impedancji. Pomiary stosunku napięć odbywają się poprzez ich próbkowanie za pomocą pojedynczego samplera systemu komercyjnego PXI i współosiowego multipleksera. Proponowana technika powoduje, że oba napięcia nie są mierzone jednocześnie, lecz sukcesywnie. Główną zaletą tej metody jest to, że błędy wzmocnienia układu próbkującego (o ile są stabilne w czasie potrzebnym do zmierzenia dwóch napięć) nie wpływają na końcowy wynik komparacji. Dwa kolejne samplery systemu PXI zostaną użyte do monitorowania równowagi Kelvina układu, co eliminuje wpływ impedancji łączącej porównywane wzorce.
Jak wspomniano powyżej, kluczową kwestią dla poprawy dokładności porównywania impedancji jest opracowanie nowego, wysokoprecyzyjnego dwukanałowego źródła napięcia przemiennego. Źródło opracowane w ramach projektu będzie charakteryzować się bardzo stabilną amplitudą i fazą, a także wysoką rozdzielczością nastawy amplitudy i fazy (odpowiednio: nV i rad). Ponadto źródło będzie w pełni zsynchronizowane z samplerem i multiplekserem. Wykorzystane zostaną wspomniane wyżej techniki pomiarów bezzakłóceniowych. Zostaną zbadane właściwości metrologiczne źródła, w szczególności stabilność stosunku napięć i wartości impedancji wyjściowych. Ponadto zostanie zbadany błąd nieliniowości układu próbkującego. Przewiduje się, że błąd nieliniowości będzie jednym z głównych składników niepewności systemu. Kolejnym zadaniem, niezbędnym do spełnienia założonej dokładności systemu, jest opracowanie, zbudowanie i zbadanie precyzyjnego współosiowego multipleksera, transformatora iniekcyjnego i permutacyjny układ pojemnościowy. Multiplekser i transformator iniekcyjny stanowią niezależne elementy systemu, natomiast permutacyjny układ pojemnościowy będzie używane do testowania nieliniowości układu próbkującego. W ramach tego zadania pojawi się wiele wątków badawczych (takich jak np. odpowiednie ekranowanie elektrostatyczne, minimalizacja i wyrównanie impedancji bocznikujących czy badanie parametrów RLC elementów przełączających). Wszystkie wcześniej skonstruowane i przetestowane elementy zostaną połączone w jeden system. Zostanie opracowany program sterujący procesem równoważenia układu i obliczający stosunek impedancji. Ze względu na konieczność zrównoważenia dwóch wielkości zależnych w systemie konieczne będzie opracowanie algorytmu równoważenia, który zaimplementowany w programie sterującym umożliwi pełną automatyzację procesu porównywania. System zostanie kompleksowo przebadany za pomocą tradycyjnej metody z kalibrowanymi wzorcami i za pomocą tzw. metody trójkątów, która jest innowacyjna w obszarze komparacji ilorazowych. W oparciu o uzyskane wyniki badań zostanie opracowany budżet niepewności i wyciągnięte zostaną wnioski odnośnie finalnej dokładności systemu.