CN111323623A - 约瑟夫森阵列模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种约瑟夫森阵列模拟系统及方法。该系统可以包括：总控制器；一对电压输出端子；多个约瑟夫森子结阵单元模拟器，每个模拟器均包括模拟单元、微控制器：每个模拟器的模拟单元的电流输出端与下一个模拟器的模拟单元的电流输入端连接，第一个模拟器的模拟单元的电流输入端与电压输出端子的高端连接，最后一个模拟器的模拟单元的电流输出端与电压输出端子的低端连接，每个模拟器的微控制器通过控制总线连接于总控制器；多个偏置电流输入端子，分别设置于模拟单元与模拟单元、模拟单元与电压输出端子之间。本发明通过与约瑟夫森阵列相同I‑V特性的模拟器来替代需要极低温条件下操作的量子芯片，降低了研发风险和成本。
Description
技术领域
本发明涉及计量测试仪表领域，更具体地，涉及一种约瑟夫森阵列模拟系统及方法。
背景技术
约瑟夫森结是根据约瑟夫森效应设计制作的超导体量子器件，在一个芯片上制作数个到数万个串连在一起的约瑟夫森结，即构成了约瑟夫森结阵。在符合一定条件的微波辐射下，约瑟夫森结阵可以在直流偏置电流下产生电压。该电压具有极其稳定和准确的特性，因此约瑟夫森结阵可以被用作量子电压基准的关键部件。在一个芯片上将约瑟夫森结按照不同的结数划分为若干个子结阵(或称结段)，每个子结阵分别施以独立的电流偏置，即可用于实现可编程约瑟夫森电压基准。
近年来，各国计量部门都在利用约瑟夫森结阵及其构成的电压基准系统开发了各类应用系统和软件，在开发中存在两个问题：一、约瑟夫森器件和系统价格十分昂贵，使用未经验证的装置或程序运行约瑟夫森器件和系统存在较大风险，一旦损坏芯片即造成很大经济损失；二、约瑟夫森结阵芯片必须放在杜瓦瓶中，每次工作时都需充入液氦制冷至极低温度，运行成本高、操作复杂。因此，有必要开发一种约瑟夫森阵列模拟系统及方法。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种约瑟夫森阵列模拟系统及方法，其能够通过与约瑟夫森阵列相同I-V特性的模拟器来替代需要极低温条件下操作的量子芯片，降低了研发风险和成本。
根据本发明的一方面，提出了一种约瑟夫森阵列模拟系统，其特征在于，该系统包括：总控制器；一对电压输出端子；多个约瑟夫森子结阵单元模拟器，每个模拟器均包括模拟单元、微控制器：每个模拟器的模拟单元的电流输出端与下一个模拟器的模拟单元的电流输入端连接，第一个模拟器的模拟单元的电流输入端与电压输出端子的高端连接，最后一个模拟器的模拟单元的电流输出端与电压输出端子的低端连接，每个模拟器的微控制器通过控制总线连接于所述总控制器；多个偏置电流输入端子，分别设置于所述模拟单元与所述模拟单元、所述模拟单元与所述电压输出端子之间。
优选地，所述模拟单元包括采样电阻、模数转换器、数模转换器、同相加法器：采样电阻连接模拟器的电流输入端与电压输出高端、同相加法器；模数转换器连接所述采样电阻与所述电压输出高端，获得电流数据、电压数据并转换；微控制器连接所述模数转换器与所述数模转换器，通过所述电流数据计算初始电压，将所述初始电压传送至所述数模转换器；数模转换器连接第一分压器与第二分压器，将所述初始电压转换后传送至所述第一分压器、所述第二分压器进行电压调整；同相加法器连接所述第一分压器、所述第二分压器与模拟器的电流输出端与电压输出低端，获得调整后的电压数据并传输至所述微控制器与所述初始电压进行对比。
优选地，所述模拟器还包括第一磁耦隔离器与第二磁耦隔离器，所述第一磁耦隔离器与所述第二磁耦隔离器分别设置有两个内部回路，其中：所述第一磁耦隔离器的第一回路与所述模数转换器连接，第二回路与所述微控制器连接；所述第二磁耦隔离器的第一回路与所述数模转换器连接，第二回路与所述微控制器连接。
优选地，还包括：第一供电系统，为每个模拟器的所述微控制器、所述第一磁耦隔离器与所述第二磁耦隔离器的第二回路以及所述总控制器供电。
优选地，所述模拟单元还包括：仪表放大器，所述仪表放大器的输入端连接至所述采样电阻的两端，所述仪表放大器的输出端连接至模数转换器的第一输入通道；第一缓冲器，所述第一缓冲器分别连接所述同相加法器的其中一个输入端与所述第一分压器；第二缓冲器，所述第二缓冲器分别连接所述同相加法器的另一个输入端与所述第二分压器。
优选地，每个模拟器还包括：第二供电系统，为该模拟器的所述模拟单元、所述第一磁耦隔离器的第一回路、所述第二磁耦隔离器的第一回路供电。
优选地，还包括：继电器，所述继电器的输入端与最后一个模拟器的电流输出端连接，输出端与系统的保护地连接。
根据本发明的另一方面，提出了一种模拟方法。所述方法可以包括：步骤1：总控制器通过微控制器向每个模拟器发送模拟参数；步骤2：每个模拟器分别计算目标函数的零阶、一阶贝塞尔函数值J0、J1；步骤3：通过所述偏置电流输入端子，确定流过每个模拟器的电流数值I；步骤4：根据每个模拟器的电流数值I对应的区间，计算每个模拟器对应的初始电压；步骤5：所述初始电压通过数模转换、分压，获得所述调整后的电压数据，将所述调整后的电压数据与所述初始电压进行对比，存在误差则调整数模转换器；步骤6：每个模拟器判断所述总控制器是否更新模拟参数，若是，则重复步骤2-6，若否，则重复步骤3-6，直至获取停止指令或系统关闭。
优选地，所述目标函数为：
其中，A为目标函数，R为约瑟夫森结电阻，f为微波频率，P为微波功率，KJ为计算常数。
优选地，步骤4进一步包括：
确定每个模拟器的电流数值I对应的区间，确定计算策略：
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(2)计算所述初始电压：
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(3)计算所述初始电压：
若电流数值I在-Ic|J0|≤I≤Ic|J0|范围区间内，则通过公式(4)计算所述初始电压：
V＝0 (4)；
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(5)计算所述初始电压：
若电流数值I符合则通过公式(6)计算所述初始电压：
其中，V为初始电压，m为约瑟夫森结个数，Ic为约瑟夫森结临界电流。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的约瑟夫森阵列模拟系统的示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的约瑟夫森阵列模拟器的示意图。
图3示出了根据本发明的模拟方法的步骤的流程图。
附图标记说明：
1、模拟器；2、偏置电流输入端子；3、电压输出端子；4、继电器；5、保护地；6、总控制器；7、第一供电系统；11、模拟单元；12、微控制器；13、第二供电系统；14、第一磁耦隔离器；15、第二磁耦隔离器；111、采样电阻；112、仪表放大器；113、模数转换器；114、数模转换器；115、第一分压器；116、第二分压器；117、第一缓冲器；118、第二缓冲器；119、同相加法器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施例，提供了一种约瑟夫森阵列模拟系统，其特征在于，该系统包括：总控制器；一对电压输出端子；多个约瑟夫森子结阵单元模拟器，每个模拟器均包括模拟单元、微控制器：每个模拟器的模拟单元的电流输出端与下一个模拟器的模拟单元的电流输入端连接，第一个模拟器的模拟单元的电流输入端与电压输出端子的高端连接，最后一个模拟器的模拟单元的电流输出端与电压输出端子的低端连接，每个模拟器的微控制器通过控制总线连接于总控制器；多个偏置电流输入端子，分别设置于模拟单元与模拟单元、模拟单元与电压输出端子之间。
在一个示例中，模拟单元包括采样电阻、模数转换器、数模转换器、同相加法器：采样电阻连接模拟器的电流输入端与电压输出高端、同相加法器；模数转换器连接采样电阻与电压输出高端，获得电流数据、电压数据并转换；微控制器连接模数转换器与数模转换器，通过电流数据计算初始电压，将初始电压传送至数模转换器；数模转换器连接第一分压器与第二分压器，将初始电压转换后传送至第一分压器、第二分压器进行电压调整；同相加法器连接第一分压器、第二分压器与模拟器的电流输出端与电压输出低端，获得调整后的电压数据并传输至微控制器与初始电压进行对比。
在一个示例中，模拟器还包括第一磁耦隔离器与第二磁耦隔离器，第一磁耦隔离器与第二磁耦隔离器分别设置有两个内部回路，其中：第一磁耦隔离器的第一回路与模数转换器连接，第二回路与微控制器连接；第二磁耦隔离器的第一回路与数模转换器连接，第二回路与微控制器连接。
在一个示例中，还包括：第一供电系统，为每个模拟器的微控制器、第一磁耦隔离器与第二磁耦隔离器的第二回路以及总控制器供电。
在一个示例中，模拟单元还包括：仪表放大器，仪表放大器的输入端连接至采样电阻的两端，仪表放大器的输出端连接至模数转换器的第一输入通道；第一缓冲器，第一缓冲器分别连接同相加法器的其中一个输入端与第一分压器；第二缓冲器，第二缓冲器分别连接同相加法器的另一个输入端与第二分压器。
在一个示例中，每个模拟器还包括：第二供电系统，为该模拟器的模拟单元、第一磁耦隔离器的第一回路、第二磁耦隔离器的第一回路供电。
在一个示例中，还包括：继电器，继电器的输入端与最后一个模拟器的电流输出端连接，输出端与系统的保护地连接。
具体地，根据本发明的约瑟夫森阵列模拟系统可以包括：
总控制器；
一对电压输出端子；
多个约瑟夫森子结阵单元模拟器，每个模拟器均包括模拟单元、微控制器：每个模拟器的模拟单元的电流输出端与下一个模拟器的模拟单元的电流输入端连接，第一个模拟器的模拟单元的电流输入端与电压输出端子的高端连接，最后一个模拟器的模拟单元的电流输出端与电压输出端子的低端连接，每个模拟器的微控制器通过SPI控制总线连接于总控制器；
多个偏置电流输入端子，分别设置于模拟单元与模拟单元、模拟单元与电压输出端子之间，用于向每一个模拟器输入偏置电流，模拟器根据偏置电流的大小输出符合约瑟夫森结特性的电压；
继电器，继电器的输入端与最后一个模拟器的电流输出端连接，输出端与系统的保护地连接。
约瑟夫森子结阵单元模拟器包括模拟单元与微控制器，其中，模拟单元包括采样电阻、模数转换器、数模转换器、同相加法器：
采样电阻为低温度系数采样电阻，对输入的偏置电流进行采样，采样电阻的其中一端作为模拟器的电流输入端与电压输出高端，另一端连接带有输出缓冲器的同相加法器的输出端；
仪表放大器，将偏置电流在采样电阻上形成的差分电压放大为对地单端电压，仪表放大器的输入端连接至采样电阻的两端，仪表放大器的输出端连接至模数转换器的第一输入通道；
模数转换器为双极性单端输入模数转换器，模数转换器的第一输入通道连接至仪表放大器的输出端，电流数据经模数转换器转换成数字信号，第二输入通道连接电压输出高端，电压数据经模数转换器转换成数字信号；
微控制器，微控制器通过第一磁耦隔离器与模数转换器连接，通过电流数据计算初始电压，微控制器通过第二磁耦隔离器与数模转换器连接，将初始电压传送至数模转换器，初始电压通过数模转换、分压，获得调整后的电压数据，将调整后的电压数据传输回微控制器，与初始电压进行对比，存在误差则调整数模转换器；第一磁耦隔离器与第二磁耦隔离器分别设置有两个内部回路，其中：第一磁耦隔离器的第一回路与模数转换器连接，第二回路与微控制器连接；第二磁耦隔离器的第一回路与数模转换器连接，第二回路与微控制器连接；
数模转换器，数模转换器的输出通道分别与第一分压器与第二分压器连接，将初始电压转换后传送至第一分压器、第二分压器进行电压调整，其中，第一分压器为1:5分压器，第二分压器为1:100分压器，该分压器分别用于初始电压的粗调和细调；
同相加法器，同相加法器的其中一个输入端通过第一缓冲器连接第一分压器，另一个输入端通过第二缓冲器连接第二分压器，同相加法器的参考地端作为模拟器的电流输出端与电压输出低端，获得调整后的电压数据并传输至微控制器与初始电压进行对比；同相加法器的输出端接有输出缓冲器以降低输入电流对同相加法器的影响。
每个约瑟夫森子结阵单元模拟器均第二供电系统为双轨电源，为模拟单元、第一磁耦隔离器的第一回路、第二磁耦隔离器的第一回路供电，以保证多个模拟器串联后的输出电压能够直接叠加。
模拟系统还包括第一供电系统，为单电源，为每个模拟器的微控制器、第一磁耦隔离器与第二磁耦隔离器的第二回路以及总控制器供电。
应用示例
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的约瑟夫森阵列模拟系统的示意图，其中，模拟器的数量为3，偏置电流输入端子的数量为4。
根据本发明的约瑟夫森阵列模拟系统可以包括：
总控制器6；
一对电压输出端子3；
3个约瑟夫森子结阵单元模拟器1，每个模拟器1均包括模拟单元11、微控制器12：第一个模拟器1的模拟单元11的电流输入端与电压输出端子3的高端连接，电流输出端与第二个模拟器1的模拟单元11的电流输入端连接，第二个模拟器1的模拟单元11的电流输出端与第三个模拟器1的模拟单元11的电流输入端连接，第三个模拟器1的模拟单元11的电流输出端与电压输出端子3的低端连接，每个模拟器1的微控制器12通过SPI控制总线连接于总控制器6；
4个偏置电流输入端子2，分别设置于模拟单元11与模拟单元11、模拟单元11与电压输出端子3之间，用于向每一个模拟器输入偏置电流，模拟器根据偏置电流的大小输出符合约瑟夫森结特性的电压；
继电器4为磁保持式继电器，继电器4的输入端与最后一个模拟器1的电流输出端连接，输出端与系统的保护地5连接。
图2示出了根据本发明的一个实施例的约瑟夫森阵列模拟器的示意图。
约瑟夫森子结阵单元模拟器1包括模拟单元11与微控制器12，其中，模拟单元11包括采样电阻111、模数转换器113、数模转换器114、同相加法器119：
采样电阻111为低温度系数采样电阻，对输入的偏置电流进行采样，采样电阻111的其中一端作为模拟器的电流输入端与电压输出高端，另一端连接带有输出缓冲器的同相加法器119的输出端；
仪表放大器112，将偏置电流在采样电阻111上形成的差分电压放大为对地单端电压，仪表放大器112的输入端连接至采样电阻111的两端，仪表放大器112的输出端连接至模数转换器113的第一输入通道；
模数转换器113为双极性单端输入模数转换器，模数转换器113的第一输入通道连接至仪表放大器112的输出端，电流数据经模数转换器113转换成数字信号，第二输入通道连接电压输出高端，电压数据经模数转换器113转换成数字信号；
微控制器12，微控制器12通过第一磁耦隔离器14与模数转换器113连接，通过电流数据计算初始电压，微控制器12通过第二磁耦隔离器15与数模转换器114连接，将初始电压传送至数模转换器114，初始电压通过数模转换、分压，获得调整后的电压数据，将调整后的电压数据传输回微控制器12，与初始电压进行对比，存在误差则调整数模转换器114；第一磁耦隔离器14与第二磁耦隔离器15分别设置有两个内部回路，其中：第一磁耦隔离器14的第一回路与模数转换器113连接，第二回路与微控制器12连接；第二磁耦隔离器15的第一回路与数模转换器114连接，第二回路与微控制器12连接；
数模转换器114，数模转换器114的输出通道分别与第一分压器115与第二分压器116连接，将初始电压转换后传送至第一分压器115、第二分压器116进行电压调整，其中，第一分压器115为1:5分压器，第二分压器116为1:100分压器，该分压器分别用于初始电压的粗调和细调；
同相加法器119，同相加法器119的其中一个输入端通过第一缓冲器117连接第一分压器115，另一个输入端通过第二缓冲器118连接第二分压器116，同相加法器119的参考地端作为模拟器的电流输出端与电压输出低端，获得调整后的电压数据并传输至微控制器12与初始电压进行对比；同相加法器119的输出端接有输出缓冲器以降低输入电流对同相加法器119的影响。
每个约瑟夫森子结阵单元模拟器均第二供电系统13为双轨电源，为模拟单元11、第一磁耦隔离器14的第一回路、第二磁耦隔离器15的第一回路供电。
模拟系统还包括第一供电系统7，为单电源，为每个模拟器1的微控制器12、第一磁耦隔离器14与第二磁耦隔离器15的第二回路以及总控制器6供电。
综上所述，本系统通过与约瑟夫森阵列相同I-V特性的模拟器来替代需要极低温条件下操作的量子芯片，降低了研发风险和成本。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
图3示出了根据本发明的模拟方法的步骤的流程图。
在该实施例中，根据本发明的模拟方法可以包括：步骤1：总控制器通过微控制器向每个模拟器发送模拟参数；步骤2：每个模拟器分别计算目标函数的零阶、一阶贝塞尔函数值J0、J1；步骤3：通过偏置电流输入端子，确定流过每个模拟器的电流数值I；步骤4：根据每个模拟器的电流数值I对应的区间，计算每个模拟器对应的初始电压；步骤5：初始电压通过数模转换、分压，获得调整后的电压数据，将调整后的电压数据与初始电压进行对比，存在误差则调整数模转换器；步骤6：每个模拟器判断总控制器是否更新模拟参数，若是，则重复步骤2-6，若否，则重复步骤3-6，直至获取停止指令或系统关闭。
在一个示例中，目标函数为：
其中，A为目标函数，R为约瑟夫森结电阻，f为微波频率，P为微波功率，KJ为计算常数，KJ＝483597.9GHz/V。
在一个示例中，步骤4进一步包括：
确定每个模拟器的电流数值I对应的区间，确定计算策略：
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(2)计算初始电压：
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(3)计算初始电压：
若电流数值I在-Ic|J0|≤I≤Ic|J0|范围区间内，则通过公式(4)计算初始电压：
V＝0 (4)；
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(5)计算初始电压：
若电流数值I符合则通过公式(6)计算初始电压：
其中，V为初始电压，m为约瑟夫森结个数，Ic为约瑟夫森结临界电流。
具体地，根据本发明的模拟方法可以包括：步骤1：总控制器通过微控制器向每个模拟器发送模拟参数；步骤2：每个模拟器分别计算目标函数的零阶、一阶贝塞尔函数值J0、J1，其中，目标函数为公式(1)；步骤3：通过偏置电流输入端子，确定流过每个模拟器的电流数值I；步骤4：根据每个模拟器的电流数值I对应的区间，计算每个模拟器对应的初始电压：确定每个模拟器的电流数值I对应的区间，确定计算策略：①若电流数值I在范围区间内，则通过公式(2)计算初始电压；②若电流数值I在范围区间内，则通过公式(3)计算初始电压；③若电流数值I在-Ic|J0|≤I≤Ic|J0|范围区间内，则通过公式(4)计算初始电压；④若电流数值I在范围区间内，则通过公式(5)计算初始电压；⑤若电流数值I符合则通过公式(6)计算初始电压；步骤5：初始电压通过数模转换、分压，获得调整后的电压数据，将调整后的电压数据与初始电压进行对比，存在误差则根据误差调整数模转换器，；步骤6：每个模拟器判断总控制器是否更新模拟参数，若是，则重复步骤2-6，若否，则重复步骤3-6，直至获取停止指令或系统关闭。
本方法通过与约瑟夫森阵列相同I-V特性的模拟器来替代需要极低温条件下操作的量子芯片，降低了研发风险和成本。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种约瑟夫森阵列模拟系统，其特征在于，该系统包括：
总控制器；
一对电压输出端子；
多个约瑟夫森子结阵单元模拟器，每个模拟器均包括模拟单元、微控制器：
每个模拟器的模拟单元的电流输出端与下一个模拟器的模拟单元的电流输入端连接，第一个模拟器的模拟单元的电流输入端与电压输出端子的高端连接，最后一个模拟器的模拟单元的电流输出端与电压输出端子的低端连接，每个模拟器的微控制器通过控制总线连接于所述总控制器；
多个偏置电流输入端子，分别设置于所述模拟单元与所述模拟单元、所述模拟单元与所述电压输出端子之间。
2.根据权利要求1所述的约瑟夫森阵列模拟系统，其中，所述模拟单元包括采样电阻、模数转换器、数模转换器、同相加法器：
采样电阻连接模拟器的电流输入端与电压输出高端、同相加法器；
模数转换器连接所述采样电阻与所述电压输出高端，获得电流数据、电压数据并转换；
微控制器连接所述模数转换器与所述数模转换器，通过所述电流数据计算初始电压，将所述初始电压传送至所述数模转换器；
数模转换器连接第一分压器与第二分压器，将所述初始电压转换后传送至所述第一分压器、所述第二分压器进行电压调整；
同相加法器连接所述第一分压器、所述第二分压器与模拟器的电流输出端与电压输出低端，获得调整后的电压数据并传输至所述微控制器与所述初始电压进行对比。
3.根据权利要求2所述的约瑟夫森阵列模拟系统，其中，所述模拟器还包括第一磁耦隔离器与第二磁耦隔离器，所述第一磁耦隔离器与所述第二磁耦隔离器分别设置有两个内部回路，其中：
所述第一磁耦隔离器的第一回路与所述模数转换器连接，第二回路与所述微控制器连接；
所述第二磁耦隔离器的第一回路与所述数模转换器连接，第二回路与所述微控制器连接。
4.根据权利要求3所述的约瑟夫森阵列模拟系统，其中，还包括：
第一供电系统，为每个模拟器的所述微控制器、所述第一磁耦隔离器与所述第二磁耦隔离器的第二回路以及所述总控制器供电。
5.根据权利要求3所述的约瑟夫森阵列模拟系统，其中，所述模拟单元还包括：
仪表放大器，所述仪表放大器的输入端连接至所述采样电阻的两端，所述仪表放大器的输出端连接至模数转换器的第一输入通道；
第一缓冲器，所述第一缓冲器分别连接所述同相加法器的其中一个输入端与所述第一分压器；
第二缓冲器，所述第二缓冲器分别连接所述同相加法器的另一个输入端与所述第二分压器。
6.根据权利要求5所述的约瑟夫森阵列模拟系统，其中，每个模拟器还包括：
第二供电系统，为该模拟器的所述模拟单元、所述第一磁耦隔离器的第一回路、所述第二磁耦隔离器的第一回路供电。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的约瑟夫森阵列模拟系统，其中，还包括：
继电器，所述继电器的输入端与最后一个模拟器的电流输出端连接，输出端与系统的保护地连接。
8.利用权利要求1-7中任意一项所述的约瑟夫森阵列模拟系统的模拟方法，其特征在于，包括：
步骤1：总控制器通过微控制器向每个模拟器发送模拟参数；
步骤2：每个模拟器分别计算目标函数的零阶、一阶贝塞尔函数值J0、J1；
步骤3：通过所述偏置电流输入端子，确定流过每个模拟器的电流数值I；
步骤4：根据每个模拟器的电流数值I对应的区间，计算每个模拟器对应的初始电压；
步骤5：所述初始电压通过数模转换、分压，获得所述调整后的电压数据，将所述调整后的电压数据与所述初始电压进行对比，存在误差则调整数模转换器；
步骤6：每个模拟器判断所述总控制器是否更新模拟参数，若是，则重复步骤2-6，若否，则重复步骤3-6，直至获取停止指令或系统关闭。
9.根据权利要求8所述的模拟方法，其中，所述目标函数为：
其中，A为目标函数，R为约瑟夫森结电阻，f为微波频率，P为微波功率，KJ为计算常数。
10.根据权利要求8所述的模拟方法，其中，步骤4进一步包括：
确定每个模拟器的电流数值I对应的区间，确定计算策略：
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(2)计算所述初始电压：
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(3)计算所述初始电压：
若电流数值I在-Ic|J0|≤I≤Ic|J0|范围区间内，则通过公式(4)计算所述初始电压：
V＝0 (4)；
若电流数值I在范围区间内，则通过公式(5)计算所述初始电压：
若电流数值I符合则通过公式(6)计算所述初始电压：
其中，V为初始电压，m为约瑟夫森结个数，Ic为约瑟夫森结临界电流。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102346464A (zh) * | 2011-06-14 | 2012-02-08 | 武汉科技大学 | 一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置 |
| CN105573391A (zh) * | 2016-03-04 | 2016-05-11 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 太阳阵模拟器的开路电压控制电路及其开路电压控制方法 |
| CN105703711A (zh) * | 2016-03-16 | 2016-06-22 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器 |
| CN205430175U (zh) * | 2016-03-16 | 2016-08-03 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器 |
| CN205427679U (zh) * | 2016-03-04 | 2016-08-03 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 太阳阵模拟器的开路电压控制电路 |
| CN106981989A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-07-25 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 线性功率级的多路并联型压控电流源及太阳能阵列模拟器 |
| CN206863182U (zh) * | 2017-04-18 | 2018-01-09 | 上海同湛新能源科技有限公司 | 高电压安全输出的电池模拟器 |
| CN107677908A (zh) * | 2017-10-13 | 2018-02-09 | 常州普莱德新能源电池科技有限公司 | 一种动力电池智能模拟系统 |
| CN207440271U (zh) * | 2017-10-24 | 2018-06-01 | 安徽优旦科技有限公司 | 一种多通道模拟电池装置 |
| CN207704003U (zh) * | 2017-12-31 | 2018-08-07 | 珠海市运泰利自动化设备有限公司 | 一种利用功率运放模拟电池充放电电路 |
| CN110618300A (zh) * | 2019-09-18 | 2019-12-27 | 宿州市泰华仪表有限公司 | 一种模拟电阻的电路 |
-
2020
- 2020-03-19 CN CN202010196724.3A patent/CN111323623B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102346464A (zh) * | 2011-06-14 | 2012-02-08 | 武汉科技大学 | 一种0～20mA或4～20mA直流模拟量输出装置 |
| CN105573391A (zh) * | 2016-03-04 | 2016-05-11 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 太阳阵模拟器的开路电压控制电路及其开路电压控制方法 |
| CN205427679U (zh) * | 2016-03-04 | 2016-08-03 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 太阳阵模拟器的开路电压控制电路 |
| CN105703711A (zh) * | 2016-03-16 | 2016-06-22 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器 |
| CN205430175U (zh) * | 2016-03-16 | 2016-08-03 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 开关型电压源与线性电流源结合的太阳阵模拟器 |
| CN106981989A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-07-25 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 线性功率级的多路并联型压控电流源及太阳能阵列模拟器 |
| CN206863182U (zh) * | 2017-04-18 | 2018-01-09 | 上海同湛新能源科技有限公司 | 高电压安全输出的电池模拟器 |
| CN107677908A (zh) * | 2017-10-13 | 2018-02-09 | 常州普莱德新能源电池科技有限公司 | 一种动力电池智能模拟系统 |
| CN207440271U (zh) * | 2017-10-24 | 2018-06-01 | 安徽优旦科技有限公司 | 一种多通道模拟电池装置 |
| CN207704003U (zh) * | 2017-12-31 | 2018-08-07 | 珠海市运泰利自动化设备有限公司 | 一种利用功率运放模拟电池充放电电路 |
| CN110618300A (zh) * | 2019-09-18 | 2019-12-27 | 宿州市泰华仪表有限公司 | 一种模拟电阻的电路 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 戴岭等: "约瑟夫森结非线性特性的计算机模拟", 《物理实验》 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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