CN102591388A - 超导探测器用直流偏置源 - Google Patents

Abstract

超导探测器用直流偏置源，由固定偏置电路、模拟扫描电路、偏置控制及监测电路和单片机智能控制电路组成，偏置控制及监测电路的第一输出端通过ADC电路和单片机智能控制电路的信号输入端连接，偏置控制及监测电路的偏压设定端通过选择开关选择和DAC电路输出端或模拟扫描电路电压输出端或固定偏置电路电压输出端连接；当偏置控制及监测电路的偏压设定端和DAC电路输出端连接时，超导探测用直流偏置源的工作方式为智能方式，当偏置控制及监测电路的偏压设定端和模拟扫描电路电压输出端连接或固定偏置电路电压输出端连接时，偏置源的工作方式为手动方式。

Description

超导探测器用直流偏置源

技术领域

超导电子器件由于其高的灵敏度，常被用于高频低噪声检测技术中。超导SIS混频器和超导HEB混频器目前已经用于毫米波和亚毫米波射电望远镜上作为探测器进行天文及大气分子谱线的观测。超导探测器需要一定的偏置电压或者偏置电流才能工作。直流偏置电源是为超导探测器正常工作提供偏置的仪器。超导SIS混频器和超导HEB混频器的工作稳定性与偏置电源的性能密切相关。 

本发明涉及一种直流偏置电源，特别是一种用于超导SIS探测器和超导HEB探测器的直流偏置电源。 

背景技术

超导探测器件，由于是用于低噪声小信号的检测，对提供其电源的偏置电路提出了很高要求，无论是恒压源还是恒流源电路，一定要具有低噪声、高灵敏度、高稳定度等特点。现在通用的偏置电源(比如Agilent公司的数字源表)存在以下特点：功率大，电压和电流调节范围大，噪声波纹大，采用220V市电直接供电干扰大，多数采用模拟电路实现。因此现在通用的偏置电源无法满足微弱信号检测的超导探测器需要高稳定、低噪声的工作要求，同时不利于实现智能化操作，特别在实际应用中进行系统集成控制时这个缺点尤其明显，针对以上不足，鉴于实验室中对SIS和HEB混频器的性能评估和实际工作使用中的不同要求，并考虑到今后类似空间应用等对可靠性和体积重量等多方面的要求，开发集模拟偏置源的实用性和数字偏置源的方便灵活性于一身的混合直流偏置电源，满足电源功率小，电压和电流调节范围小，噪声低，利用电池供电干扰小的要求，可进行智能化操作，才能更好地适用于实验室测试和实际观测设备中。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种超导探测器用直流偏置源，直流偏置源具备远程控制通信能力和可靠性，其输出电压范围、最大输出电流、测量超导探测器上电压和电流波动幅度、电磁屏蔽性能指标满足超导探测器实际应用要求。即满足以下关于超导探测器用直流偏置源的一些技术指标： 

(1)固定偏置电路输出电压范围为0～10V，模拟扫描电路输出电压范围为-10V～10V，单片机智能控制电路输出电压范围为-10V～10V； 

(2)输出最大电流为1mA； 

(3)测量超导探测器上电压波动幅度小于30μV，电流波动幅度小于0.5μA。 

实现本发明目的的技术方案是： 

超导探测器用直流偏置源，由固定偏置电路、模拟扫描电路、偏置控制及监测电路和单片机智能控制电路组成，单片机智能控制电路的第一输出端通过工作模式控制电路和偏置控制及监测电路的控制端连接，单片机智能控制电路的电压设定端和DA电路输入端连接；所述偏置控制及监测电路的第一输出端通过ADC电路和单片机智能控制电路的信号输入端连接，所述偏置控制及监测电路的偏压设定端通过选择开关选择和DAC电路输出端或模拟扫描电路电压输出端或固定偏置电路电压输出端连接；当偏置控制及监测电路的偏压设定端和DAC电路输出端连接时，超导探测器用直流偏置源的工作方式为智能方式，当偏置控制及监测电路的偏压设定端和模拟扫描电路电压输出端连接或固定偏置电路电压输出端连接时，偏置源的工作方式为手动方式；所述偏置控制及监测电路中设有恒压电路和恒流电路、6线法测量电路和4线法测量电路、IV扫描电路和PV扫描电路，手动方式下设有模拟开关对这些电路选择连接，智能方式下通过单片机智能控制电路控制，对这些电路进行选择链接； 

所述单片机智能控制电路用于与上位机进行通信，通信内容包括接收上位机控制命令、向上位机发送偏置源工作状态信息和测量数据，检测超导探测器用直流偏置源工作方式和偏置控制及监测电路输出状态，并将状态信息发送给上位机，根据状态信息判定后续动作和指令； 

所述偏置控制及监测电路根据单片机发出的模式选择信号完成工作模式的选择，接受偏置设定电压，将偏置电压输出到与电路相连的外部超导探测器负载电路，并完成超导结上电压和电流的放大处理；所述偏置设定电压由偏压设定端输入，偏置设定电压为模拟扫描电路、模拟固定偏置电路或单片机控制DAC输出电路三者之一的输出电压； 

所述固定偏置电路通过恒温基准源结合粗调电位器和细调电位器电路，调节和输出固定偏置电压； 

所述模拟扫描电路通过双运放结合频率调节电位器、快扫慢扫选择开关和输出幅度调节电位器电路，调节和输出模拟扫描电压，为偏置控制及监测电路提供预定偏置电压。 

本发明中设定了可供选择的三种偏置预定电压，包括模拟设定电压和数字设定电压，所以本发明的超导探测器用直流偏置源是模拟偏置源和数字偏置源的混合版本。 

作为本发明的进一步改进，当超导探测器用直流偏置源处于手动工作方式时，单片机智能控制电路控制ADC转换电路定时检测超导探测器超导结上的电压和电流，将电压和电流显示在液晶屏上；当超导探测器用直流偏置源处于智能工作方式时，单片机智能 控制电路接收上位机的控制命令，设定DAC电路偏置输出，设定恒压模式或恒流模式工作，设定选择6线法或4线法测量电流，设定预定偏置电压，设定对超导探测器超导结进行IV扫描或PV扫描。 

作为本发明的进一步改进，在工作模式控制电路输出端与偏置控制和监测电路中实现模式选择的开关之间设有光电隔离器，单片机通过数字光电隔离IO方式控制光电隔离器状态的切换实现模式的选择，光电隔离器实现数字地与模拟地的隔离，减小数字部分干扰对模拟电路的影响。 

作为本发明的进一步改进，所述固定偏置电路通过恒温基准源结合粗调电位器和细调电位器电路实现固定偏置的精确调节和稳定输出。 

作为本发明的进一步改进，所述模拟扫描电路的核心电路是由双运算放大器构成三角波扫描电路，通过开关的通断提供模拟方式的快速扫描和慢速扫描。 

作为本发明的进一步改进，为了提高所述直流偏置源的最大输出电流，在偏置控制及监测电路处于恒流模式下，所述直流偏置源中的总串联电阻Rs为10KΩ。 

作为本发明的进一步改进，在偏置控制及监测电路处于恒压模式下，远程控制计算机在设置预定电压时按下式进行预补偿， 

$\mathrm{Vj}\≈\mathrm{Vs}+\frac{1-n}{\mathrm{Kj}+n}\×\mathrm{Vs},$

$n=\frac{\mathrm{Rs}}{\mathrm{RjGv}}$

其中Vs为设置电压，Vj为超导结上反馈电压(放大Gv＝1000倍后)，Vc为运放控制输出电压，Rs为直流偏置源中的总串联电阻，Rj为工作中超导结在能隙以下的等效电阻，Gv为电压放大倍数。 

作为本发明的进一步改进，所述超导探测器用直流偏置源的电路部分设置在电路板上，电路板设置在机壳内，所有调整电位器和开关被安置在机壳前板，而输入输出接头则被安排在机壳后板，通过边框机壳保护地线和中间保护地屏蔽隔离相应部分，辅以底盖和顶盖的屏蔽，预期实现模拟和数字部分的良好隔离。 

附图说明

图1为超导探测器用直流偏置源结构框图； 

图2为固定偏置电路结构示意图； 

图3为模拟扫描电路图； 

图4为单片机智能控制电路的控制程序流程图 

图5为偏置电压反馈控制电路图； 

图6为检测输出总电路的电路图； 

图7为面板结构示意图； 

图8为背板结构示意图； 

图9为利用超导探测器用直流偏置源测量低温下超导HEB的IV曲线。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。 

超导探测器用直流偏置源是模拟偏置源和数字偏置源的混合版本，基本结构如图1所示。超导探测器用直流偏置源由固定偏置电路、模拟扫描电路、偏置控制及监测电路和单片机智能控制电路组成，单片机智能控制电路的第一输出端通过工作模式控制电路和偏置控制及监测电路的控制端连接，单片机智能控制电路的电压设定端和DAC电路输入端连接；偏置控制及监测电路的第一输出端通过ADC电路和单片机智能控制电路的信号输入端连接，偏置控制及监测电路的偏压设定端通过选择开关和通过数模转换电路输出端或模拟扫描电路电压输出端或固定偏置电路电压输出端连接；当偏置控制及监测电路的偏压设定端和DAC电路输出端连接时，超导探测器用直流偏置源的工作方式为智能方式，当偏置控制及监测电路的偏压设定端和模拟扫描电路电压输出端连接或固定偏置电路电压输出端连接时，偏置源的工作方式为手动方式；偏置控制及监测电路中设有恒压电路和恒流电路，6线法测量电路和4线法测量电路，IV扫描电路和PV扫描电路，并设有模拟开关对这些电路选择连接。 

偏置控制及监测电路根据单片机发出的模式选择信号完成工作模式的选择，接受偏置设定电压，将偏置电压输出到与电路相连的外部超导探测器负载电路，并完成超导结上电压和电流的放大处理；偏置设定电压由偏压设定端输入，为偏置电压为模拟扫描电路、模拟固定偏置电路或单片机控制DAC输出电路三者之一的输出电压。输出偏置电压至S+、S-端口，V+和V-端口输出超导SIS和HEB结两端电压，I+和I-是超导结上电流在采样电阻Rm两端产生的电压，这两个电压输入到偏置控制及VIP处理电路中，经过低噪声放大器放大1000倍后，输出的信号可以用示波器显示、记录仪记录、单片机控制ADC采样测量计算。电路中实现信号切换和模式选择的开关芯片DG403DYZ并不是直接由单片机发出的信号控制(因为这样会带来模拟信号的较长引线和削弱偏置源的智能性)，在这里我们采用单片机采集各开关状态并通过数字光电隔离IO方式控制模拟开关来实现状态的切换和数字地与模拟地的隔离，减小数字部分干扰对模拟电路的影响。 

固定偏置电路如图2所示，固定偏置电路通过恒温基准源结合粗调电位器和细调电位器电路实现固定偏置的精确调节和稳定输出。 

模拟扫描电路如图3所示，模拟扫描电路的核心电路是由双运算放大器构成三角波扫描电路通过开关SW301的通断提供了模拟方式的快速扫描(SW301断开)或慢速扫描(SW301闭合)(对什么进行扫描？)，可调电位器VR306控制扫描电压的频率，可调电位器VR307控制扫描电压输出幅度。 

以单片机为核心的智能控制电路的功能包括： 

(1)与上位机通过RS485/RS422进行通信，包括接收上位机控制命令、向上位机发送偏置源工作状态信息(源输出开关状态、手动工作方式或智能工作方式、恒压输出或恒流输出、6线法测试电流或4线法测试电流)和测量数据； 

(2)检测偏置源输出开关状态以及工作方式(手动或智能方式)，并将状态信息发送给上位机，根据状态信息判定后续功能的动作与否； 

(3)手动工作方式时，单片机定时检测超导探测器上电压电流，将电压电流显示在液晶屏上； 

(4)智能工作方式时，接收上位机的控制命令，包括设定设定恒压模式或恒流模式工作、设定6线法或4线法测量、设定固定偏置电压、进行IV扫描或PV扫描。 

上述功能通过单片机控制实现，控制程序的流程图如图4所示。 

超导SIS和HEB探测器的常温等效电阻约为30～80Ω，为了保护超导结和提高偏置点的稳定性，通常在超导结中加入串联电阻Rm和并联电阻Rp，因此，工作中超导结在能隙以下的等效电阻Rj约50Ω，而在能隙以上Rj约为30Ω。偏置源可工作于电流和电压模式，电流模式下偏置源输出纯粹是一个V/I变换器。输出电流大小I＝Vs/Rs，由于源电路中总串联电阻Rs＝20K＞＞Rj，因此设定电流与给定电压成线性关系。DAC输出电压量程-10V～+10V，因此偏置源最大输出电流约500uA，通过并联电阻后加到超导结上的偏置电压最大在10mV左右。为达到我们提出的最大输出电流为1mA的技术指标，只需要将源电路中总串联电阻Rs改为10KΩ即可。偏置源电压反馈模式控制部分核心电路如图5所示，设定电压Vs和超导结上经放大后的反馈电压Vj从运放的+、-端馈入，实际控制电压Vc由运放输出端引出。在电压反馈模式下，该电路的工作状态推导如下： 

由运放特性可知，运放输入端V+＝V-，即 

$\frac{\mathrm{Vs}}{R3+R4}\×R4=\frac{\mathrm{Vc}-\mathrm{Vj}}{R1+R2}\×R1+\mathrm{Vj}---\left(1\right)$

其中Vs为设置电压，Vj为超导结上反馈电压(放大Gv＝1000倍后)，Vc为运放控制输出电压； 

由(1)式可得： 

$\mathrm{Vc}=\frac{R1+R2}{R3+R4}\×\frac{R4}{R1}\×\mathrm{Vs}-\frac{R2}{R1}\×\mathrm{Vj}$

令Kj＝R2/R1，Ks＝R4/R3 

$\mathrm{Vc}=\frac{1+\mathrm{Kj}}{1+1/\mathrm{Ks}}\×\mathrm{Vs}-\mathrm{KjVj}$

整理后得： 

$\mathrm{Vc}=\frac{\mathrm{Ks}-\mathrm{Kj}}{1+\mathrm{Ks}}\×\mathrm{Vs}+\mathrm{Kj}(\mathrm{Vs}-\mathrm{Vj})---\left(2\right)$

如果Ks＞＞Kj，则： 

$\mathrm{Vc}=\mathrm{Vs}+\mathrm{Kj}(\mathrm{Vs}-\mathrm{Vj})-\frac{1+\mathrm{Kj}}{1+\mathrm{Ks}}\×\mathrm{Vs}$

Vc≈Vs+Kj(Vs-Vj)            (3) 

实际设计中，取Ks＝500，Kj＝10，则控制输出电压Vc＝Vs+10(Vs-Vj)。为让系统在反馈模式下达到良好的平衡状态，Vj和Vs需要在同一量级。这里我们取偏置电压放大倍数Gv＝100＊10＝1000，因此10mV的实际偏置电压即对应10V的反馈电压，这与DAC设置电压完美匹配。故电压模式下偏置源的设定特性即为1mV/V。最佳控制条件是Vs＝Vj，此时Vc＝Vs，这要求Vs/Rs＊Rj＊Gv＝Vj，即Rj＊Gv＝Rs！实际设计中，由于Rj随偏置电压的改变而变化，且在能隙上下有较大的变化，同时由于反馈系统Kj不是一个无穷大量，为保持电路的平衡Vs和Vj必然存在偏差。 

因Vj＝Vc/Rs＊Rj＊Gv，代入(3)式得： 

$\frac{\mathrm{RsVj}}{\mathrm{RjGv}}=\mathrm{Vs}+\mathrm{Kj}(\mathrm{Vs}-\mathrm{Vj})-\frac{1+\mathrm{Kj}}{1+\mathrm{Ks}}\×\mathrm{Vs}$

整理后得： 

$\mathrm{Vj}\≈\mathrm{Vs}+\frac{1-n}{\mathrm{Kj}+n}\×\mathrm{Vs},$

$n=\frac{\mathrm{Rs}}{\mathrm{RjGv}}---\left(4\right)$

在理想条件下，Rj＊Gv＝Rs，因此n＝1，Vj＝Vs。实际上当在能隙电压以下时，Rj＝50Ω，此时n＝0.2，当反馈增益Kj＝10时，实际偏置电压和设定电压之间关系即Vj ＝Vs+8％Vs，即实际电压约有8％的增大(反馈增益越大误差越小，但太大的负反馈容易引起电路的不稳定)。通过远程控制计算机控制在设置电压时按式(4)进行预补偿，可较精确地设定恒压模式下的偏置电压。 

偏置控制和监测电路中检测输出总电流的核心电路如图6所示。总电流在电阻R237上产生电压差ΔV，通过反馈连接，根据虚短现象，U204B的V5＝V6，通过由U204A构成的减法电路得到ΔV＝V7-V5，则总电流I＝ΔV/R237。该电路的主要注意点包括：电阻R237的值精确为1KΩ，减法电路要求R232/R230＝R233/R231。通过精确测量电阻值，实现总电流的精确测量。 

超导探测器用直流偏置源的电路设置在电路板上，电路板设置在机壳内。所有调整电位器和开关被安置在前面，而输入输出接头则被安排在后面。偏置电源前面板(如图7所示)，主要设置模拟调节部分的功能以及工作模式选择开关。后面板的输入/输出主要包括偏置、监控电压、电流输出和中频检波器输入(如图8所示)，+15V/-15V/+5V三路电源由电源插头输入，采用独立地线实现模拟地和数字地的分离(在电源处实现一点接地)。所有电路安装在整块电路板上，通过边框机壳保护地线和中间保护地屏蔽隔离相应部分，辅以底盖和顶盖的屏蔽，预期实现模拟和数字部分的良好隔离。 

将超导HEB探测器接入负载电路中，利用该偏置源测量低温(4K级)下超导HEB的IV曲线，测量的IV曲线如图9所示，测量结果显示，超导探测器上电压波动幅度约为10μV，电流波动幅度约为0.3μA，达到设计提出的指数指标要求。 

Claims (8)

1.超导探测器用直流偏置源，其特征是，该直流偏置源由固定偏置电路、模拟扫描电路、偏置控制及监测电路和单片机智能控制电路组成，单片机智能控制电路的第一输出端通过工作模式控制电路和偏置控制及监测电路的控制端连接，单片机智能控制电路的电压设定端和DA电路输入端连接；所述偏置控制及监测电路的第一输出端通过ADC电路和单片机智能控制电路的信号输入端连接，所述偏置控制及监测电路的偏压设定端通过选择开关选择和DAC电路输出端或模拟扫描电路电压输出端或固定偏置电路电压输出端连接；当偏置控制及监测电路的偏压设定端和DAC电路输出端连接时，超导探测器用直流偏置源的工作方式为智能方式，当偏置控制及监测电路的偏压设定端和模拟扫描电路电压输出端连接或固定偏置电路电压输出端连接时，偏置源的工作方式为手动方式；所述偏置控制及监测电路中设有恒压电路和恒流电路、6线法测量电路和4线法测量电路、IV扫描电路和PV扫描电路，手动方式下设有模拟开关对这些电路选择连接，智能方式下通过单片机智能控制电路控制，对这些电路进行选择链接；

所述单片机智能控制电路用于与上位机进行通信，通信内容包括接收上位机控制命令、向上位机发送偏置源工作状态信息和测量数据，检测超导探测器用直流偏置源工作方式和偏置控制及监测电路输出状态，并将状态信息发送给上位机，根据状态信息判定后续动作和指令；

所述偏置控制及监测电路根据单片机发出的模式选择信号完成工作模式的选择，接受偏置设定电压，将偏置电压输出到与电路相连的外部超导探测器负载电路，并完成超导结上电压和电流的放大处理；所述偏置设定电压由偏压设定端输入，偏置设定电压为模拟扫描电路、模拟固定偏置电路或单片机控制DAC输出电路三者之一的输出电压；

所述固定偏置电路通过恒温基准源结合粗调电位器和细调电位器电路，调节和输出固定偏置电压；

所述模拟扫描电路通过双运放结合频率调节电位器、快扫慢扫选择开关和输出幅度调节电位器电路，调节和输出模拟扫描电压，为偏置控制及监测电路提供预定偏置电压。

2.根据权利要求1所述的超导探测器用直流偏置源，其特征是，当超导探测器用直流偏置源处于手动工作方式时，单片机智能控制电路控制ADC转换电路定时检测超导探测器超导结上的电压和电流，将电压和电流显示在液晶屏上；当超导探测器用直流偏置源处于智能工作方式时，单片机智能控制电路接收上位机的控制命令，设定DAC电路偏置输出，设定恒压模式或恒流模式工作，设定选择6线法或4线法测量电流，设定预定偏置电压，设定对超导探测器超导结进行IV扫描或PV扫描。

3.根据权利要求1所述的超导探测器用直流偏置源，其特征是，在工作模式控制电路输出端与偏置控制和监测电路中实现模式选择的开关之间设有光电隔离器，单片机通过数字光电隔离IO方式控制光电隔离器状态的切换实现模式的选择，光电隔离器实现数字地与模拟地的隔离，减小数字部分干扰对模拟电路的影响。

4.根据权利要求1所述的超导探测器用直流偏置源，其特征是，所述固定偏置电路通过恒温基准源结合粗调电位器和细调电位器电路实现固定偏置的精确调节和稳定输出。

5.根据权利要求1所述的超导探测器用直流偏置源，其特征是，所述模拟扫描电路的核心电路是由双运算放大器构成三角波扫描电路，通过开关的通断提供模拟方式的快速扫描和慢速扫描。

6.根据权利要求1所述的超导探测器用直流偏置源，其特征是，在偏置控制及监测电路处于恒流模式下，所述直流偏置源中的总串联电阻Rs为10KΩ。

7.根据权利要求1所述的超导探测器用直流偏置源，其特征是，在偏置控制及监测电路处于恒压模式下，远程控制计算机在设置预定电压时按下式进行预补偿，

$\mathrm{Vj}\≈\mathrm{Vs}+\frac{1-n}{\mathrm{Kj}+n}\×\mathrm{Vs},$

$n=\frac{\mathrm{Rs}}{\mathrm{RjGv}}$

其中Vs为设置电压，Vj为超导结上反馈电压(放大Gv＝1000倍后)，Vc为运放控制输出电压，Rs为直流偏置源中的总串联电阻，Rj为工作中超导结在能隙以下的等效电阻，Gv为电压放大倍数。

8.根据权利要求1所述的超导探测器用直流偏置源，其特征是，所述超导探测器用直流偏置源的电路部分设置在电路板上，电路板设置在机壳内，所有调整电位器和开关被安置在机壳前板，而输入输出接头则被安排在机壳后板。

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