CN111478700A - 约瑟夫森子结阵单元模拟器 - Google Patents

Abstract

公开了一种约瑟夫森子结阵单元模拟器，包括模拟单元、微控制器与磁耦隔离器，模拟单元与微控制器通过磁耦隔离器连接，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；模数转换器分别连接至采样电阻与电压输出高端；微控制器分别连接模数转换器与数模转换器；数模转换器的输出通道分别与第一分压器、第二分压器连接；同相加法器的输入端分别连接第一分压器与第二分压器，参考地端作为模拟器的电流输出端与电压输出低端。本发明通过约瑟夫森子结阵单元模拟器，模拟约瑟夫森子结阵的电流‑电压特性，降低约瑟夫森结阵及其电压基准系统的风险与成本。

Description

约瑟夫森子结阵单元模拟器

技术领域

本发明涉及计量测试仪表领域，更具体地，涉及一种约瑟夫森子结阵单元模拟器。

背景技术

约瑟夫森节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子结阵单元模拟器。

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子结阵单元模拟器，其能够通过模拟单个直流约瑟夫森子结阵的电流-电压特性，提出一种利用常规电子电路实现的直流约瑟夫森子结阵单元模拟器，降低约瑟夫森结阵及其电压基准系统的风险与成本。

所述模拟器包括模拟单元、微控制器与磁耦隔离器，所述模拟单元与所述微控制器通过所述磁耦隔离器连接，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。

优选地，所述微控制器通过第一磁耦隔离器与所述模数转换器连接，通过所述电流数据计算初始电压，所述微控制器通过第二磁耦隔离器与所述数模转换器连接，将所述初始电压传送至所述数模转换器。

优选地，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，为所述第一磁耦隔离器的第二回路、所述第二磁耦隔离器的第二回路、所述微控制器供电。

优选地，所述第一供电系统为单电源。

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。

优选地，所述模拟单元还包括：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，还包括：第二供电系统，为所述模拟单元、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，所述第二供电系统为双轨电源。

优选地，所述模数转换器的第一输入通道连接至所述采样电阻，获得电流数据并转换，第二输入通道连接所述电压输出高端，获得电压数据并转换。

优选地，所述第一分压器为1:5分压器。

优选地，所述第二分压器为1:100分压器。

优选地，所述同相加法器带有输出缓冲器。

本发明的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子结阵单元模拟器的示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的约瑟夫森子结阵单元模拟器的电路原理图。

附图标记说明：

1、采样电阻；2、仪表放大器；3、模数转换器；4、数模转换器；5、第一分压器；6、第二分压器；7、第一缓冲器；8、第二缓冲器；9、同相加法器；10、第一磁耦隔离器；11、第二磁耦隔离器；12、微控制器；13、第一供电系统；14、第二供电系统。

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子结阵单元模拟器，其特征在于，模拟器包括模拟单元、微控制器与磁耦隔离器，模拟单元与微控制器通过磁耦隔离器连接，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，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。

在一个示例中，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，为第一磁耦隔离器的第二回路、第二磁耦隔离器的第二回路、微控制器供电。

在一个示例中，第一供电系统为单电源。

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。

在一个示例中，模拟单元还包括：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，还包括：第二供电系统，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。

在一个示例中，第二供电系统为双轨电源。

在一个示例中，模数转换器的第一输入通道连接至采样电阻，获得电流数据并转换，第二输入通道连接电压输出高端，获得电压数据并转换。

在一个示例中，第一分压器为1:5分压器。

在一个示例中，第二分压器为1:100分压器。

在一个示例中，同相加法器带有输出缓冲器。

图1示出了根据本发明的一个实施例的约瑟夫森子结阵单元模拟器的示意图。

具体地，约瑟夫森子结阵单元模拟器包括模拟单元、微控制器12与磁耦隔离器，模拟单元与微控制器12通过磁耦隔离器连接，其中，模拟单元包括采样电阻1、模数转换器3、数模转换器4、同相加法器9：

采样电阻1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1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9的输出端；

仪表放大器2，将偏置电流在采样电阻1上形成的差分电压放大为对地单端电压，仪表放大器2的输入端连接至采样电阻1的两端，仪表放大器2的输出端连接至模数转换器3的第一输入通道；

模数转换器3为双极性单端输入模数转换器，模数转换器3的第一输入通道连接至仪表放大器2的输出端，电流数据经模数转换器3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3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10与模数转换器3连接，完成偏置电流数值的计算，获得初始电压，微控制器12通过第二磁耦隔离器11与数模转换器4连接，将初始电压传送至数模转换器4，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4；第一磁耦隔离器10与第二磁耦隔离器11分别设置有两个内部回路，其中：第一磁耦隔离器10的第一回路与模数转换器3连接，第二回路与微控制器12连接；第二磁耦隔离器11的第一回路与数模转换器4连接，第二回路与微控制器12连接；

数模转换器4，数模转换器4的输出通道分别与第一分压器5与第二分压器6连接，将初始电压转换后传送至第一分压器5、第二分压器6进行电压调整，其中，第一分压器5为1:5分压器，第二分压器6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9，同相加法器9的其中一个输入端通过第一缓冲器7连接第一分压器5，另一个输入端通过第二缓冲器8连接第二分压器6，同相加法器9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9的输出端接有输出缓冲器以降低输入电流对同相加法器9的影响。

约瑟夫森子结阵单元模拟器包括两个供电系统，其中，第一供电系统13为单电源，为第一磁耦隔离器10的第二回路、第二磁耦隔离器11的第二回路、微控制器12供电；第二供电系统14为双轨电源，为模拟单元、第一磁耦隔离器10的第一回路、第二磁耦隔离器11的第一回路供电。

本模拟器通过模拟单个直流约瑟夫森子结阵的电流-电压特性，提出一种利用常规电子电路实现的直流约瑟夫森子结阵单元模拟器，降低约瑟夫森结阵及其电压基准系统的风险与成本。

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2示出了根据本发明的一个实施例的约瑟夫森子结阵单元模拟器的电路原理图。

约瑟夫森子结阵单元模拟器包括模拟单元、微控制器12与磁耦隔离器，模拟单元与微控制器12通过磁耦隔离器连接，其中，模拟单元包括采样电阻1、模数转换器3、数模转换器4、同相加法器9：

采样电阻1为低温度系数采样电阻，本实施例中选用较小阻值、高精度和低温度系数的电阻器采样电阻，具体选用0.2欧姆金属箔电阻Rs作为采样电阻1。采样电阻1对输入的偏置电流进行采样，采样电阻1的其中一端作为模拟器的电流输入端与电压输出高端，另一端连接同相加法器9的输出端。

仪表放大器2，将偏置电流在采样电阻1上形成的差分电压放大为对地单端电压，仪表放大器2的输入端连接至采样电阻1的两端，仪表放大器2的输出端连接至模数转换器3的第一输入通道；本实施例中选用AD8221作为仪表放大器2，并通过选择增益电阻Rg将其增益配置为500倍。

模数转换器3为双极性单端输入模数转换器，模数转换器3的第一输入通道连接至仪表放大器2的输出端，电流数据经模数转换器3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3转换成数字信号；本实施例选用AD7606双极性输入模数转换芯片作为模数转换器3，并将其配置为内部缓冲输入模式，选择±5V输出范围。

微控制器12，微控制器12通过第一磁耦隔离器10与模数转换器3连接，完成偏置电流数值的计算，获得初始电压，微控制器12通过第二磁耦隔离器11与数模转换器4连接，将初始电压传送至数模转换器4，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4；第一磁耦隔离器10与第二磁耦隔离器11分别设置有两个内部回路，其中：第一磁耦隔离器10的第一回路与模数转换器3连接，第二回路与微控制器12连接；第二磁耦隔离器11的第一回路与数模转换器4连接，第二回路与微控制器12连接；本实施例中的磁耦隔离器选用ADuM1401芯片，微控制器12选用STM32微控制器。

数模转换器4，数模转换器4的输出通道分别与第一分压器5与第二分压器6连接，将初始电压转换后传送至第一分压器5、第二分压器6进行电压调整，本实施例中所用数模转换器4为多通道、双极性输出AD5754芯片；本实施例中两路分压器分别为R5、R6组成的1:5分压器和R7、R8构成的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9，同相加法器的其中一个输入端通过第一缓冲器7连接第一分压器5，另一个输入端通过第二缓冲器8连接第二分压器6，本实施例中缓冲器所选器件为OPA177精密运算放大器，同相加法器9由精密运算放大器OP37和电阻器R1、R2、R3、R4构成，其中电阻数值满足关系R1＝R2＝R3＝R4，同相加法器9的参考地端，即本实施例中电阻R3与模拟地AGND的连接点，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9的输出端接有一个输出缓冲器用以降低输入电流对同相加法器9的影响，本实施例中输出缓冲器所选器件为OPA177精密运算放大器。

约瑟夫森子结阵单元模拟器包括两个供电系统，其中，第一供电系统13为﹢5V单电源，为第一磁耦隔离器10的第二回路、第二磁耦隔离器11的第二回路、微控制器12供电，其参考端为DGND；第二供电系统14为±12V双轨电源，取两组电池连接点作为参考地AGND，从而得到±12V双轨电源，再经线性稳压器转换为模拟器件所需的电压，为模拟单元、第一磁耦隔离器10的第一回路、第二磁耦隔离器11的第一回路供电，通过第二供电系统供电的模拟单元具体包括仪表放大器2、模数转换器3、数模转换器4、第一分压器5、第二分压器6、第一缓冲器7、第二缓冲器8、同相加法器9。

综上所述，本发明通过模拟单个直流约瑟夫森子结阵的电流-电压特性，提出一种利用常规电子电路实现的直流约瑟夫森子结阵单元模拟器，降低约瑟夫森结阵及其电压基准系统的风险与成本。

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)

1.一种约瑟夫森子结阵单元模拟器，其特征在于，所述模拟器包括模拟单元、微控制器与磁耦隔离器，所述模拟单元与所述微控制器通过所述磁耦隔离器连接，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。

2.根据权利要求1所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，所述微控制器通过第一磁耦隔离器与所述模数转换器连接，通过所述电流数据计算初始电压，所述微控制器通过第二磁耦隔离器与所述数模转换器连接，将所述初始电压传送至所述数模转换器。

3.根据权利要求2所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，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所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，还包括：

第一供电系统，为所述第一磁耦隔离器的第二回路、所述第二磁耦隔离器的第二回路、所述微控制器供电。

5.根据权利要求4所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，所述第一供电系统为单电源。

6.根据权利要求2所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，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。

7.根据权利要求2所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，所述模拟单元还包括：

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。

8.根据权利要求6或7所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，还包括：

第二供电系统，为所述模拟单元、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。

9.根据权利要求8所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，所述第二供电系统为双轨电源。

10.根据权利要求1所述的约瑟夫森子结阵单元模拟器，其中，所述模数转换器的第一输入通道连接至所述采样电阻，获得电流数据并转换，第二输入通道连接所述电压输出高端，获得电压数据并转换。

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