CN106533118A

CN106533118A - 一种超导阵列驱动装置、超低频超导电压源和控制方法

Info

Publication number: CN106533118A
Application number: CN201611138809.6A
Authority: CN
Inventors: 康焱
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-03-22

Abstract

本申请公开了一种超导阵列驱动装置、超低频超导电压源和控制方法，提高超导阵列驱动能力和超低频电压输出准确度。驱动装置包括控制单元、恒流源组；恒流源组产生多路驱动电流；控制单元控制恒流源组输出驱动电流。超低频超导电压源，包含超导阵列和超导阵列驱动装置，超导阵列包含多个超导结阵；超导结阵进一步包含一个或多个超导单元；超导单元相互串联，每一个超导结阵输入一路驱动电流、产生一个量子电压；超导结阵中串联的超导单元数为2的N次幂。超低频超导电压源控制方法，周期性地按照多个离散时间点控制恒流源组输出的驱动电流变化，使超导阵列中的各个超导结阵分别按照所述离散时间点输出预定量值的量子电压，合成超低频正弦波形。

Description

一种超导阵列驱动装置、超低频超导电压源和控制方法

技术领域

本申请涉及电子电路领域，尤其涉及一种超低频超导电压源和驱动装置。

背景技术

量子化超低频电压标准中，超导阵列由多个结阵串联而成，在特定微波的辐照下，通过偏置源对指定结阵进行驱动，超导器件就可产生量子化的电压台阶，当驱动不同个数的超导器件结阵时，超导器件就可产生相应结阵叠加的电压值，由此，可得到一定范围内任意所需的量子电压。以往的偏置源通常采用多路输出电压的方式驱动超导器件，但由于超导器件的自身阻抗特性对偏置源的带载能力要求很高，而提高带载能力又会造成电压输出准确度下降。

发明内容

本发明提出一种超导阵列驱动装置、超低频超导电压源和控制方法，提高超导阵列驱动能力和电压输出准确度。

本申请实施例提供超导阵列驱动装置，用于使超导阵列产生1mHz-10Hz超低频量子电压，所述超导阵列包含多个超导结阵；所述超导结阵进一步包含一个或多个超导单元；所述多个超导单元相互串联；所述驱动装置包括控制单元、恒流源组；所述恒流源组包含多个恒流源，用于产生多路驱动电流，每个恒流源独立工作，分别产生一路驱动电流；所述多路驱动电流，分别用于驱动所述多个超导结阵；所述控制单元，用于分别控制所述每一个恒流源，使所述驱动电流中的每一路独立地在恒定的正电流、负电流或0之间切换。

作为本发明超导阵列驱动装置进一步优化的实施例，所述控制单元还用于控制所述恒流源，改变所述驱动电流的输出量值。

优选地，所述超导阵列驱动装置进一步包含保护单元，连接于所述恒流源的输出端，用于限流。

优选地，所述超导阵列驱动装置进一步包含隔离模块，所述隔离模块用光纤传输所述控制单元发出的控制信号。

优选地，所述超导阵列驱动装置进一步包含隔离供电模块，用于为所述恒流源供电；所述供电模块与市网隔离。

优选地，所述控制单元控制所述恒流源组，使至少一个所述恒流源输出的驱动电流在正电流、负电流或0之间按照时序变化。

本申请实施例还提供一种超低频超导电压源，包含超导阵列和本发明任意一项实施例所述超导阵列驱动装置，所述超导阵列包含多个超导结阵；所述超导结阵进一步包含一个或多个超导单元；所述多个超导单元相互串联；其特征在于，每一个所述超导结阵用于输入一路所述驱动电流、产生一个量子电压；所述每一个超导结阵中串联的超导单元数为2的N次幂，其中N为非负整数。

优选地，所述超低频超导电压源，包含积分单元；所述积分单元用于累积所述多个超导结阵产生的量子电压，合成一个量子化超低频电压值。

作为本发明超低频超导电压源进一步优化的实施例，所述控制单元用于在至少一个时间周期内按照多个离散时间点分别控制恒流源组中的恒流源输出的驱动电流变化，使所述超导阵列中的各个超导结阵分别按照所述离散时间点输出预定量值的量子电压，合成超低频正弦波形。

本申请实施例还提供一种超低频超导电压源控制方法，用于所述超低频超导电压源，在至少一个时间周期内按照多个离散时间点控制恒流源组中的恒流源输出的驱动电流变化，使超导阵列中的各个超导结阵分别按照所述离散时间点输出预定量值的量子电压，合成超低频正弦波形。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本发明采用电流输出模式的偏置源，避免了采用电压输出模式而造成了带载特性差的问题。以往的电压输出式偏置源在对较大电压的超导器件进行偏置时，由于超导器件自身阻抗的变化，容易产生带载能力差，驱动能力不够的问题，而电流式偏置源采用了恒流驱动模式，超导器件自身的阻抗变化不会对驱动能力造成影响。控制单元直接对恒流源组进行控制，输出指定的驱动电流，避免了其他干扰信号的引入，驱动电流稳定，超导阵列输出的超低频电压波形稳定性高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明超导阵列驱动装置的实施例；

图2为本发明超导阵列驱动装置的另一实施例；

图3为本发明超导阵列驱动装置包含保护单元的实施例；

图4为本发明超导阵列驱动装置包含供电模块的实施例；

图5为本发明超导阵列驱动装置包含隔离模块的实施例；

图6为本发明超低频超导电压源的实施例；

图7为本发明超低频超导电压源超导阵列示意图；

图8为本发明超低频超导电压源包含积分单元的实施例；

图9为输出电压示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本发明超导阵列驱动装置的实施例。超导阵列驱动装置，用于使超导阵列产生量子电压，所述超导阵列包含多个超导结阵；所述超导结阵进一步包含一个或多个超导单元；所述多个超导单元相互串联；在本发明全部实施例中，所述超导单元是指超导器件的最小单元。所述超导阵列的驱动装置包括恒流源组1、控制单元3；所述恒流源组包含多个恒流源11，12，…，1N，用于产生多路驱动电流I₁，I₂，…，I_N；每个恒流源独立工作，分别产生一路驱动电流；所述多路驱动电流，分别用于驱动所述多个超导结阵；所述控制单元，用于分别控制所述每一个恒流源，使所述驱动电流中的每一路独立地在恒定的正电流、负电流或0之间切换。

优选地，所述控制单元控制所述恒流源组，使至少一个所述恒流源输出的驱动电流在正电流、负电流或0之间按照时序变化。最佳地，每一个所述恒流源输出的驱动电流都能独立地在正电流、负电流或0之间按照时序变化。

例如，通过控制恒流源内的数模转换器，能够实现恒流源分别输出正电流、负电流和零值。

需要说明的是，所述恒流源组由多路分立的恒流源组成，实现对超导阵列中的多个结阵的独立驱动，各路恒流源之间分别对地隔离。

作为优化实施例，所述控制单元输出第一控制信号C1，按时序分别控制所述多个恒流源。实现特定多路电流输出到所述超导陈列中特定的超导结阵，驱动所述超导阵列产生连续的超低频电压信号。

图2为本发明超导阵列驱动装置的另一实施例。在图1所述实施例基础上，所述控制单元还用于控制所述恒流源，改变所述驱动电流的输出量值。需要说明的是，由于工艺的原因，每一个超导结阵在输出额定电压时所需要的驱动电流值存在差异。一般地，恒流源的输出电流连续可调，电流值的大小根据所对应结阵的低温参数设定。所述控制单元输出第二控制信号C2，用于调整所述恒流源输出电流强度；进一步优化的方案是，所述第二控制信号分别独立地作用于所述多个恒流源，分别改变所述多个恒流源的输出电流强度。例如，可使用计算机控制所述恒流源组产生期望值的多路电流输出，所述恒流源组根据计算机控制信号产生相应多路驱动电流。

图3为本发明超导阵列驱动装置包含保护单元的实施例。在图2所示实施例基础上，所述超导阵列驱动装置进一步包含保护单元41，42，…4N，连接于所述恒流源组的输出端，用于限流。

需要说明，所述保护单元是用于对所述恒流源的输出进行限制，由于第一控制信号的作用，恒流源输出驱动电流成方波状，在变化瞬间会产生尖峰脉冲，易导致超导器件冻结磁通而不能正常工作，因此对驱动电流进行限制，以防止过大脉冲影响超导器件的工作。

例如，恒流源组的每一路电流输出端分别与每一个保护单元的信号输入端相连，每一个保护单元的信号输出端与超导阵列中一个超导结阵的驱动输入端相连。所述多个保护单元作为一个整体，构成保护单元组4。

图4为本发明超导阵列驱动装置包含隔离模块的实施例，在图3所示实施例的基础上，所述超导阵列驱动装置进一步包含隔离模块5，所述隔离模块用光纤传输所述控制单元发出的控制信号。

需要说明的是，所述隔离模块用光纤传输的方式对所述控制单元发出的控制信号进行隔离，防止计算机产生的噪声及干扰信号进入驱动电流，进而对低温下超导器件的工作状态造成干扰。

作为所述隔离模块的具体实施例，进一步包含电光转换单元51、传输光纤52、光电转换单元53。所述电光转换单元位于所述隔离模块的输入端，用于接收所述控制信号；所述传输光纤连接所述电光转换单元和所述光电转换单元，用于传输所述控制信号；所述光电转换单元位于所述隔离模块的输出端，用于将所述控制信号发送至所述控制单元，控制单元将控制信号转换成适合恒流源组接收的一系列代码，分别发送至各个恒流源，控制各路恒流源输出指定电流量值。例如，用于控制的计算机与隔离模块的输入端相连，输出控制信号进入隔离模块，隔离模块的输出信号进入控制单元，控制单元输出的控制代码分别对恒流源模块进行控制；信号光纤隔离模块的输出端与控制单元的输入端相连，控制单元的输出端分别与恒流源组的控制输入端相连。

图5为本发明超导阵列驱动装置包含供电模块的实施例。在图4所示实施例基础上，所述超导阵列驱动装置进一步包含供电模块6，用于为所述恒流源供电；所述供电模块与市网隔离。

需要说明的是，所述供电模块组用于给所述恒流源供电，由于市网供电会给驱动装置引入市网噪声的影响，导致低温下的超导器件工作不稳定，因此为了防止引入市网干扰，与市网隔离。优选地，本装置采用充电电池为所述恒流源供电。

图6为本发明超低频超导电压源的实施例。本申请实施例还提供一种超低频超导电压源，包含超导阵列7和本发明任意一项实施例所述超导阵列驱动装置。所述超导阵列包含多个超导结阵71，72，…，7N；所述超导结阵进一步包含一个或多个超导单元；所述多个超导单元相互串联；其特征在于，每一个所述超导结阵用于输入一路所述驱动电流、产生一个量子电压；所述每一个超导结阵中串联的超导单元数为2的N次幂，其中N为非负整数。最佳地，所述超导阵列置于液氦杜瓦8中。所述恒流源组通过同步控制，对各个超导结阵同时进行驱动，使之产生量子化的超低频电压值。

图7为本发明超低频超导电压源超导阵列示意图。超导阵列由多个超导结阵组成，恒流源组输出多路驱动电流I₁，I₂，…，I_N，超导阵列中的每一个超导结阵对应一路驱动电流，受驱动的多个超导结阵会各自产生相同或不同的特定量子电压值，选择驱动不同的结阵就能获得不同的量子电压。图中给出了量子电压值的示例。超导结阵由多个超导单元串联时，输出的量子电压值为多个超导单元所产生电压的总和。需要说明的是，I₁，I₂，…，I_N≈I₀；由于每个超导单元由于工艺的原因存在差异，使每一个超导结阵在输出额定电压时所需要的驱动电流值存在差异。

图8为本发明超低频超导电压源包含积分单元的实施例。优选地，所述超导电压源包含积分单元9；所述积分单元用于累积所述多个超导结阵产生的量子电压，合成一个量子化低频电压值。进一步优选地，所述积分单元，用于将输入所述多个超导结阵的量子电压，选择一个或多个量子电压积分输出；作为本发明进一步优选的实施例，所述控制单元还用于输出第三控制信号C3，用于控制所述积分单元选择量子电压。

因此，根据待合成超低频电压波形信息，在一个周期内对其进行多次采样，得到各采样点的理论值，通过驱动装置对超导阵列进行驱动，分别在一个周期的对应时间点产生对应的电压理论值，将这些离散的量子电压值合成量子化的超低频电压波形。

作为本发明超低频超导电压源进一步优化的实施例，所述控制单元用于在至少一个时间周期内按照多个离散时间点分别控制所述恒流源组中的恒流源输出的驱动电流变化，使所述超导阵列中的各个超导结阵分别按照所述离散时间点输出预定量值的量子电压，合成超低频正弦波形。进一步地，所述控制单元用于在多个连续的时间周期内连续控制所述恒流源组，使得所述超导阵列持续输出超低频正弦波。

图9为输出电压示意图。图中，每一个台阶就是待合成的分立量子电压，在每一个时间周期内，利用控制单元控制恒流源组中每个恒流源各自产生所需要的驱动电流，驱动超导阵列输出不同量值的量子直流电压，就可以合成一个正弦波形，即获得一个量子化的超低频电压波形。

本实施例还提供一种超导电压源控制方法，用于所述超导电压源，在至少一个时间周期内按照多个离散时间点控制恒流源组中的恒流源输出的驱动电流变化，使超导阵列中的各个超导结阵分别按照所述离散时间点输出预定量值的量子电压，合成超低频正弦波形。进一步地，在多个连续的时间周期内持续上述过程，使得所述超导阵列持续输出超低频正弦波。

本发明中，所述恒流源组输出特定的多路驱动电流，用于分别对所述超导阵列中的各个超导结阵进行驱动，不同的超导结阵受到驱动后会产生相同或不同的量子直流电压；多个超导结阵同时被驱动时，各自产生不同的直流量子电压值，经过对一个周期内的分立量子电压进行积分，最终合成为所需要的超低频量子电压值输出。因此对恒流源模块组的设置可以使超导单元产生想要的直流量子电压，在一个连续时间上高速改变恒流源模块组的设置，就可以在一个连续时间上获得一个由分立的量子直流电压合成的超低频电压波形，从而得到准确的量子化的超低频电压输出。

本发明方案和各部件的技术效果在于，通过驱动装置过向超导单元输出多路稳定的电流信号对其实现驱动。所述驱动装置包括：隔离模块、控制单源、恒流源组、保护单元及供电单元。所述驱动装置采用了恒流偏置技术，其原理是通过对超导器件进行电流驱动产生的高准确度的量子电压。计算机通过隔离模块向偏置源发送特定的控制代码序列，隔离模块隔离了计算机引入的噪声。经过隔离的信号传输到控制单元，控制单元对该信号进行处理，整合成恒流源组可接受的代码信号，控制恒流源组产生具有特定量值的多路驱动电流，实现同步输出各路驱动电流。输出后的多路驱动电流经过输出保护模块输出到位于液氦杜瓦中的超导器件，驱动器产生超低频量子电压信号。隔离供电模块组为恒流源组提供纯净的供电信号，防止引入电网干扰而造成驱动过程中超导器件的不稳定状态。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种超导阵列驱动装置，用于使超导阵列产生超低频量子电压，所述超导阵列包含多个超导结阵；所述超导结阵进一步包含一个或多个超导单元；所述多个超导单元相互串联；其特征在于，

所述驱动装置包括控制单元、恒流源组；

所述恒流源组包含多个恒流源，用于产生多路驱动电流，每个恒流源独立工作，分别产生一路驱动电流；

所述多路驱动电流，分别用于驱动所述多个超导结阵；

所述控制单元，用于分别控制所述每一个恒流源，使所述驱动电流中的每一路独立地在恒定的正电流、负电流或0状态之间切换。

2.如权利要求1所述超导阵列驱动装置，其特征在于，

所述控制单元还用于控制所述恒流源，改变所述驱动电流的输出量值。

3.如权利要求1或2所述超导阵列驱动装置，其特征在于，

进一步包含保护单元，连接于所述恒流源的输出端，用于限流。

4.如权利要求1或2所述超导阵列驱动装置，其特征在于，

进一步包含隔离供电模块，用于为所述恒流源供电；

所述供电模块与市网隔离。

5.如权利要求1或2所述超导阵列驱动装置，其特征在于，

包含隔离模块，所述隔离模块用光纤传输所述控制单元发出的控制信号。

6.如权利要求1或2所述超导阵列驱动装置，其特征在于，

所述控制单元控制所述恒流源组，使至少一个所述恒流源输出的驱动电流在正电流、负电流或0状态之间按照时序变化。

7.一种超导电压源，其特征在于，

包含超导阵列和权利要求1-6任意一项所述任一超导阵列驱动装置，所述超导阵列包含多个超导结阵；

所述超导结阵进一步包含一个或多个超导单元；

所述多个超导单元相互串联；其特征在于，每一个所述超导结阵用于输入一路所述驱动电流、产生一个量子电压；

所述每一个超导结阵中串联的超导单元数为2的N次幂，其中N为非负整数。

8.如权利要求7所述超低频超导电压源，其特征在于，

包含积分单元；所述积分单元用于累积所述多个超导结阵产生的量子电压，合成一个量子化超低频电压值。

9.如权利要求8所述超低频超导电压源，其特征在于，

所述控制单元用于在至少一个时间周期内按照多个离散时间点分别控制恒流源组中的恒流源输出的驱动电流变化，使所述超导阵列中的各个超导结阵分别按照所述离散时间点输出预定量值的量子电压，合成超低频正弦波形。

10.一种超低频超导电压源控制方法，用于权利要求8所述超低频超导电压源，其特征在于，

在至少一个时间周期内按照多个离散时间点控制恒流源组中的恒流源输出的驱动电流变化，使超导阵列中的各个超导结阵分别按照所述离散时间点输出预定量值的量子电压，合成超低频正弦波形。