CN117744810A - 一种量子测控信号隔离电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子计算测控技术领域，公开了一种量子测控信号隔离电路，包括：调制模块，其输入端输入量子测控信号，其输出端与变压器隔离模块的输入端连接，用于将量子测控信号与本振载波信号混频后，得到预设幅值、预设频率的调幅波；变压器隔离模块，其内部器件高度集成，其输出端与解调模块的输入端连接，用于实现输入信号与输出信号之间的高速隔离；解调模块，其输出端输出隔离后的量子测控信号，用于将调幅波解调至与量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号。本发明采用内部器件高度集成的变压器隔离模块以实现对量子测控信号的模拟信号的隔离，不仅解决了量子计算测控系统中高带宽的信号隔离问题，还进一步减小了隔离电路的体积。

Description

一种量子测控信号隔离电路

技术领域

本发明涉及量子计算测控技术领域，具体涉及一种量子测控信号隔离电路。

背景技术

在量子计算测控系统中，相干时间内，通过QND(量子非破坏性测量)方式获取量子比特状态，FPGA基于ADC采集的数据进行判决并反馈，并基于反馈信息通过AWG再次产生操控信号，这是实现QEC的需求。因为量子相干时间很短，因此基于量子反馈的QEC需要快速的硬件判决和反馈能力，涵盖了上下变频、数据采集、数据运算和判决以及波形发生等处理过程，这一过程需在约几百纳秒(具体取决于数据处理的复杂度、可选波形数量、通道数等)内处理完毕，依赖于FPGA的强大硬件处理能力。在量子测控系统中，基于ADC的输入前端，DAC的输出后端均有大量的模拟处理电路，用于调理输入和输出。其中运放作为处理模拟信号增益的关键器件，常常用于前后端电路中。在电子工程中，运放(Operational Amplifier，简称op-amp)是一种常用的集成电路，可以对信号进行放大、滤波、求反相、求同相等操作。

隔离运放(Isolation amplifier)技术是一种常用于电气信号传递和测量的技术。它可以在输入与输出之间提供电气隔离，以隔离不同电路之间的电气噪声和干扰。然而隔离运放的带宽极小，最大不超过400Khz。这是由于隔离运放所采用的隔离技术和电路设计的特性所决定的。涉及到带宽较高的信号处理时，隔离运放便无法直接使用。但是在量子计算测控系统中需要一种信号隔离方案以应对高带宽的信号隔离问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种量子测控信号隔离电路，以解决隔离运放的带宽极小、体积大的问题。

本发明提供了一种量子测控信号隔离电路，包括：调制模块、变压器隔离模块及解调模块，其中，调制模块，其输入端输入量子测控信号，其输出端与变压器隔离模块的输入端连接，用于将量子测控信号与本振载波信号混频后，得到预设幅值、预设频率的调幅波；变压器隔离模块，其内部器件高度集成，其输出端与解调模块的输入端连接，用于实现输入信号与输出信号之间的高速隔离；解调模块，其输出端输出隔离后的量子测控信号，用于将调幅波解调至与量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号。

本发明采用内部器件高度集成的变压器隔离模块以实现对量子测控信号的模拟信号的隔离，不仅解决了量子计算测控系统中高带宽的信号隔离问题，还进一步减小了隔离电路的体积。

在一些可选的实施方式中，调制模块包括：信号输入模块、第一增益调整模块、本振模块、混频模块，其中，信号输入模块，其输入端输入量子测控信号，其输出端与第一增益调整模块的输入端、本振模块的输入端连接，用于对量子测控信号进行阻抗匹配；第一增益调整模块，其输出端与混频模块的第一输入端连接，用于基于量子测控信号的幅值，选择不同的增益，以将量子测控信号的幅值调整至预设幅值；本振模块，其输出端与混频模块的第二输入端连接，用于计算量子测控信号的频率，并将量子测控信号的频率与预设本振频率的和值作为本振载波的频率，得到本振载波信号；混频模块，其输出端与调制滤波模块的输入端连接，用于将预设幅值的量子测控信号与本振载波信号混频，得到混频信号；调制滤波模块，其输出端与变压器隔离模块的输入端连接，用于将混频信号进行解调、滤波后得到预设幅值、预设频率的调幅波。

本实施例在变压器隔离模块之间加入调制模块，将量子测控信号调制为预设频率及预设幅值的调幅波，以便于变压器隔离模块工作在稳定状态，从而提高变压器隔离模块精度。

在一些可选的实施方式中，本振模块包括：频率计及本振载波模块，其中，频率计，其输入端与信号输入模块的输出端连接，其输出端与本振载波模块的输入端连接，用于计算量子测控信号的频率；本振载波模块，其输出端与混频模块的第二输入端连接，用于将量子测控信号的频率与预设本振频率的和值作为本振载波的频率，得到本振载波信号。

在一些可选的实施方式中，混频信号的频率包括：本振载波信号与量子测控信号的和频、本振载波信号与量子测控信号的差频、量子测控信号的频率、本振载波信号的频率，以及和频的倍频、差频的倍频、量子测控信号的频率的倍频、本振载波信号的频率的倍频。

在一些可选的实施方式中，变压器隔离模块包括：无磁芯变压器。

本发明实用无磁芯变压器实现信号隔离，不仅提高了隔离电路的可靠性，并且隔离电路老化速度慢、体积小、效率高。

在一些可选的实施方式中，预设频率为预设本振频率；无磁芯变压器的频率由预设本振频率确定。

在一些可选的实施方式中，解调模块包括：解调电路、解调滤波模块及第二增益调整模块，解调电路，其输入端与变压器隔离模块的输出端连接，其输出端与解调滤波模块的输入端连接，用于将混频信号进行检波，将包络线信号分离后，得到解调信号；解调滤波模块，其输出端与第二增益调整模块连接，用于滤除解调信号高频信号后，得到与量子测控信号频率相同的解调信号；第二增益调整模块，用于将与量子测控信号频率相同的解调信号的幅值调整至与量子测控信号的幅值。

在一些可选的实施方式中，解调电路包括：二极管、电容及电阻，其中，二极管，其阳极与变压器隔离模块的一个输出端连接，其阳极与电容的第一端连接；电容，其第二端与变压器隔离模块的另一个输出端连接；电阻，其第一端与电容的第一端连接，其第二端与变压器隔离模块的另一个输出端连接，其第一端与第二端输出与量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号。

在一些可选的实施方式中，量子测控信号隔离电路还包括：电源隔离模块，其输入端输入外接电压，其输出端与调制模块及解调模块连接，用于将供电电压转换为多种电压等级的供电电压，为调制模块及解调模块供电；将外接电压与供电电压之间隔离。

在一些可选的实施方式中，电源隔离模块包括：具有隔离功能的DC-DC芯片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是根据本发明实施例的量子测控信号隔离电路的结构框图；

图2是根据本发明实施例的另一量子测控信号隔离电路的结构框图；

图3是根据本发明实施例的又一量子测控信号隔离电路的结构框图；

图4是根据本发明实施例的又一量子测控信号隔离电路的结构框图；

图5(a)是根据本发明实施例的混频信号；

图5(b)是根据本发明实施例的包络线信号；

图6是根据本发明实施例的解调电路的具体电路结构图；

图7是根据本发明实施例的又一量子测控信号隔离电路的结构框图；

图8是根据本发明实施例的电源隔离模块的具体电路结构图。

具体实施方式

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。

根据本发明实施例，提供了一种量子测控信号隔离电路，如图1所示，包括：调制模块1、变压器隔离模块2及解调模块3。

如图1所示，调制模块1，其输入端输入量子测控信号，其输出端与变压器隔离模块2的输入端连接，用于将量子测控信号与本振载波信号混频后，得到预设幅值、预设频率的调幅波。

如图1所示，变压器隔离模块2，其内部器件高度集成，其输出端与解调模块3的输入端连接，用于实现输入信号与输出信号之间的高速隔离。

如图1所示，解调模块3，其输出端输出隔离后的量子测控信号，用于将调幅波解调至与量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号。

具体地，本实施例的量子测控信号为模拟信号，而对于模拟信号的隔离来说，模拟信号的频率和幅值变化决定了一般的隔离方案是无法正常运行的，其特性在于当模拟信号频率不同时、幅值变换时，类如光耦隔离，变压器隔离等方式其工作状态均是变化的，无法保证前后隔离信号的准确性传递，因此本实施例设置调制模块1及解调模块3，其中，调制模块1将量子测控信号调制为预设幅值、预设频率的调幅波，该调幅波见过变压器隔离模块2隔离之后，解调模块3将调幅波解调，得到与量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号，从而实现无差别信号隔离。

具体地，为了适应量子测控技术领域的信号隔离，本实施例采用变压器隔离模块2，与运放隔离相比，变压器隔离模块2隔离频带宽、高速。

具体地，本实施例的变压器隔离模块2无需外围电路、高度集成的特点，以至于变压器隔离模块2体积小，可以微缩至芯片内部，从而在高度、宽频带的隔离情况下，进一步缩小芯片的体积。

在一些可选的实施方式中，如图2所示，调制模块1包括：信号输入模块11、第一增益调整模块12、本振模块13、混频模块14。

如图2所示，信号输入模块11，其输入端输入量子测控信号，其输出端与第一增益调整模块12的输入端、本振模块13的输入端连接，用于对量子测控信号进行阻抗匹配。

具体地，本实施例的信号输入模块11实则为阻抗匹配电路，以当量子测控信号输入至信号输入模块11后，可以要求满足50Ω特性阻抗通路满足高速传输特性，以及端接50Ω对地阻抗实现功率匹配。其中，实现阻抗匹配有多种方法，如变压器、L型网络、T型网络、Pi型网络等，在此不作限制。

如图2所示，第一增益调整模块12，其输出端与混频模块14的第一输入端连接，用于基于量子测控信号的幅值，选择不同的增益，以将量子测控信号的幅值调整至预设幅值。

具体地，本实施例的第一增益调整模块12可以内置多个档位增益，其根据量子测控信号的幅值，选择不同的档位，以将不同幅值的量子测控信号的幅值均调整至预设幅值。

示例性地，本实施例的第一增益调整模块12将参与混频的量子测控信号幅值大小均在特定范围之内，使其获得更好的混频特性。例如：当输入的量子测控信号的模拟信号分别为幅值为0.1V、0.2V、0.5V、1V的正弦信号时，则各幅值所对应的调整增益分别为10倍、5倍、2倍、1倍放大，即：参与混频的输入信号均为1V正弦波，从而保证参与混频的量子测控信号其幅值在一定范围内时稳定的。

如图2所示，本振模块13，其输出端与混频模块14的第二输入端连接，用于计算量子测控信号的频率，并将量子测控信号的频率与预设本振频率的和值作为本振载波的频率，得到本振载波信号。

具体地，本振信号为本地(本机产生的、固定频率)的振荡信号，其可以由晶振振荡器振荡生成。其中，本振信号的频率大小与变压器的初次级绕组的脉冲延迟相关，要求速率恒定且设定为其最优频段。

可选地，如图3所示，本振模块13包括：频率计131及本振载波模块132，其中，频率计131，其输入端与信号输入模块11的输出端连接，其输出端与本振载波模块132的输入端连接，用于计算量子测控信号的频率；本振载波模块132，其输出端与混频模块14的第二输入端连接，用于将量子测控信号的频率与预设本振频率的和值作为本振载波的频率，得到本振载波信号。

具体地，频率计131以快速傅里叶变换为基础，得到稳定的量子测控信号的频谱信息，进而得到量子测控信号的频率f_s，本振载波模块132将预设本振频率f_l与量子测控信号的频率f_s的和频作为本振载波的频率f_L，即f_L＝f_l+f_s。

如图2所示，混频模块14，其输出端与调制滤波模块的输入端连接，用于将预设幅值的量子测控信号与本振载波信号混频，得到混频信号。

可选地，本振载波信号与量子测控信号的和频、本振载波信号与量子测控信号的差频、量子测控信号的频率、本振载波信号的频率，以及和频的倍频、差频的倍频、量子测控信号的频率的倍频、本振载波信号的频率的倍频。

具体地，根据混频原理，混频是一种将两个或多个不同频率的信号相加或相乘的过程。本实施例的混频模块14包含混频器，混频器是实现混频操作的电路或器件。混频器的输出端产生了包含和频或差频的混频信号(包含f_L+f_s、f_L-f_s，f_s、f_L等频率以及其倍频的信号，其中f_L＝f_s+f_l，所以包含信号频率分别为：2f_s+f_l、f_l、f_s、f_s+f_l)。其中f_l频率的混频信号不受输入信号频率大小影响，与本振频率一致、保持恒定频率。

如图2所示，调制滤波模块，其输出端与变压器隔离模块2的输入端连接，用于将混频信号进行解调、滤波后得到预设幅值、预设频率的调幅波。

具体地，混频信号可以通过滤波器进一步处理，以得到预设幅值、预设频率。根据f_l频率大小设计调制滤波模块，得到f_l频率大小的混频信号。混频信号的频率为定频，根据此f_l频率大小选择对应的高频隔离变压器，从而保证了变压器的温度高效的工作。

在一些可选的实施方式中，变压器隔离模块2包括：无磁芯变压器。

具体地，无磁芯变压器具有光电耦合器、离散变压器和集成电平位移的优点，同时避免了它们缺点。即无磁芯变压器具有更高的隔离能力、没有老化、稳定的可靠性、管壳尺寸小、与其它逻辑功能更好的集成、以及更高的效率。无磁芯变压器(CLT)的基本原理就是在半导体之内植入微小变压器，提供电隔离和输入与输出之间的信号传输。然而，对于无磁芯变压器来说，高效率的信号传输协议也是很重要的、通常应用于高频MOSFET数字隔离，由于无磁芯变压器技术的转换率高达100兆赫，因此不仅适用栅极驱动，而且还可以作为基本技术应用在要求(安全)绝缘隔离和高数据速率的各种各样的产品中，因此本实施例采用无磁芯变压器以隔离高速模拟信号。

具体地，为了实现变压器隔离模块2的高度集成，本实施例利用无磁芯变压器来隔离高速模拟信号。由于无磁芯变压器主要面向数字领域高频隔离，模拟信号由于其频率和幅值无法满足无磁芯变压器的工作要求，因此无磁芯变压器无法直接使用，基于此，本实施例设置调制模块1将模拟信号转换为了类似数字信号的电气特性。

在一些可选的实施方式中，预设频率为预设本振频率；无磁芯变压器的频率由预设本振频率确定。

在一些可选的实施方式中，如图4所示，解调模块3包括：解调电路31、解调滤波模块32及第二增益调整模块33。

如图4所示，解调电路31，其输入端与变压器隔离模块2的输出端连接，其输出端与解调滤波模块32的输入端连接，用于将混频信号进行检波，将包络线信号分离后，得到解调信号。

具体地，本实施例的解调电路31可以将图5(a)中的混频信号中的图5(b)包络线分离出来，该包络线为与量子测控信号不同幅、不同频的正弦信号。

可选地，如图6所示，解调电路31可以包括：二极管、电容及电阻。二极管，其阳极与变压器隔离模块2的一个输出端连接，其阳极与电容的第一端连接；电容，其第二端与变压器隔离模块2的另一个输出端连接；电阻，其第一端与电容的第一端连接，其第二端与变压器隔离模块2的另一个输出端连接，其第一端与第二端输出与量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号。

具体地，解调电路31的类型包括非线性解调电路、线性解调电路，本实施例采用二极管构成解调电路31，由于二极管的正向工作特性为正向刚开启工作区为非线性的，后面大部分工作区均为线性，因此二极管的工作区间决定了解调类型的线性，还是非线性。

如图4所示，解调滤波模块32，其输出端与第二增益调整模块33连接，用于滤除解调信号高频信号后，得到与量子测控信号频率相同的解调信号。

具体地，为了滤除解调信号中高频信号，本实施例的解调滤波模块32实则为低通滤波器，该低通滤波器以输入原始信号有效带宽为限滤除无效高频信号。

如图4所示，第二增益调整模块33，用于将与量子测控信号频率相同的解调信号的幅值调整至与量子测控信号的幅值。

具体地，在调制模块1中，为了保证参与混频的量子测控信号的幅值在一定范围内，第一增益调整模块12对量子测控信号的增益进行调整，并且由于调制系数、混频、滤波等因素，量子测控信号的幅值可能已经并不是预设幅值，并为了还原得到量子测控信号，因此设置第二增益调整模块33，将解调信号的幅值调整至与量子测控信号的幅值。其中，根据第一增益调整模块12调整大小、调制系数，以及本振载波幅值大小等，对解调信号的幅值大小进行补偿放大以还原出原始量子测控信号的幅值大小。

具体地，基于图1～图5的结构，本实施例对量子测控信号进行隔离的方法包括：

(1)通过混频方案将模拟信号转换为定频信号，类似与数字信号中的时钟周期；

(2)通过增益调整将模拟信号转换为波动较小的“定幅信号”，类似于数字信号时钟幅值大小

(3)与数字信号传输不同的是，数字信号传递是0或者1的脉冲信号，本实施例传递的为波动较小的“定幅信号”、定频信号的正弦信号，只要定频设定完善，即可满足类如数字信号的上下升时间等电气参数。在电气要求上完全满足要求。

(4)基于无磁芯变压器输出后的模拟参数，同上波动较小的“定幅信号”、定频信号的正弦信号，因此使用模拟解调的方式可以有效的处理“模拟小信号”的还原问题。因此达到前后端隔离的目的。

在一些可选的实施方式中，如图7所示，量子测控信号隔离电路，还包括：电源隔离模块4，其输入端输入外接电压，其输出端与调制模块1及解调模块3连接，用于将供电电压转换为多种电压等级的供电电压，为调制模块1及解调模块3供电；将外接电压与供电电压之间隔离。

具体地，电源隔离模块4包括：具有隔离功能的DC-DC芯片。如图8所示，DC-DC芯片以RB-3333SHP系列DC/DC转换器设计用于隔离或转换直流电源轨为例、其成本很低，但它在功能和提供方面不会妥协支持1KVDC/1s或2kVDC/1s隔离，工作温度范围为-40℃至+85℃，支持连续短路保护。可P3V3_MCU与GND_MCU转换为P3V3_SLAVE与GND_SLAVE。这两组电源信号相互独立离。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种量子测控信号隔离电路，其特征在于，包括：调制模块、变压器隔离模块及解调模块，其中，

调制模块，其输入端输入量子测控信号，其输出端与所述变压器隔离模块的输入端连接，用于将所述量子测控信号与本振载波信号混频后，得到预设幅值、预设频率的调幅波；

变压器隔离模块，其内部器件高度集成，其输出端与所述解调模块的输入端连接，用于实现输入信号与输出信号之间的高速隔离；

解调模块，其输出端输出隔离后的量子测控信号，用于将所述调幅波解调至与所述量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号。

2.根据权利要求1所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，所述调制模块包括：信号输入模块、第一增益调整模块、本振模块、混频模块，其中，

信号输入模块，其输入端输入所述量子测控信号，其输出端与所述第一增益调整模块的输入端、所述本振模块的输入端连接，用于对所述量子测控信号进行阻抗匹配；

第一增益调整模块，其输出端与所述混频模块的第一输入端连接，用于基于所述量子测控信号的幅值，选择不同的增益，以将所述量子测控信号的幅值调整至预设幅值；

本振模块，其输出端与所述混频模块的第二输入端连接，用于计算所述量子测控信号的频率，并将所述量子测控信号的频率与预设本振频率的和值作为本振载波的频率，得到本振载波信号；

混频模块，其输出端与所述调制滤波模块的输入端连接，用于将所述预设幅值的量子测控信号与所述本振载波信号混频，得到混频信号；

调制滤波模块，其输出端与所述变压器隔离模块的输入端连接，用于将所述混频信号进行解调、滤波后得到预设幅值、预设频率的调幅波。

3.根据权利要求2所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，所述本振模块包括：频率计及本振载波模块，其中，

频率计，其输入端与所述信号输入模块的输出端连接，其输出端与所述本振载波模块的输入端连接，用于计算所述量子测控信号的频率；

本振载波模块，其输出端与所述混频模块的第二输入端连接，用于将所述量子测控信号的频率与预设本振频率的和值作为本振载波的频率，得到本振载波信号。

4.根据权利要求2所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，所述混频信号的频率包括：

所述本振载波信号与量子测控信号的和频、所述本振载波信号与量子测控信号的差频、量子测控信号的频率、本振载波信号的频率，以及所述和频的倍频、所述差频的倍频、量子测控信号的频率的倍频、本振载波信号的频率的倍频。

5.根据权利要求1所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，所述变压器隔离模块包括：无磁芯变压器。

6.根据权利要求5所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，

所述预设频率为所述预设本振频率；

所述无磁芯变压器的频率由所述预设本振频率确定。

7.根据权利要求1所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，所述解调模块包括：解调电路、解调滤波模块及第二增益调整模块，

解调电路，其输入端与所述变压器隔离模块的输出端连接，其输出端与所述解调滤波模块的输入端连接，用于将所述混频信号进行检波，将包络线信号分离后，得到解调信号；

解调滤波模块，其输出端与所述第二增益调整模块连接，用于滤除所述解调信号高频信号后，得到与所述量子测控信号频率相同的解调信号；

第二增益调整模块，用于将与所述量子测控信号频率相同的解调信号的幅值调整至与所述量子测控信号的幅值。

8.根据权利要求7所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，所述解调电路包括：二极管、电容及电阻，其中，

二极管，其阳极与所述变压器隔离模块的一个输出端连接，其阳极与所述电容的第一端连接；

电容，其第二端与所述变压器隔离模块的另一个输出端连接；

电阻，其第一端与所述电容的第一端连接，其第二端与所述变压器隔离模块的另一个输出端连接，其第一端与第二端输出所述与所述量子测控信号幅值相同、频率相同的解调信号。

9.根据权利要求1所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，还包括：

电源隔离模块，其输入端输入外接电压，其输出端与所述调制模块及解调模块连接，用于将供电电压转换为多种电压等级的供电电压，为所述调制模块及解调模块供电；将所述外接电压与所述供电电压之间隔离。

10.根据权利要求9所述的量子测控信号隔离电路，其特征在于，所述电源隔离模块包括：具有隔离功能的DC-DC芯片。