直流低电压校准的问题及设想

　　0　引言

　　直流低电压,一般被定义为100mV以下幅度的直流电压,其校准一直是计量行业里尚未良好解决的问题。它首先起源于实际工作的需求,在很多情况下,非电量电测方式工作下的传感器输出的信号属于直流低电压范围,约在毫伏量级。另一些情况下,人们获得的信号由于传输、衰减、干扰等因素的综合作用,通常十分微弱,其本身及变化范围属于直流低电压。再者,超导效应研究,低温热电势测量,半导体性能测试,材料特性测试等许多应用中涉及到的问题,都有直流低电压校准问题。在许多场合都广泛应用的低电压指零仪,其校准也必须涉及直流低电压问题。

　　本文所述内容,主要讨论直流低电压校准所涉及的一些问题,并提出一种解决该问题的基本设想。

　　1　直流低电压校准的基本问题

　　总体说来,直流低电压校准存在三个方面的问题:信号源问题、测量仪器问题和测量方法问题。信号源问题的本质是希望能产生幅度足够小(毫伏级、微伏级和纳伏级)、分辨力足够高、性能指标足够稳定的高精度直流电压标准信号。测量仪器问题的本质则是希望仪器能具有测量足够微弱信号的能力(毫伏级、微伏级和纳伏级),并具有足够高的分辨力。这类仪器通常指直流电压表、纳伏表或指零仪。

　　测量方法涉及的问题主要取决于信号源和测量仪器以及所要达到的测量准确度。通常,当信号源与测量仪器量程范围相一致时,使用直接测量法进行,而当信号源的信号比测量仪器量程范围大时,一般采用直流电阻箱进行比例分压,然后进行直接测量。当信号源的信号比测量仪器量程范围小时,可使用放大器进行放大后,再直接测量。

　　目前在直流电压信号源方面,FLUKE 5720A是世界上以商品出售的指标最高的标准源,其最小的直流电压量程为220mV,可以有最高至10nV的分辨力,其量值参数指标如表1所示[1]:

　　该公司生产的固态电压标准731A具有1mV的输出和1μV的分辨力,但此时没有给出误差指标[2]。

　　任何量值的计量,最终都要溯源到国家基准上,目前我国的直流电压国家基准有超导约瑟夫森结阵1V电压基准(不确定度1.5×10-8,k=1)和10V电压基准(不确定度5.0×10-9,k=1),没有毫伏级及以下的量值基准[3-4]。

　　目前在低电压测量方面,作为测量仪器的直流电压表的能力最强,其指标可以达到很高,以Agi-lent的8位半数字多用表3458A型为例[5],其最小量程为100mV,标称分辨力10nV。其生产的纳伏表34420A具有7位半的分辨力(0.1nV),非常低的噪声指标(1.3nV RMS/2min,12nV p-p/d),较低的测量误差(±2.5×10-5读值±20nV,24h;±4.0×10-5读值±20nV, 90d;±5. 0×10-5读值±20nV,1a)。而另一家公司Keithley则拥有指标相近的纳伏表2812型[6],可拥有10mV量程,1nV分辨力。