CN116047959A - 一种控制系统及中性冷原子量子系统 - Google Patents

一种控制系统及中性冷原子量子系统 Download PDF

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CN116047959A CN202211696522.0A CN202211696522A CN116047959A CN 116047959 A CN116047959 A CN 116047959A CN 202211696522 A CN202211696522 A CN 202211696522A CN 116047959 A CN116047959 A CN 116047959A
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张闻哲
仝煜
杜江峰
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    • G05B2219/25257—Microcontroller

Abstract

本申请公开了一种控制系统及中性冷原子量子系统，应用于控制领域。该系统可以对待测脉冲信号的脉冲个数进行计数以及对控制模块的工作参数进行采样，以得到光电倍增管当前输出的待测脉冲信号及控制模块当前的工作状态，然后上位机基于计数结果、采样参数生成工作指令，对控制模块进行闭环控制，以使控制模块的工作参数稳定在目标参数。此外，本申请中的控制系统包括的各个模块集成在同一PCB板卡上中，并不是分立存在的，可以提高各个模块之间传输信号的速度，在一定程度上可以避免信号传输的延时情况，将此控制系统应用于中性冷原子量子系统时，可以更精确的提取实验数据。

Description

一种控制系统及中性冷原子量子系统
技术领域
本发明涉及控制领域，特别是涉及一种控制系统及中性冷原子量子系统。
背景技术
中性冷原子量子实验一般涉及冷原子团、原子阵列的制备以及单原子内态的制备与操控等操作。为了实现冷原子团的制备与冷原子阵列的操作，需要依赖磁光阱与微型光学偶极阱。为实现对冷原子的精细调控，需要微秒量级的激光开关时序控制，同时利用激光激发并进行光子计数的方式对量子态进行读出。
因此，提供一种用于中性冷原子量子系统的高集成度、低延时度及高精准度的控制系统，以实现对中性冷原子量子系统可靠的控制是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制系统及中性冷原子量子系统，包括的各个模块集成在同一PCB板卡上中，并不是分立存在的，可以提高各个模块之间传输信号的速度，在一定程度上可以避免信号传输的延时情况，将此控制系统应用于中性冷原子量子系统时，可以更精确的提取实验数据。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种控制系统，应用于中性冷原子量子系统，所述中性冷原子量子系统包括用于输出待测脉冲信号的光电倍增管，以及用于对所述中性冷原子量子系统的外部系统进行控制的控制模块；所述控制系统包括集成于同一PCB板卡上的中央控制模块、计数器功能模块、控制信号功能模块以及反馈控制功能模块；
所述中央控制模块，用于将所述反馈控制功能模块输出的采样参数及所述计数器功能模块输出的计数结果反馈至所述上位机，以使所述上位机基于所述反馈数据、所述计数结果生成工作指令，并将所述上位机输出的所述工作指令发送至所述控制信号功能模块；
所述计数器功能模块，用于对所述光电倍增管输出的所述待测脉冲信号的脉冲个数进行计数，得到所述计数结果；
所述控制信号功能模块，用于根据所述工作指令生成对应的预设波形以对所述中性冷原子量子系统中的控制模块控制；
所述反馈控制功能模块，用于对所述控制模块的工作参数进行采样，得到采样参数，并基于所述工作指令对应的所述目标参数和所述工作参数的差值对所述控制模块进行闭环控制，以使所述控制模块的工作参数稳定在所述目标参数。
优选地，所述计数器功能模块包括甄别器及计数器；
所述甄别器，用于将所述待测脉冲信号中超过预设电平的脉冲信号的幅度和宽度进行处理以使所述幅度和宽度满足预设标准；
所述计数器，用于接收所述甄别器输出的脉冲信号，并对所述脉冲信号的上升沿或下降沿计数，得到所述计数结果。
优选地，所述反馈控制功能模块包括反馈控制器模块及反馈控制器外围电路，所述反馈控制器外围电路包括第一模数转换器、第一数模转换器；
所述模数转换器，用于将所述采样参数由模拟量转换为数字量，得到数字量的采样参数；
所述反馈控制器模块，用于对所述数字量的采样参数及所述目标参数的差值进行比例-积分-微分运算，生成控制信号；
所述第一数模转换器，用于将所述控制信号由数字量转换为模拟量，得到模拟量的控制信号，以对所述控制模块进行控制使所述控制模块的工作参数稳定在所述目标参数。
优选地，所述控制模块包括激光器及线圈，所述控制信号功能模块包括任意波形发生器、直接数字合成器、脉冲序列发生器；
将所述上位机输出的所述工作指令发送至所述控制信号功能模块，包括：
将所述波形数据发送至所述任意波形发生器功能模块、将所述波形的频率、振幅及相位发送至所述直接数字合成器、将所述脉冲数据发送至所述脉冲序列发生器；
所述任意波形发生器功能模块，用于根据所述中央控制模块配置的波形数据输出对应的预设波形；
所述直接数字合成器，用于根据所述中央控制模块配置的波形的频率、相位和振幅生成射频信号，以控制所述激光器的频率、幅度及相位；
所述脉冲序列发生器，用于根据所述中央控制模块配置的脉冲数据产生时序脉冲信号，以为所述激光器及所述线圈提供工作时序。
优选地，所述任意波形发生器包括任意波形发生器模块及任意波形发生器输出电路；所述任意波形发生器包括数据分发模块、若干个不同的数据处理模块及数据缓存模块，所述任意波形发生器输出电路包括第二数模转换器及输出调理电路；
所述数据分发模块用于对接收到的波形数据的类型进行分类，并将分类的波形数据发送至和数据类型对应的数据处理模块；
所述数据处理模块用于根据对接收到的波形数据进行处理，以生成对应的波形；
所述数据缓存模块用于将所述数据处理模块输出的波形中的高位宽低速度的数据转换为低位宽高速度的数据；
所述第二数模转换器用于将所述数据缓存模块输出的数字波形转换为模拟波形并输出；
所述输出调理电路用于对所述模拟波形进行滤波和/或增益调节和/或偏置处理。
优选地，所述直接数字合成器功能模块包括直接数字合成器控制模块、直接数字合成器、第三数模转换器及增益放大电路；
所述直接数字合成器控制模块用于根据接收到的波形的频率和相位为所述直接数字合成器配置频率及相位；
所述直接数字合成器用于根据配置的频率及相位生成射频信号。
所述第三数模转换器用于将所述直接数字合成器控制模块输出的幅度信息由数字量转换为模拟量；
所述增益放大电路用于根据所述模拟量的幅度信息对所述射频信号的幅值进行放大。
优选地，所述脉冲序列发生器功能模块包括脉冲发生器模块和脉冲发生器输出电路。
所述脉冲发生器模块用于对所述脉冲数据进行解析，以输出与所述脉冲信息对应的预设电平及预设脉冲宽度的脉冲波形；
所述脉冲发生器输出电路用于对所述脉冲发生器模块产生的波形进行偏置处理，以为所述激光器及所述线圈提供上述工作时序。
优选地，所述中央控制模块还用于根据上位机发送的初始化参数对所述计数器功能模块、所述控制信号功能模块及所述反馈控制功能模块进行配置。
优选地，还包括集成于同一PCB板卡上的存储模块，用于对所述上位机发送的工作指令、所述初始化参数、所述采样参数及所述计数结果进行存储。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种中性冷原子量子系统，包括用于输出待测脉冲信号的光电倍增管、控制模块及上述所述的控制系统。
本申请提供了一种控制系统，应用于控制领域。该系统包括中央控制模块、计数器功能模块、控制信号功能模块及反馈控制功能模块，可以对待测脉冲信号的脉冲个数进行计数以及对控制模块的工作参数进行采样，以得到光电倍增管当前输出的待测脉冲信号及控制模块当前的工作状态，然后上位机基于计数结果、采样参数和目标待测脉冲信号生成工作指令，对控制模块及光电倍增管进行闭环控制，以使输出的脉冲信号稳定在期望脉冲信号。此外，本申请中的控制系统包括的各个模块集成在同一PCB板卡上，并不是分立存在的，可以提高各个模块之间传输信号的速度，在一定程度上可以避免信号传输的延时情况，将此控制系统应用于中性冷原子量子系统时，可以更精确的提取实验数据。
本申请还提供了一种中性冷原子量子系统，与上述描述的控制系统具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种控制系统的结构框图；
图2为本申请提供的一种反馈控制功能模块的结构框图；
图3为本申请提供的一种控制信号功能模块的结构框图；
图4为本申请提供的控制系统工作的流程示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种控制系统及中性冷原子量子系统，包括的各个模块集成在同一PCB板卡上中，并不是分立存在的，可以提高各个模块之间传输信号的速度，在一定程度上可以避免信号传输的延时情况，将此控制系统应用于中性冷原子量子系统时，可以更精确的提取实验数据。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本申请提供的一种控制系统的结构框图，该系统应用于中性冷原子量子系统，中性冷原子量子系统包括用于输出待测脉冲信号的光电倍增管，以及用于对中性冷原子量子系统的外部系统进行控制的控制模块；控制系统包括集成于同一PCB(Printed circuit board，印刷电路板)板卡上的中央控制模块11、计数器功能模块12、控制信号功能模块13以及反馈控制功能模块14；
中央控制模块11，用于将反馈控制功能模块输出的采样参数及计数器功能模块输出的计数结果反馈至上位机，以使上位机基于反馈数据、计数结果及控制模块的目标参数生成工作指令，并将上位机输出的工作指令发送至控制信号功能模块13；
计数器功能模块12，用于对光电倍增管输出的待测脉冲信号的脉冲个数进行计数，得到计数结果；
控制信号功能模块13，用于根据工作指令生成对应的预设波形以对中性冷原子量子系统中的控制模块控制；
反馈控制功能模块14，用于对控制模块的工作参数进行采样，得到采样参数，并基于工作指令对应的目标参数和工作参数的差值对控制模块进行闭环控制，以使控制模块的工作参数稳定在目标参数。
具体地，中性冷原子量子系统包括控制模块及光电倍增管，通过对控制模块进行控制，以使控制模块输出控制信号以控制中性冷原子量子系统中的外部系统(如声光调制器(AOM)等)工作在目标状态，本申请中对外部系统的状态进行获取的方式为:通过对光电倍增管出并进行分析，以间接获取外部系统的当前状态。由于系统中存在的各种原因，可能会导致外部系统的工作状态并非是目标状态。因此本申请提供了一种可靠的控制系统，该系统中设置了中央控制模块11、计数器功能模块12、控制信号功能模块13以及反馈控制功能模块14，其中，中央控制模块11为信号传输的作用，用于传输上位机和各个模块之间的数据及信号等。具体地，计数器功能模块12用于对光电倍增管输出的待测脉冲信号的脉冲个数进行计数，得到计数结果，反馈控制功能模块14用于对控制模块的工作参数进行采样，得到采样参数，中央控制模块11将计数结果和采样参数传输至上位机，上位机基于控制信号的目标参数、计数结果和采样参数进行计算，输出对应的工作指令，中央控制模块11将上位机输出的工作指令输出至控制信号功能模块13，以使控制信号功能模块13输出与工作指令对应的预设波形，以对控制模块进行控制，此外，反馈控制模块对控制模块的工作参数进行闭环调节，使得控制模块的工作参数稳定在与工作指令对应的目标参数，，实现了对控制模块的闭环调节，又由于控制模块是控制中性冷原子量子系统中的外部系统(如声光调制器等)，所以也实现了对外部系统的闭环调节，使得外部系统保持稳定，进而提高中性冷原子量子系统工作的可靠性。
进一步的，本申请中的所有功能模块集成在同一PCB板卡上，也即是，上述中央控制模块11、控制信号功能模块13、反馈控制功能模块14及计数模块集成在同一PCB板卡上中，此时，各个模块之间的数据及信号需要进行交互时，不需要再使用其他的物理连接(如数据线等)，可以直接进行数据及信号的传输，从而可以提高数据及信号传输的速度和效率，进而在一定程度上可以避免由于物理连接带来的延时及不同步等问题，提高了各个模块的工作性能。
需要说明的是，本申请中对光电倍增管进行控制的控制模块可以但不限于是包括激光器及线圈，此时，具体输出的预设波形用于对激光器的频率、相位、幅值及工作时序、以及对线圈的工作时序等进行控制。
综上，本申请中的控制系统可以对控制模块的工作参数进行闭环控制，且各个模块集成在同一PCB板卡上，可以提高各个模块之间传输信号的速度，在一定程度上可以避免信号传输的延时情况，将此控制系统应用于中性冷原子量子系统时，可以更精确的提取实验数据。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选的实施例，中央控制模块11还用于根据上位机发送的初始化参数对计数器功能模块12、控制信号功能模块13及反馈控制功能模块14进行配置。
进一步的，本申请中的中央控制模块11还用于接收上位机发送的初始化参数或者配置参数等，以对后端的计数器功能模块12、控制信号功能模块13及反馈控制功能模块14进行初始化或者配置。
作为一种优选的实施例，还包括集成于同一PCB板卡上且设置于中央控制模块11和上位机之间的通讯模块，用于接收来自上位机发送的工作指令、初始化参数，以及将中央控制模块11传输的计数结果和采样参数传输至上位机。
作为一种优选的实施例，还包括集成于同一PCB板卡上的存储模块，用于对上位机发送的工作指令、初始化参数、采样参数及计数结果进行存储。
进一步的，存储模块还可以对中性冷原子量子系统在实验过程中产生的波形数据或者其他实验数据进行存储，以便后续对这些数据进行查询或调用。
此外，本申请中的存储模块支持多通道数据的同时存取，且各个通道之间相互独立。
作为一种优选的实施例，计数器功能模块12包括甄别器及计数器；
甄别器，用于将待测脉冲信号中超过预设电平的脉冲信号的幅度和宽度进行处理，以使幅度和宽度满足预设标准；
计数器，用于接收甄别器输出的脉冲信号，并对脉冲信号的上升沿或下降沿计数，得到计数结果。
具体地，一般地，实验中产生的光脉冲信号经由光电倍增管转换为电信号，这些电信号便是待测脉冲信号的重要组成部分。待测脉冲信号中通常会存在一些电压不在预设范围之内的信号，此种信号判定为噪声干扰信号，因此需要对此类型号进行剔除处理，因此本申请中还设置了甄别器，用于对超过预设电平的脉冲信号的幅度和宽度进行处理，以使其满足预设标准，以此剔除待测脉冲信号中的噪声干扰。计数器对光电倍增管输出的待测脉冲信号的个数进行计数的具体方式为：对脉冲信号的上升沿或下降沿计数，得到计数结果。在一具体实施例中，计数器对脉冲信号的上升沿进行计数，以得到计数结果。
其中，计数器通常需要被内部的脉冲序列发生模块产生的脉冲信号边沿触发，以此开始或停止计数。进一步的，实验中计数器功能模块12产生的数据(如计数结果)将由中央控制模块11暂存于存储模块中，待实验结束之后根据需求再读取存储数据中的相关数据。
可见，本实施例中的方式可以实现对待测脉冲信号中脉冲个数的计数，还可以对不满足预设标准的待测脉冲信号的幅度和宽度进行调整，进而可以滤除待测脉冲信号中的干扰及杂波信号。
请参照图2，图2为本申请提供的一种反馈控制功能模块的结构框图。
作为一种优选的实施例，反馈控制功能模块14包括反馈控制器模块22及反馈控制器外围电路21，反馈控制器外围电路21包括第一模数转换器、第一数模转换器；
模数转换器，用于将采样参数由模拟量转换为数字量，得到数字量的采样参数；
反馈控制器模块22，用于对数字量的采样参数及目标参数的差值进行比例-积分-微分运算，生成控制信号；
第一数模转换器，用于将控制信号由数字量转换为模拟量，得到模拟量的控制信号，以对控制模块进行控制使所述控制模块的工作参数稳定在所述目标参数。
具体地，为保证中性冷原子量子系统中各个参数的稳定性，本申请中还设置了反馈控制功能模块14，其具体包括：反馈控制器外围电路21和反馈控制器模块22两部分。其中，反馈控制器外围电路21主要是将采样参数(反馈输入)由第一模数转换器(ADC)转换为数字量的采样参数；同时来自反馈控制器模块22的控制信号也将通过第一数模转换器(DAC)转换为模拟量的控制信号作为反馈输出。而反馈控制器模块22用于将数字量的采样参数与预先设定好的值(也即是目标参数)进行比例积分微分运算。具体地，将采样参数和目标参数进行对比作差得到误差项e，该误差项在比例-积分-微分控制模块将配合KP(比例参数)、KI(积分参数)、KD(微分参数)三项权重分别进行比例增大、积分、差分运算，最终将得到的结果进行加和，以此作为反馈输出的数字波形。
具体地，在工作过程中，反馈输入与反馈输出可以实时通过中央控制模块11返回上位机，以此实现对系统的实时监测，与此同时反馈输入与反馈输出也将经由中央控制模块11传输至存储模块中，以备后续查验。
进一步的，在中性冷原子量子系统实验工程中，通过中央控制模块11向反馈控制功能模块14传入设定值并设定好KP、KI、KD的数值，误差值e将经过上述比例-积分-微分的运算得到逼近设定值的反馈输出，以此稳定控制模块的工作参数(具体可以为激光器的激光频率、功率等参数)。
作为一种优选的是实施例，反馈控制功能模块14还包括输入调理电路和输出调理电路；
其中输入调理电路用于对所述采样参数进行滤波、增益调节、偏置处理中一种或多种的组合；
输出调理电路，用于对所述模拟量的控制信号进行滤波、增益调节及偏置处理中一种或多种的组合。
进一步的，本申请中还设置了输入调理电路和输出调理电路，以对反馈输入以及反馈输出进行滤波和/或增益调节和/或偏置处理，以保证输入的模拟量的采样参数以及输出的模拟的控制信号的可靠性。
请参照图3，图3为本申请提供的一种控制信号功能模块的结构框图。
作为一种优选的实施例，控制模块包括激光器及线圈，控制信号功能模块13包括任意波形发生器、直接数字合成器、脉冲序列发生器；
将上位机输出的工作指令发送至控制信号功能模块13，包括：
将波形数据发送至任意波形发生器功能模块31、将波形的频率、振幅及相位发送至直接数字合成器、将脉冲数据发送至脉冲序列发生器；
任意波形发生器功能模块31，用于根据中央控制模块11配置的波形数据输出对应的预设波形；
直接数字合成器，用于根据中央控制模块11配置的波形的频率、相位和振幅生成射频信号，以控制激光器的频率、幅度及相位；
脉冲序列发生器，用于根据中央控制模块11配置的脉冲数据产生时序脉冲信号，以为激光器及线圈提供工作时序。
具体地，在控制信号功能模块13分为任意波形发生器模块(AWG，ArbitraryWaveform Generator)、直接数字合成模块(DDS，Direct Digital Synthesizer)以及脉冲序列发生器模块(PSG，Pulse-series Generator)三部分时。上位机输出的工作指令中包括对波形数据、波形的频率、振幅、相位及脉冲数据。此时，中央控制模块11向各部分分发不同的数据时，可以是由来自中央控制模块11的数据处理单元将波形信息(波形数据、波形参数或描述波形多项式的系数等)分别分发给控制信号发生模块的三个功能模块，以使任意波形发生器功能模块31根据中央控制模块11配置的波形数据输出对应的预设波形；直接数字合成器根据中央控制模块11配置的波形的频率、相位和振幅生成射频信号，以控制激光器的频率、幅度及相位；脉冲序列发生器中央控制模块11配置的脉冲数据产生时序脉冲信号，以为激光器及线圈提供工作时序。
下面将分别介绍这三个功能模块：
作为一种优选的实施例，任意波形发生器包括任意波形发生器模块及任意波形发生器输出电路；任意波形发生器包括数据分发模块、若干个不同的数据处理模块及数据缓存模块，任意波形发生器输出电路包括第二数模转换器及输出调理电路；
数据分发模块用于对接收到的波形数据的类型进行分类，并将分类的波形数据发送至和数据类型对应的数据处理模块；
数据处理模块用于根据对接收到的波形数据进行处理，以生成对应的波形；
数据缓存模块用于将数据处理模块输出的波形中的高位宽低速度的数据转换为低位宽高速度的数据；
第二数模转换器用于将数据缓存模块输出的数字波形转换为模拟波形并输出；
输出调理电路用于对模拟波形进行滤波和/或增益调节和/或偏置处理。
具体地，任意波形发生器功能模块31包括任意波形发生器模块和任意波形发生器输出电路。
任意波形发生器模块包括数据分发单元、若干个数据处理模块以及数据缓存模块。数据分发模块根据波形数据的类型或者模式选择将波形信息分发至不同的数据处理模块中。数据缓存模块可以将上述若干个数据处理模块提供的高位宽低速度数据变为低位宽高速度数据输出到第二数模转换器(DAC)，以实现高采样率输出。第二数模转换器(DAC)将输入的数字波形转换为输出的模拟波形。输出调理电路包含增益调节电路与滤波电路，实现对输出波形的增益调节与滤波，进而提高输出的模拟波形的可靠性。
进一步的，在波形数据的类型包括三种时，本申请中的数据处理模块也包括三种，其一为数据传输模块，用于处理满足预设标准的波形数据，数据分发单元将此数据输入至数据传输模块之后，数据传输模块直接将此数据传输出来即可生成对应的波形(例如此类数据为满足要求的方波数据、或者是实验人员主动输入的一个需要直接输出的波形对应的数据等，本申请在此不在限定)。其二为数据生成模块，用于对波形数据为多项式数据的数据进行处理，以生成与多项式数据对应的波形(例如，多项式数据为y＝ax2+bx+c或者是其他的多项式)，此处的数据生成模块即是针对多项式数据进行计算，以生成对应的波形。其三为数据计算模块，用于根据输入的波形参数进行计算，以生成对应的波形(例如，波形参数为正弦波形对应的幅值、频率和初始相位等，此时数据计算单元根据输入的正弦参数输出对应的正弦波形，当然，也不限于此，本申请在此不在限定)。
进一步的，上述波形信息可以但不限于存储与上述存储模块中，此时，在任意波形发生器模块工作时，中央控制模块11根据上位机指令从存储模块导出对应的波形信息即可，随后波形信息对应的波形数据被传输给任意波形发生器模块，该模块中的数据分发单元接受波形信息，并按照中央控制模块11配置的工作模式(相当于中央控制模块11输出的波形数据的类型)，将数据传输到相应工作模式的数据处理模块。接下来输出数字波形经第二数模转换器(DAC)转换为模拟波形，模拟波形经过输出调理电路的滤波、增益调节以及信号偏置，得到任意波形输出。任意波形发生器输出电路可以根据实际需要拓展到2个乃至更多通道，本申请在此不再限定。
在中性冷原子量子实验中，该功能模块将接收中央控制模块11调配的波形数据与控制信号，输出波形信号。例如可以输出设定的任意波形信号来调配外部的声光调制器(AOM，Acousto-optic modulator)，从而精确控制控制模块中激光功率、偏振态等参数，达到实现单量子比特任意叠加态的制备与操控的目的。
作为一种优选的实施例，直接数字合成器功能模块32包括直接数字合成器控制模块、直接数字合成器、第三数模转换器及增益放大电路；
直接数字合成器控制模块用于根据接收到的波形的频率和相位为直接数字合成器配置频率及相位；
直接数字合成器用于根据配置的频率及相位生成射频信号。
第三数模转换器用于将直接数字合成器控制模块输出的幅度信息由数字量转换为模拟量；
增益放大电路用于根据模拟量的幅度信息对射频信号的幅值进行放大。
具体地，直接数字合成器功能模块32包括FPGA内部的直接数字合成器控制模块与直接数字合成器输出电路，直接数字合成器输出电路包含直接数字合成器、第三数模转换器(DAC)、可变增益放大器和输出调理电路。
其中，直接数字合成器控制模块根据接收到的波形信息(具体为波形的频率、相位和波形幅度)，逐段地、定时地对直接数字合成器配置其幅度、频率、相位，并将幅度信息分配给第三数模转换器(DAC)使其产生增益放大电路的控制电压，以调控输出射频信号的幅值(其中，增益放大电路的增益可调)。直接数字合成器根据所配置的波形频率与相位生成射频信号，该信号经过增益放电路进行放大后，再次经过输出调节电路进行滤波、信号偏置等处理，最终输出到外部。
进一步的，本申请中支持16个独立的射频信号输出通道，且输出通道的个数可以根据需要拓展。
在中性冷原子量子系统的实验中，上述生成的射频信号可以用于控制声光调制器，以此来控制激光器输出的激光频率与幅度的绝对数值。
作为一种优选的实施例，脉冲序列发生器功能模块33包括脉冲发生器模块和脉冲发生器输出电路。
脉冲发生器模块用于对脉冲数据进行解析，以输出与脉冲信息对应的预设电平及预设脉冲宽度的脉冲波形；
脉冲发生器输出电路用于对脉冲发生器模块产生的波形进行偏置处理，以为激光器及线圈提供上述工作时序。
具体地，脉冲发生器功能模块包含脉冲发生器模块与脉冲发生器输出电路。其中，脉冲发生器模块的脉冲数据由中央控制模块11与存储模块进行数据交互后分发至脉冲发生器模块，脉冲发生器模块逐段地解析此脉冲数据，根据脉冲数据中指定的电平高低、脉冲宽度输出相应电平与脉宽的脉冲波形。而脉冲发生器输出电路主要起到电平转换、输出驱动的作用。电平转换可以是定值的电平转换，也可以是可配置的电平转换，这使得系统使用的灵活性更高。
进一步的，本申请可实现12通道的脉冲序列输出，输出脉冲序列的通道个数也可以根据实际需求拓展到。
在中性冷原子量子系统的实验中，脉冲发生器模块生成的脉冲波形主要用于实现各种时序控制，例如实现激光器的开关时序控制以及线圈电流的开关时序控制。
请参照图4，图4为本申请提供的控制系统工作的流程示意图。
在一具体实施例中，上述控制系统的工作流程具体叙述如下:
(1)开机进行初始化，配置内容包括：配置反馈控制器参数、配置各个输入/输出电路参数以及任意波形发生器工作模式等。
(2)接受来自上位机的控制信号与数据，根据储存地址将数据下载至存储模块，包括任意波形数据、脉冲序列数据以及配置直接数字合成器的频率、幅度与相位数据等。
(3)配置脉冲序列发生器功能模块33与直接数字合成器功能模块32，输出控制信号。
(4)配置任意波形发生器功能模块31，使其根据指令产生波形信号。
(5)计数器功能模块12在探测过程中产生的数据将经由中央控制模块11传输至存储模块。反馈控制功能模块14将实验过程中的反馈输入与反馈输出通过中央控制模块11实时返回上位机与存储模块。
(6)上位机读取反馈控制功能模块14返回的数据，实现对实验系统的动态监测。实验结束后读取存储模块中的实验数据。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种中性冷原子量子系统，包括用于输出待测脉冲信号的光电倍增管、控制模块及上述的控制系统。对于中性冷原子量子系统的具体描述请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种控制系统，其特征在于，应用于中性冷原子量子系统，所述中性冷原子量子系统包括用于输出待测脉冲信号的光电倍增管，以及用于对所述中性冷原子量子系统的外部系统进行控制的控制模块；所述控制系统包括集成于同一PCB板卡上的中央控制模块、计数器功能模块、控制信号功能模块以及反馈控制功能模块；
所述中央控制模块，用于将所述反馈控制功能模块输出的采样参数及所述计数器功能模块输出的计数结果反馈至所述上位机，以使所述上位机基于所述采样参数、所述计数结果及所述控制模块的目标参数生成工作指令，并将所述上位机输出的所述工作指令发送至所述控制信号功能模块；
所述计数器功能模块，用于对所述光电倍增管输出的所述待测脉冲信号的脉冲个数进行计数，得到所述计数结果；
所述控制信号功能模块，用于根据所述工作指令生成对应的预设波形以对所述中性冷原子量子系统中的控制模块控制；
所述反馈控制功能模块，用于对所述控制模块的工作参数进行采样，得到采样参数，并基于所述工作指令对应的所述目标参数和所述工作参数的差值对所述控制模块进行闭环控制，以使所述控制模块的工作参数稳定在所述目标参数。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述计数器功能模块包括甄别器及计数器；
所述甄别器，用于将所述待测脉冲信号中超过预设电平的脉冲信号的幅度和宽度进行处理，以使所述幅度和宽度满足预设标准；
所述计数器，用于接收所述甄别器输出的脉冲信号，并对所述脉冲信号的上升沿或下降沿计数，得到所述计数结果。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述反馈控制功能模块包括反馈控制器模块及反馈控制器外围电路，所述反馈控制器外围电路包括第一模数转换器、第一数模转换器；
所述模数转换器，用于将所述采样参数由模拟量转换为数字量，得到数字量的采样参数；
所述反馈控制器模块，用于对所述数字量的采样参数及所述目标参数的差值进行比例-积分-微分运算，生成控制信号；
所述第一数模转换器，用于将所述控制信号由数字量转换为模拟量，得到模拟量的控制信号，以对所述控制模块进行控制使所述控制模块的工作参数稳定在所述目标参数。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块包括激光器及线圈，所述控制信号功能模块包括任意波形发生器、直接数字合成器、脉冲序列发生器；
将所述上位机输出的所述工作指令发送至所述控制信号功能模块，包括：
将所述波形数据发送至所述任意波形发生器功能模块、将所述波形的频率、振幅及相位发送至所述直接数字合成器、将所述脉冲数据发送至所述脉冲序列发生器；
所述任意波形发生器功能模块，用于根据所述中央控制模块配置的波形数据输出对应的预设波形；
所述直接数字合成器，用于根据所述中央控制模块配置的波形的频率、相位和振幅生成射频信号，以控制所述激光器的频率、幅度及相位；
所述脉冲序列发生器，用于根据所述中央控制模块配置的脉冲数据产生时序脉冲信号，以为所述激光器及所述线圈提供工作时序。
5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述任意波形发生器包括任意波形发生器模块及任意波形发生器输出电路；所述任意波形发生器包括数据分发模块、若干个不同的数据处理模块及数据缓存模块，所述任意波形发生器输出电路包括第二数模转换器及输出调理电路；
所述数据分发模块用于对接收到的波形数据的类型进行分类，并将分类的波形数据发送至和数据类型对应的数据处理模块；
所述数据处理模块用于根据对接收到的波形数据进行处理，以生成对应的波形；
所述数据缓存模块用于将所述数据处理模块输出的波形中的高位宽低速度的数据转换为低位宽高速度的数据；
所述第二数模转换器用于将所述数据缓存模块输出的数字波形转换为模拟波形并输出；
所述输出调理电路用于对所述模拟波形进行滤波和/或增益调节和/或偏置处理。
6.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述直接数字合成器功能模块包括直接数字合成器控制模块、直接数字合成器、第三数模转换器及增益放大电路；
所述直接数字合成器控制模块用于根据接收到的波形的频率和相位为所述直接数字合成器配置频率及相位；
所述直接数字合成器用于根据配置的频率及相位生成射频信号；
所述第三数模转换器用于将所述直接数字合成器控制模块输出的幅度信息由数字量转换为模拟量；
所述增益放大电路用于根据所述模拟量的幅度信息对所述射频信号的幅值进行放大。
7.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述脉冲序列发生器功能模块包括脉冲发生器模块和脉冲发生器输出电路；
所述脉冲发生器模块用于对所述脉冲数据进行解析，以输出与所述脉冲信息对应的预设电平及预设脉冲宽度的脉冲波形；
所述脉冲发生器输出电路用于对所述脉冲发生器模块产生的波形进行偏置处理，以为所述激光器及所述线圈提供上述工作时序。
8.如权利要求1-7任一项所述的控制系统，其特征在于，所述中央控制模块还用于根据上位机发送的初始化参数对所述计数器功能模块、所述控制信号功能模块及所述反馈控制功能模块进行配置。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，还包括集成于同一PCB板卡上的存储模块，用于对所述上位机发送的工作指令、所述初始化参数、所述采样参数及所述计数结果进行存储。
10.一种中性冷原子量子系统，其特征在于，包括用于输出待测脉冲信号的光电倍增管、控制模块及如权利要求1-9任一项所述的控制系统。
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