新建立的衰减计量国家标准装置

　　1　工作原理及特点

　　国家宽带衰减标准自建立以来经过多年运行证明系统稳定可靠。但是,由于系统采用平方律检波,噪声较大,限制了其量程[1]。为了满足大衰减量值的传递,研制了新一代PAS-1型衰减测量接收机,采用了SR 830型数字锁定放大器,建成了新的衰减计量国家标准装置,它有效地减小了噪声,提高了系统的稳定性,从而扩展了量程。标准装置主要技术指标见表1。

　　系统原理如图1所示,它以感应分压器作为参考标准,采用低中频串联替代法测量。测试信号经过被测衰减器与本振信号混频,输出为ω0±ωs、3ω0±ωs、5ω0±ωs等频率信号,经过窄带滤波只保留ω0-ωs差频,即10 kHz中频信号。此信号经预放、8位十进制感应分压器、可变增益放大器、滤波器,送到锁定放大器。PAS-1型衰减测量接收机用升压变压器作预放,将中频信号放大150倍。采用升压变压器作预放是由于它损耗小、噪声小、非线性小、稳定度高。中频放大器为0~100 dB可变增益放大器,其中,0.1~ 9.9 dB增益放大器用8位D/A变换器实现,提高了增益步进级数,步进增益可达0.1dB。系统放大器均采用超低噪声运算放大器,中放噪声系数为2 dB;滤波器采用LC三级窄带滤波,3dB带宽为400 Hz,顶部频宽为±10 Hz,平坦度为±3mdB,有效地降低了带外噪声。8位十进制感应分压器各盘都用相同的制作工艺,使每盘都具有大体相同的准确度,在10 kHz频率,分压器比率不确定度小于2×10-5,零位电势小于5×10-7。整机由单片机控制,并设计有标准IEEE 488接口。

　　2　测量不确定度评定

　　根据低中频串联替代法测量原理,衰减量A的表达式为:

　　式中,D1/D2和U2/U1分别为衰减测量两次平衡时的感应分压器分压比值和锁定放大器电压读数比值。由于测量系统的不完善,存在衰减测量误差ΔA,如下式表示:

　　式中,第1项±δi为感应分压器引入的误差,不确定度用Ui表示;第2项±δm为混频器和中频放大器非线性引入的误差,不确定度用Um表示;第3项±δd为锁定放大器分辨率引入的误差,不确定度用Ud表示;最后一项±δn为噪声引入的误差,不确定度用Un表示。除此之外装置还应包括失配误差±δmis,不确定度用Umis表示;泄漏误差±δL,不确定度用UL表示。下面分别对它们进行分析和评定。

　　2·1　感应分压器引入的不确定度Ui

　　衰减标准以感应分压器作为参考标准,由于感应分压器存在磁滞损耗、涡流损耗、线圈电阻、漏感和磁芯的不均匀性,使感应分压器的分压比值存在误差[2]。它包括:比率误差δi1、感应分压器两端外接负载阻抗效应误差δi2和零位电势误差δi3等3项误差,下面分别对它们进行分析。