CN103792500B - 基于sbc构型的磁通量子计数直接读出电路与方法 - Google Patents

Abstract

一种基于SBC构型的磁通量子计数的磁场直接读出电路，其特征在于SBC芯片（1）、放大器（2）、积分器（3）、反馈电阻（4）和反馈线圈（5）构成磁通锁定环路，磁通计数单元（6）进行逻辑判定、控制波形发生与整形后，通过放电开关对积分器（3）进行复位操作，实现磁通量子计数，磁通计数单元（6）的计数脉冲包括C+和C‑，作为电路输出与积分器输出共同用于波形重构。所述的方法包括（a）利用SBC构型磁通‑电流曲线非对称特性，增加磁通量子计数工作稳定性；（b）基于复位开关控制波形整形实现软开关，消除复位浪涌电流/电压。本发明基于SBC和软开关的读出电路构型简单，参数易调整、抗干扰能力强，适合运动平台下的多通道磁场测量与系统集成。

Description

基于SBC构型的磁通量子计数直接读出电路与方法

技术领域

本发明涉及一种基于SBC构型的SQUID(超导量子干涉器件)磁通量子计数模拟读出装置，尤其是基于SBC和直接读出电路的磁通量子计数电路和软开关技术抑制电路复位尖峰方法。

背景技术

SQUID磁传感器(灵敏度可达10^‐15T)灵敏度极高，应用传统磁场读出方法(FLL，Flux Locked Loop)，其动态范围最大可达140dB，量程一般在数百纳特左右。SQUID用于环境场下的运动平台磁场测量(如航空磁法勘探)时，SQUID磁传感器切割地磁场，测量场变化达到数十微特，将直接导致SQUID磁传感器溢出。该问题严重制约了SQUID环境场下磁场直接测量应用，因此，目前运动平台SQUID磁测量一般为磁梯度测量，磁场测量对比梯度测量仍然有明显优势(异常磁场衰减远小于磁梯度衰减)，因此，有必要开发一种超大动态范围磁场读出方法与装置，扩展运动平台SQUID磁测量应用范围。

专利US7323869 B1公布了一种分段结构的电路，该专利的核心思路是采用两个SQUID分别构建环境场读出的高灵敏度通道和低灵敏度通道，外磁场通过拾取线圈，分别耦合到两个不同的SQUID中；两个SQUID具有自己独立的磁通锁定读出环路，且两通道SQUID参数调整无关联性，实用性强。基于该电路的SQUID磁传感器，量程可达30000Φ₀，噪声水平可达10^‐6Φ₀/sqrt(Hz)。该专利提供的方法极大扩展了SQUID磁传感器动态范围(220dB)，可满足运动平台磁场测量要求，但该方法采用两个SQUID和独立的磁通锁定读出电路实现一个方向磁场测量，参数调整工作量较大，且低温‐高温的连接线增加一倍，串扰和热传导问题更加突出，不利于进行多通道集成。

《Magnetic Detection of a Surface Ship by an Airborne LTS SQUID MAD》文章公开了一种基于磁通量子计数的超大动态范围磁场读出方法，该方法基于磁通量子计数原理，利用SQUID磁通‐电压或磁通‐电流曲线的周期特性，通过控制积分器复位实现SQUID磁通跳跃，读出电路将磁通跳跃进行计数，并结合SQUID磁通锁定环路输出(积分器正常工作)，对SQUID磁场信息进行重构，得到大动态范围环境磁场信号。该方法磁场读出动态范围可达200dB以上，满足运动平台磁场测量的需求。该文章提出的方法基于单一SQUID芯片实现，易于多通道集成，但该文章所述方法有以下局限性：(1)基于磁通调制读出电路，多通道集成时，中频调制信号易通过传输线和反馈线圈形成串扰，参数调整较复杂；(2)变压器等元器件应用于运动平台是，振动易产生干扰(2)电容复位易形成尖峰干扰，整体电路抗干扰性能不好。

专利EU647722(SQUID with a coil inductively coupled to the SQUID via amutual inductance)公布了一种叫做SBC(SQUID Boottrap Circuit)的SQUID构型，该构型包括一个DC SQUID和一个与之相耦合的线圈，可实现对前置放大器噪声的自反馈抑制，抑制效果与磁通调制技术相同。在直流电压偏置模式下，SQUID的磁通‐电流曲线呈现非对称性，当SBC作用于缓变时，曲线的线性区间增加，基于SBC构型的磁通量子计数对比传统SQUID，电路产生误计数的概率更低，抗干扰能力更强，直接读出电路结构简单，基于SBC的磁通量子计数更加实用。

本发明将拟提供一种基于SBC构型的磁通量子计数直接读出电路与方法，实现超大动态范围磁场读出。

发明内容

本发明的目的是基于磁通量子计数原理构建更加实用的大动态范围磁场读出电路和方法，并应用于运动平台的磁场测量，实现高灵敏度测量。

本发明的目的是通过以下电路实现的：

如图1所示，SBC芯片、读出电路放大器、积分器、反馈电阻和反馈线圈构成磁通锁定环路(FLL)，其中SBC芯片通过低温电缆连接到读出电路放大器，读出电路放大器的输出连接到积分器，积分器输出连接反馈电阻，反馈电阻与反馈线圈连接。积分器的输出反映外磁通变化，积分器的输出端输入到磁通计数单元，磁通计数单元进行逻辑判定、控制波形发生与整形后，通过放电开关对积分器进行复位操作，实现磁通量子计数，磁通计数单元的计数脉冲包括C+和C‐，作为电路输出与积分器输出共同用于波形重构。

SBC构型SQUID结构如附图2所示，它由超导DC SQUID器件与串联的线圈构成第一条支路，分流电阻和并联线圈串联构成第二条支路，SQUID环与两个线圈分别互感耦合。这两个支路并联即构成了SBC构型的低温部分。两个支路并联后连接到读出电路放大器输入端，SQUID偏置电压由前置放大器给出。

磁通计数单元主要由逻辑判定模块、逻辑合成模块和波形发生模块和整形电阻和整形电容和放电开关组成(图3)。

本发明提供的基于SBC磁通量子计数的读出电路与方法，包括：

(1)利用SBC构型磁通‐电流曲线非对称特性，增加磁通量子计数工作稳定性

SBC构型磁通电流曲线呈现非对称特性，当SBC作用于缓边且工作点设置在SBC缓边时，稳定工作区间Φ_STA较普通SQUID增加，可有效增加SBC磁通计数对瞬时突变磁场的耐受能力，增加传感器的抗干扰能力；

(2)基于复位开关控制波形整形实现软开关，消除复位浪涌电流/电压

由逻辑判定单元产生的复位控制信号直接控制放电开关时，将产生严重的浪涌尖峰干扰，本发明将复位控制信号进行整形，而整形电路为一个电阻和一个电容构成，电路简单，实用性强，实现了放电开关的软开关过程，消除了尖峰干扰。

本发明涉及基于SBC磁通量子计数的磁场直接读出电路与方法。所述的方法包括：基于SBC构型消除前置读出电路放大器噪声对传感器噪声的影响，可采用结构更简单的直读电路，SBC磁通‐电流曲线呈现非对称性，稳定工作区间更大，对磁场突变引入的计数误差有抑制效应；加入磁通计数单元，对FLL读出电路输出进行判定，当外磁通变化超过一个磁通量子对应输出电压时，磁通计数单元产生计数脉冲，并产生复位控制信号，对积分器进行复位(对积分电容进行放电)，SQUID工作点向正向或负向跳跃一个磁通量子，完成了一个磁通计数的操作。为抑制电容放电产生的浪涌尖峰干扰，本发明通过对复位控制信号进行整形，控制放电开关(场效应管)实现软开关，对积分电容存储电荷进行平稳和快速释放，完成平稳复位。

总而言之，本发明基于SQUID直接读出，SBC构型SQUID使直接读出电路达到与磁通调制电路同样的噪声抑制效果，同时，SBC磁通电流-非对称性使锁定于缓边时，磁通计数抗干扰能力增强；室温读出电路仅由前置放大器、积分器和反馈电阻构成，基于直接读出电路和磁通计数单元实现了磁通量子计数功能，电路动态范围大大扩展，而电路结构简单，电路参数调整简洁，抗干扰能力强，适合运动平台下的多通道磁场测量与系统集成，所以实用性大大增强。

附图说明

图1是基于SBC的磁通计数直接读出电路原理示意图。

图2是SBC构型SQUID结构的示意图。

图3为图1中磁通计数单元和积分器的结构示意图。

图4是构型SBC(a)与普通构型(b)SQUID磁通‐电流曲线对比。

图5是各节点输出波形。

图6是采用软开关复位前后的波形对比图，(a)复位前，(b)复位后。

具体实施方式

下面通过具体实施方式的阐述，以进一步阐述本发明的显著进步和实质性特点，但本发明决非仅局限于实施例。

实施例1SBC抑制前置放大器噪声，增强抗干扰能力，使工作更稳定

SBC直流电压偏置抑制前置放大器噪声：SBC构型如附图2所示，由超导DC SQUID器件(7)与串联的线圈(8)构成第一条支路，分流电阻(10)和并联线圈(9)串联构成第二条支路，SQUID与两个线圈分别通过互感耦合。这两个支路并联即构成了SBC构型的低温部分。两个支路并联后连接到读出电路放大器(2)的输入端，SQUID偏置电压则由前置读出电路放大器(2)给出。

上述公式中，V_n为前置读出电路放大器输入电压噪声，为磁通‐电流转换系数，R_dyn为SBC的动态电阻。电压偏置模式下，并联线圈(9)使SBC构型的动态电阻变大，对放大器输入电压噪声有抑制效应。SBC作用于磁通‐电流曲线缓变时，其曲线如附图4的图(a)所示。当SBC作用于缓边，工作点锁定于W1时，对比普通SQUID，SBC构型磁通‐电流曲线不对称(图4b)，SBC稳定工作区间(Φ_STA)较普通SQUID显著增加。当应用该构型于磁通计数读出时，环境磁通出现瞬间磁场突变时，SBC构型具有更大的耐受范围，稳定性和抗干扰能力得到进一步提升。

实施例2直接读出与磁通锁定

SBC实现了对放大器输入噪声的抑制，可通过直接读出电路读取磁通变化，并通过计算得到外磁场变化。直接读出磁通锁定环路由SQUID芯片(1)、放大器(2)、积分器(3)、反馈电阻(4)和反馈线圈(5)构成。正常锁定时，外磁通引起SQUID环路磁通发生变化，该变化磁通经放大器放大后，送入积分器产生反馈电压信号，该电压信号在反馈电阻和反馈线圈中形成电流，并通过反馈线圈将反馈磁通耦合到SQUID环路中，SQUID磁通被锁定于固定数值(磁通工作点)，积分器输出反映外磁通变化，作为读出电路的输出。当环境磁场变化过大，超过电路所能提供的最大反馈磁通时，SQUID磁通将从稳定工作点移动，当SQUID工作点移动至下一个磁通周期时，SQUID工作点将无法返回原有工作点，此状态即判定为失锁。基本FLL电路对应SQUID磁传感器量程可由以下公式给出：

上述公式表明，减小R_f或增大M_f均可以增加量程，但存在一个极限，该极限由反馈电阻的热噪声引入的反馈磁通噪声决定。一般情况下，超导磁传感器的动态范围小于130dB。

实施例3磁通量子计数实现

SQUID磁通‐电压或磁通‐电流曲线为以一个磁通量子为周期的周期曲线，该特性为磁通量子计数提供了理论基础。本发明是在基本FLL读出电路的基础上，引入磁通量子计数的电路单元，如附图4所示。具体工作原理阐述如下：

假设初始状态，SBC正常锁定于工作点W1，一个磁通量子对应的电路输出为

实施例4

①逻辑判定与复位逻辑产生：

如图3所示，正常工作时，积分器(3)的输出接入逻辑判定单元(11)(12)，对输出进行判定，当积分器输出超过±时，逻辑判定模块(11)(12)做出反应(输出超过+时，(11)输出脉冲，反之(12)输出)，并将输出信号送入逻辑合成模块(13)，逻辑合成模块(13)对输入信号进行逻辑或判断，并产生复位控制信号输入波形发生模块(14)。

②软开关与复位控制信号整形：

波形发生模块(14)根据复位控制信号产生同步复位驱动信号(电平、幅度和持续时间与放电开关控制输入匹配)，复位驱动信号经过由整形电阻(15)和整形电容(16)构成的低通滤波器对信号边沿进行缓变整形，然后输入放电开关控制对积分器积分电容的放电操作，完成复位，经过缓变整形后的放电开关控制信号，使放电开关开通与关断存在一个可控的时间过程，避免了硬开关可能引入的浪涌电压或电流，放电开关一般为场效应管，如BF245C等。图6为采用软开关复位前后波形对比图。

③复位与工作点跳跃：

复位操作期间，读出电路反馈磁通为0，此时读出电路处于开环状态，环境磁场若无短时大幅度变化，SBC工作点跳跃到下一个周期的工作点W2，计数脉冲C+和C-按照判断逻辑输出正负计数脉冲，电路再次进入稳定工作状态，直至电路输出再次超过±再重复上述操作过程。V_o、C+和C-为输出信号，用于外磁场信号的波形合成(图5)。

Claims (5)

1.一种使用基于SBC构型的磁通量子计数的磁场直接读出电路的方法，其中，所述磁场直接读出电路包括：SBC芯片(1)、放大器(2)、积分器(3)、反馈电阻(4)和反馈线圈(5)构成磁通锁定环路，其中SBC芯片(1)通过低温电缆连接到放大器(2)，放大器的输出连接到积分器(3)，积分器(3)的输出连接反馈电阻(4)，反馈电阻与反馈线圈(5)连接，积分器(3)的输出反映外磁通变化，积分器(3)的输出端输入到磁通计数单元(6)，磁通计数单元(6)进行逻辑判定、控制波形发生与整形后，通过放电开关对积分器(3)进行复位操作，实现磁通量子计数，磁通计数单元(6)的计数脉冲包括C+和C‐，作为电路输出与积分器输出共同用于波形重构，其特征在于，所述方法包括以下两方面：

(a)利用SBC构型的磁通‐电流曲线非对称特性增加磁通量子计数工作稳定性

在电压偏置模式下，并联线圈(9)使SBC构型的动态电阻变大，对放大器输入电压噪声有抑制效应；SBC构型的磁通‐电流曲线呈现非对称特性，当SBC构型作用于缓边且工作点设置在SBC构型缓边时，稳定工作区间Φ_STA较普通SQUID增加，有效增加磁通计数单元对瞬时突变磁场的耐受能力，增加传感器的抗干扰能力；

(b)基于复位开关控制波形整形实现软开关，消除复位浪涌电流/电压当外磁通变化超过一个磁通量子对应输出电压时，磁通计数单元产生计数脉冲，并产生复位控制信号，对积分器进行复位，SQUID工作点向正向或负向跳跃一个磁通量子，完成了一个磁通计数的操作，将复位控制信号进行整形，而整形电路为一个整形电阻和一个整形电容构成。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，复位控制是积分器(3)的输出接入逻辑判定模块(11)(12)，对输出进行判定，当 时，逻辑判定模块(11)(12)作出反应，并将输出信号送入逻辑合成模块(13)，逻辑合成模块(13)对输入信号进行逻辑判断，并产生复位控制信号输入波形发生模块(14)，其中，假设初始状态，SBC芯片正常锁定于工作点W1，一个磁通量子对应的电路输出为

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于波形发生模块(14)根据复位控制信号产生同步复位驱动信号，复位驱动信号经过由整形电阻(15)和整形电容(16)构成的低通滤波器对信号边沿进行缓变整形，然后输入放电开关(17)控制对积分器积分电容的放电操作，完成复位，经过缓变整形后的放电开关控制信号，使放电开关开通与关断存在一个可控的时间过程，避免了硬开关可能引入的浪涌电压或电流。

4.按权利要求2或3所述的方法，其特征在于在复位操作期间，读出电路反馈磁通为0，此时读出电路处于开环状态，环境磁场若无短时大幅度变化，SBC工作点跳跃到下一个周期的工作点W2，计数脉冲C+和C-按照判断逻辑输出正负计数脉冲，电路再次进入稳定工作状态， 再重复上述操作过程，其中，假设初始状态，SBC芯片正常锁定于工作点W1，一个磁通量子对应的电路输出为

5.按权利要求3所述的方法，其特征在于：

①产生的同步复位驱动信号的电平、幅度或持续时间与放电开关控制输入匹配；

②放电开关为BF245C场效应管。