DE2536272A1

DE2536272A1 - Mess-wandler fuer analogsignale

Info

Publication number: DE2536272A1
Application number: DE19752536272
Authority: DE
Inventors: Frank Fu Fang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-31
Filing date: 1975-08-14
Publication date: 1976-07-08
Also published as: FR2296942A1; US3983419A; FR2296942B1; CA1048113A; GB1475847A; JPS5180133A; JPS5440426B2; IT1041943B; DE2536272C2

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 082

Meß-Wandler für Analogsignale

Die Erfindung betrifft einen Meß-Wandler für Analogsignale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Wesentliche Funktionen dieses Wandlers sind beispielsweise die Analog/Digital-Umsetzung oder die Abtastung von schnell veränderlichen Signalen mit nachfolgender Speicherung des Meßwertes.

Die vorliegende Erfindung macht von Schalteinrichtungen Gebrauch, in denen Josephson-Tunnelströme fließen können. Die grundlegende theoretische Erklärung des Josephson-Effekt ist in dem Artikel "Possible New Effect in Superconductive Tunnelling" von B. B. Josephson, in "Physics Letters", Seiten 251 bis 253 vom Juli 1962 enthalten. Seit dieser Zeit gehören zahlreiche weitere Josephson-Kontakte und deren Anwendung zum Stand der Technik. Im folgenden werden hiervon nur die wichtigsten betrachtet.

Die Anwendung eines Josephson-Kontakts für Speicherzwecke ist in dem Artikel "NDRO Memory Cell Employing a Single Josephson Tunnelling Gate" im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 15, Nr. 9, vom Februar 1973, Seiten 2904 - 05 sowie in der US-Patentanmeldung der Anmelderin mit internem Aktenzeichen SZ 972-003 "Super Conducting Memory Cell" beschrieben. Beide Literaturstellen

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offenbaren supraleitende Speicherzellen, die als ein Paar von supraleitenden Schaltkreisen aufgefaßt werden können, von denen einer Josephson-Kontakt enthält. In der erstgenannten Schrift enthält der andere supraleitende Schaltkreis eine Induktivität, die gleich der Induktivität des Josephson-Kontakt ist. In der zweiten Literaturstelle wird eine Speicherzelle beschrieben, bei der die Induktivität des Josephson-Kontaktes geringer ist als die Induktivität des restlichen Schaltkreises, der die Speicherzelle darstellt.

In der US-Patentschrift 3 764 905 wird ein "Apparat zur Messung von impulsform!gen Signalen mit Hilfe von Josephson-Tunnelkontakten" beschrieben. Dort handelt es sich um eine supraleitende Schleife mit einem Josephson-Kontakt, der in unmittelbarer Nähe einer Signalleitung angeordnet ist, auf der die zu messende Wellenform läuft. Der magnetische Fluß von der Wellenform durchsetzt die Schleife mit einem Betrag, der zu einem gegebenen Zeitpunkt von der Amplitude der Wellenform abhängt. Eine Steuereinrichtung ist so angeordnet, daß der Josephson-Kontakt in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet wird, wenn die Wellenform abzutasten ist. Ein weiterer Josephson-Kontakt zur Prüfung kann in unmittelbarer Nähe der supraleitenden Schleife vorgesehen werden, um den Flußbetrag festzustellen, der in der Schleife eingefroren ist.

Die US-Patentschrift 3 362 018 betrifft einen "elektrischen Schaltkreis mit supraleitenden Speicherelementen". Es sind dort keine Josephson-Kontakte verwendet, sondern Cryotrons. Insbesondere wird dort beschrieben, daß ein Strom in einem Leiter, der Teil einer Schleife ist, innerhalb dieser Schleife eingefroren werden kann, wenn der Leiter ein Element enthält, das normalleitend gemacht werden kann, während der übrige Teil der Schleife im supraleitenden Zustand verbleibt. In dem genannten Patent wird der Strom in den supraleitenden Teil der Schleife umgelagert, wenn das Element im Leiter in seinen widerstandsbehafteten Zustand umschaltet. Wird daraufhin das Element in dem Leiter wieder in den supraleitenden Zustand zurückgeschaltet, und der Strom durch den

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Leiter abgeschaltet, so bildet sich in der Schleife ein Ringstrom aus, dessen Stärke gleich der Stärke des ursprünglichen Stroms
in dem Leiter ist.

In dem Artikel von Clarke et al "Super Conducting Memory Ifevice
Using Josephson Junctions", der in Electronics Letters, Mai 1967, Seite 178-179 erschienen ist, wird eine Modifikation des oben genannten Patents beschrieben, bei der die Cryotrone durch einen
Josephson-Kontakt ersetzt sind.

Die US-Patentschrift 2 949 602 beschreibt einen cryogenen Konverter. Im einzelnen handelt es sich dort um einen Tieftemperatur-Schaltkreis, der eine Schleife mit sowohl harten als auch weichen Supraleitern umfaßt und in ein . flüssiges Heliumbad eingetaucht
ist. Der harte Supraleiter ist induktiv" mit einer Ansteuerspule
gekoppelt, der weiche Supraleiter ist mit einer Abfühlwindung gekoppelt. Wenn der Steuerstrom erhöht wird, treten Flußverbindungen auf, die in der Schleife einen Ringstrom induzieren. Es dringt
jedoch in die Schleife so lange kein Strom ein, bis der Schleifenstrom den kritischen Strom des weichen Supraleiters erreicht und
überschreitet und diesen dann in den widerstandsbehafteten Zustand umschaltet. Der Ringstrom wird dann über ohms ehe Verluste dissipiert. Wenn der weiche Supraleiter umschaltet, so bricht sein Magnetfeld zusammen, was wiederum in der Abfühlwindung festgestellt werden kann. Auf diese Weise wird jedesmal ein Ausgangsimpuls erzeugt, wenn der Ringstrom den kritischen Strom des weichen Supraleiters oder ein Vielfaches davon überschreitet. Die Anzahl der
Impulse kann mit dem Betrag des Stromes in der Steuerspule in Beziehung gesetzt werden und so eine A/D-Wandlung durchgeführt werden.

Die in der Beschreibung des Standes der Technik erstgenannten beiden Literaturstellen beziehen sich auf digitale Speichervorrichtungen, d.h. Vorrichtungen, die dazu vorgesehen sind, das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Signals zu speichern. Da US-Pa-

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tent 3 764 905 bezieht sich u.a. auch darauf, einen schnell veränderlichen Vorgang abzutasten und das Meßsignal zu speichern; diese Einrichtung ist jedoch besonders dafür ausgelegt, diese Funktion an nicht wiederholt auftretenden Wellenformen, insbesondere solchen mit sehr kurzer Dauer durchzuführen. In diesem Sinn induzieren die Signale auf der Signalleitung 14 (Fig. 1 der genannten Patentschrift) einen Strom in der benachbart liegenden Schleife 18. Wenn der mit Schleife 18 verbundene Josephson-Kontakt J1 in seinem widerstandsbehafteten Zustand ist, hängt der Strom in der Schleife nicht nur vom momentanen Wert auf der Signalleitung 14 ab, sondern auch von früher vorhandenen Werten dieses Stromes. Ist jedoch der Josephson-Kontakt J1 in seinem supraleitenden Zustand, so fängt die Schleife 18 einen Strom ein, dessen Stärke mit dem Strom in Beziehung steht, der zu diesem Zeitpunkt auf der Signalleitung 14 vorhanden ist. Die in Frage stehende Patentschrift sieht außerdem eine zweite Schleife zur Messung des in der ersten Schleife eingefangenen Stromwertes vor. Dem auf diesen Gebiet tätigen Fachmann ist es klar, daß zur Durchführung der Messung, für die eine endliche Zeit erforderlich ist, der Josephson-Kontakt J1 supraleitend bleiben muß. Während dieser Zeit können jedoch irgendwelche Änderungen des Stroms auf der Signalleitung entsprechende Änderungen des Stroms in der Schleife 18 hervorrufen. Um also eine wirksame Messung des Stroms in der Leitung 14 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durchzuführen, ist es notwendig, das Signal auf der Leitung als alleinigen Impuls zu verwenden, der von aideren Signalen durch einen zeitlichen Zwischenraum getrennt ist, der mindestens ebenso groß ist, wie die zur Durchführung der Messung erforderliche Zeit.

Der Gegenstand des US-Patents 3 362 018 ist einer ausdrücklich erwähnten ähnlichen Beschränkung unterworfen, da der Strom im Leiter für den Arbeitsstrom abgeschaltet werden muß, um in der supraleitenden Schleife einen Ringstrom zu erzeugen, dessen Stärke gleich der Stärke des ursprünglichen Stroms ist.

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Wenn ein Benutzer den Gegenstand des US-Patents 3 764 905 zur Messung des Signalpegels eines isolierten Impulses verwendet will, oder es einrichten kann, daß seine Signalleitung das Signal sofort nach dem zu messenden Signalpegel zurücksetzt, kann die in dem genannten Patent beschriebene Einrichtung selbstverständlich auch zum Einfrieren eines Stromes in einer supraleitenden Schleife verwendet werden, der dann als Maß für den Strompegel auf der Signalleitung dient. Im allgemeinen Fall eines Meßproblems findet ein Benutzer jedoch diese glücklichen Umstände nur selten vor, d.h. einen einzigen isolierten Impuls, den er messen will oder alternativ die Möglichkeit, das Signal unmittelbar nach dem zu messenden Signal abzuschalten. Im allgemeinen wird es bei Meßproblemen eher so sein, daß der Benutzer eine Signalleitung hat, auf der ein kontinuierliches Signal läuft und er dann den Signalpegel auf dieser Leitung mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate messen will. Außerdem erfordern die Messgeräte, die derzeit zur Verfügung stehen, eine endliche Zeitdauer« um die Messung durchzuführen. Dies kann am spezifischen Beispiel eines Analog/Digital-Wandlers als Meßpro-zeß erläutert werden: Obwohl Geräte zur Durchführung dieser Wandlung relativ schnell arbeiten, erfordern sie trotzdem eine endliche Zeit, um die Wandlung herbeizuführen. Der Benutzer steht also dem Problem gegenüber, einen Schaltkreis zu finden, der in der Lage ist, einen Strom auf einer Signalleitung zu irgendeinem vorbestimmten Zeitpunkt abzutasten und den abgetasteten Wert während eines Meßintervalls aufrechtzuerhalten, und zwar unabhängig von Änderungen des Stroms in der tatsächlichen Signalleitung.

In der US-Patentschrift 2 949 602 wird zwar ein supraleitender A/D-Wandler beschrieben, doch beruht die dort angegebene Lösung auf der gleichzeitigen Verwendung von harten und weichen Supraleitern und es ist nicht ersichtlich, wie die Lehre dieses Patents auf einen Schaltkreis übertragen werden könnte, der nur einen einzigen Josephson-Kontakt enthält.

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Die vorliegende Erfindung hat sich nach alledem die Aufgabe gestellt, einen schnell arbeitenden Wandler anzugeben, der nur ein einzige Josephson-Element umfaßt und der in der Lage ist, einen abgetasteten Wert bis zu dessen späteren weiteren Verwendung zu speichern. Der Wandler soll dabei für kontinuierliche Signale verwendbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausbildungen und Weitergestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im wesentlichen handelt es sich bei der Erfindung um einen Schaltkreis zur Wandlung von Analogsignalen, bei dem zwei supraleitende Schaltkreise in Parallelschaltung an ein Paar von Endklemmen angeschlossen sind. Einer dieser Schaltkreise enthält ein Josephson-Kontakt, der andere eine Induktivität (die auch verteilt angeordnet sein kann) und die größer ist als die Induktivität des Josephson-Kontakts. Ein analoges Signal wird an eine der Endklemmen angelegt. Es sind Umschaltvorrichtungen vorgesehen, mit denen der Josephson-Kontakt zwischen seinen normal- und supraleitenden Zuständen umgeschaltet werden kann: dadurch werden in der Schleife ein oder mehrere Flußquanten eingefroren. Eine Ausgabevorrichtung ist an einen der beiden Schaltkreise angeschlossen.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Steuerstrom für den Josephson-Kontakt konstant (oder Null) , so daß der Josephson-Kontakt nur in Abhängigkeit des analogen Signalpegels umschaltet. Bei dieser Ausführungsform kann eine Anzahl von Impulsen erzeugt werden, die wiederum mit dem Signalpegel in Beziehung steht, so daß es sich hier um einen Analog/Digital-Wandler handelt.

In einer weiteren Aus führ ungs form wird das Umschalten des Josephson-Kontakts durch einen äußeren Steuerstrom hervorgerufen. Im Normalfall befindet sich der Josephson-Kontakt in seinem spannungsbehafteten Zustand, so daß im wesentlichen das gesamte

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analoge Signal in den zweiten Schaltkreis fließt. Wenn der Josephson-Kontakt daraufhin in den supraleitenden Zustand umgeschaltet wird, fließt durch den zweiten Schaltkreis der Teil des Analogsignals.der auch schon vor dem Umschalten des Josephson-Kontakts in dem zweiten Schaltkreis floß. Der andere Teil des analogen Signals, der Änderungen des Analogsignals nach dem Umschalten darstellt, fließt dann im ersten Schaltkreis. Diese Bedingung hält so lange vor, wie der Josephson-Kontakt in seinem supraleitenden Zustand verbleibt. Wenn der Josephson-Kontakt darauf durch die Umschaltvorrichtung wieder in seinen normalleitenden Zustand zurückversetzt wird, fließt im wesentlichen das gesamte analoge Signal wiederum in den zweiten Schaltkreis. Diese Ausführungsform stellt ein Gerät zur Abtastung und zur Speicherung des abgetasteten Wertes dar, da der Pegel des Analogsignals zur Zeit des Umschaltens in dem zweiten Schaltkreis aufrechterhalten wird, und zwar unabhängig von Änderungen (innerhalb geeigneter Grenzen) des Pegels des Analogsignals. Der Strom, der im zweiten Schaltkreis fließt, kann dann mit Hilfe geeigneter Mittel gemessen werden, um den Pegel des Analogsignals zur Zeit des Umschaltens festzustellen.

Die Vorteile dieser Erfindung bestehen in der Flexibilität ihrer Anwendung, da sie sowohl als Analog/Digital-Wandler als auch zur Speicherung des abgetasteten Signals verwendet werden kann. Der Zeitpunkt, an dem der Meßwert auf einer Signalleitung festgehalten werden soll, kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung sehr genau fixiert werden; die Umschaltzeit für die Einrichtung ist dabei außerordentlich gering. Änderungen des Signals nach dem Meßprozeß verändern das Meßergebnis nicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 die Einrichtung zur Analog/Digital-Konversion

und zur Speicherung des Meßwerts in schematischer Darstellung;

Fign. 2a,2b + 2c Wellenformen zur Erläuterung der Wirkungsweise

der Abtast- und Speichereinrichtung;

Fig. 3 die perspektivische Darstellung einer Ausfüh-

rungsform der Abtast- und Speichereinrichtung;

Fig. 4 die schematische Darstellung zur Durchführung

der A/D-Wandlung und

Fig. 5 typische Wellenformen während des Betriebs des

Schaltkreises von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Analog/Digital-Wandlung eines Analogsignals. Das Analogsignal wird beispielsweise durch einen Generator 40 in Form eines Gleichstromsignals geliefert, dessen Amplitude in digitaler Form angezeigt werden soll. Es ist natürlich selbstverständlich, daß im tatsächlichen Einsatz der Generator 40 nicht vorgesehen sein wird, sondern der übrige Teil der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung wird in Wirklichkeit an einen Schaltkreis angeschlossen sein, bei dem der Stromwert an einem bestimmten Punkt gemessen werden soll. Außerdem ist die Funktion einer Analog-Digital-Wandlung nur ein Beispiel einer ganzen Anzahl von Meßvorgängen, bei denen Abtastungs- und Speicherungsschaltkreise notwendig sind; der Abtast- und Speicherungsschaltkreis der vorliegenden Erfindung ist also keineswegs auf den Betrieb im Zusammenhang mit Analog-Digital-Wandlern beschränkt; er kann mit beliebigen Meßeinrichtungen verwendet werden, bei denen ein abgetastetes Signal für eine vorbestimmte Zeitdauer gespeichert werden soll, damit der Meßvorgang weiter durchge-

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führt werden kann. Vor einer detaillierten Beschreibung der Einrichtung sollen kurz die allgemeinen Anforderungen an den Abtast- und Speicherschaltkreis dargelegt werden. Bei der Messung eines Analogsignals besteht eine Funktion des Abtast- und Speicherschaltkreises darin, den Signalpegel innerhalb des gewünschten Intervalls auszuwählen; es handelt sich also hier um die Abtastfunktion. Als zweite Funktion ist dieser abgetastete Pegel eine vorbestimmte Zeitlang aufrechtzuerhalten und zu speichern, während der Meßprozeß weitergeht; hier handelt es sich also um die Speicherfunktion. In vielen Fällen wird die Speicherfunktion durch die Tatsache kompliziert, daß das gerade gemessene Analogsignal nach dem Abtastintervall Änderungen unterworfen ist, und deshalb der Abtast- und Speicherkreis die Fähigkeit besitzen muß nicht auf nachfolgende Änderungen des Analogsignals zu reagieren, da sonst der Meßprozeß verfälscht wird; Statt mit einem einzigen abgetasteten Signalpegel würde man dann mit einem sich änderenden Abtastwert arbeiten.

In der Darstellung von Fig. 1 wird das zu messende Signal I_(t)

Cl

an die Eingangsklemme 20 angeschlossen. Die Ausgangsklemme 21 wird zweckmäßigerweise geerdet. Zwischen der Eingangs- und der Ausgangsklemme 20 und 21 liegt ein supraleitender Schaltkreis, d.h. ein Schaltkreis, der aus Materialien aufgebaut ist, die bei der Betriebstemperatur supraleitend sind. Mit diesem Schaltkreis verbunden ist ein Josephson-Kontakt 25. Fig. 1 zeigt, daß der Josephson-Kontakt 25 von einem Nebenschlußwiderstand R überbrückt ist, da im allgemeinen ein Widerstand erforderlich ist, um sicherzustellen, daß der Josephson-Kontakt kritisch gedämpft ist. Obwohl dieser Widerstand R vorzugsweise eingebaut wird, ist er nicht unbedingt erforderlich: der notwendige Widerstand kann auch mit anderen Mitteln eingebaut werden als durch Parallelschaltung des Widerstands R zum Josephson-Kontakt.

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Ein zweiter supraleitender Schaltkreis 26 ist ebenfalls mit den Eingangs- und Ausgangsklemmen 20 und 21 verbunden. Der zweite supraleitende Schaltkreis enthält eine Induktivität L. Obwohl die Induktivität L in Fig. 1 als ein diskretes Element dargestellt ist, handelt es sich in Wirklichkeit in den meisten Fällen um eine verteilte Induktivität.

Wie in Fig. 1 gezeigt, kann der zweite supraleitende Schaltkreis mit einem Analog-Digital-Konverter 15 gekoppelt sein, wobei die Kopplung am zweckmäßigsten auf magnetische Weise erfolgt. In Fig. 1 ist zwar ausdrücklich ein Analog-Digital-Wandler angeschlossen, es ist jedoch selbstverständlich, daß an den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 irgendein beliebiges Meßinstrument angeschlossen werden kann. Vorzugsweise ist dieses Meßinstrument bei der Betriebstemperatur ebenfalls supraleitend.

In unmittelbarer Nähe des Josephson-Kontakts 25 ist ein Steuerleiter gelegt, der mit den Klemmen 30 und 31 verbunden ist. Ein

Steuerstrom I fließt in diesen Kreis und steuert den Zustand des c

Josephson-Kontakts 25.

Fig. 3 zeigt den physikalischen Aufbau des Abtast- und Speicherschaltkreises entsprechend der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3 sind für entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1. Auf einer Grundplatte 40 ist eine Isolierschicht 50 niedergeschlagen. Auf dieser Isolierschicht 50 sind weiterhin die Leiterzüge 20' , 21· und 26 aufgebracht. Ein Josephson-Kon takt 25 liegt zwischen den Leitern 20' und 21 ·. Ein Steuerleiter liegt zwischen den Klemmen 30' und 31'. Da nur ein Teil der Schaltkreise in Fig. 3 dargestellt ist, können die mit einem Strich versehenen Elemente mit den ohne Strich bezeichneten Klemmen entsprechend Fig. 1 verbunden werden. Die Lage des Steuerleiters kann entsprechend der Topographie der Schaltkreise verändert werden; er ist vom Josephson-Kontakt normalerweise durch eine Isolierschicht getrennt.

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Während des Betriebs führt der Steuerleiter normalerweise einen Strom, der so eingestellt ist, daß der Josephson-Kontakt 25 in seinem spannungsbehafteten Zustand ist. Als Folge davon fließt im wesentlichen der gesamte zu messende Strom I (t) durch den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26. Zu dem Zeitpunkt, an dem

der Strom I (t) abgefühlt werden soll, wird der Strom im Steuera

leiter auf "0" gesetzt und somit der Josephson-Kontakt in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet. Da die Induktivität des Josephson-Kontakts kleiner ist als die Induktivität im zweiten supraleitenden Schaltkreis 26, wird der Strom, der durch den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 floß, auf dem Wert gehalten, den er zu der Zeit hatte, als der Josephson-Kontakt in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet wurde. In dem Analogsignal I (t)

treten jedoch Stromänderungen auf, die durch die supraleitende Einrichtung 25 fließen. So lange also der Josephson-Kontakt 25 in seinem supraleitenden Zustand gehalten wird, fließt ein Strom in den zweiten supraleitenden Schaltkreis 26, der gleich dem Strom ist, der dort floß, als der Josephson-Kontakt 25 in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet wurde. Auf diese Weise wird der abgetastete Strompegel während der Messung auf gleicher Höhe gehalten. Zum Abschluß des Meßprozesses wird der Josephson-Kontakt 25 wieder in seinen normalleitenden Zustand umgeschaltet, und zwar mit Ulfe eines angelegten Steuerstroms. Der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 erreicht auf diese Weise schnell den Pegel des Analogsignalstroms I (t), der gemessen werden soll. Sobald im wesentlichen der gesamte Signalstrom I (t) wieder durch den supraleitenden Schaltkreis 26 fließt, ist die Abtast- und Speichereinrichtung 10 wieder in Lage, eine weitere Abtastung durchzuführen.

Die für diese Betriebsweise typischen Wellenformen sind in den Fign. 2A bis 2C dargestellt. Fig. 2A zeigt eine typische Wellenform für den Steuerstrom. Fig. 2B soll einen typischen Analogsignalstrom I (t) darstellen, der gemessen werden soll. Fig. 2C

et

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stellt den Strom dar, der im zweiten supraleitenden Schaltkreis fließt. Zur Zeit t_Q stellt die Anwesenheit des Steuerstroms sicher, daß der Josephson-Kontakt sich in seinem normalleitendem Zustand befindet und daß damit zu dieser Zeit der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis I₁(t) gleich ist mit I (t), dem zu messenden Strom. Zur Zeit t.. wird der Steuerstrom auf "0" zurückgesetzt und damit der Josephson-Kontakt 25 in seinen supraleitenden Zustand umgeschaltet. Zur Zeit t.. wird also der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis I-(t) abgefühlt. Da der Steuerstrom bis zur feit t₂ auf "0" gehalten wird, bleibt der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis von der Zeit t₁ bis zur Zeit t₂ konstant. Der Strom I-(t) wird beibehalten, und zwar unabhängig von allen Änderungen des Analog-Signalstroms I (t); diese Änderungen fließen durch den Josephson-Kontakt 25. Beim Abschluß des Meßintervalls zur Zeit t₂ schaltet der Steuerstrom den Josephson-Kontakt in seinem normalleitenden Zustand zurück, wodurch der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis 26 nun dem zu messenden Strom folgt. Die Öffnungszeit t ist also die Zeit definiert,

el

die für den zweiten supraleitenden Schaltkreis erforderlich ist um sich auf den Stromwert des zu messenden Stroms einzustellen. Die Öffnungszeit wird durch die Zeitkonstante L/R des Schaltkreises bestimmt. Typischerweise kann man einen Induktivitätswert

-12 -1

L von 10 H und einen Widerstand R in der Größenordnung 10 Ohm erwarten. Damit ist eine Öffnungszeit t der Größenordnung von

10 Pico-Sekunden möglich.

DieÄltezeit t, ist als die Zeit definiert, während der der abgetastete Wert konstant gehalten werden kann. Im Prinzip ist diese Zeit unendlich. Die Stabilität des gespeicherten Signals ist gleich dem Verhältnis der Schleifeninduktivität L, d.h. der Induktivität im zweiten supraleitenden Schaltkreis und der Induktivität des Josephson-Kontakts.

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Der Josephson-Kontakt schaltet zwar zwischen einem normalleitenden und einem supraleitenden Zustand um, es ist dabei aber klar, daß durch den Kontakt auch im normalleitenden Zustand ein gewisser Strom fließt. In dem Maße, in dem ein Strom durch den normalleitenden Josephson-Kontakt fließt, ergibt sich ein Unterschied zwischen dem zu messenden Strom I (t) und dem Strom, der im zweiten supra-

leitenden Schaltkreis fließt. Damit nun Meßfehler aufgrund dieses Stromes vermieden werden, sollte der Josephson-Kontakt so aufgebaut sein, daß dieser Strom geringer ist als die Hälfte des niedrigstelligsten Bits, das sich als Ergebnis des Meßprozesses erwarten läßt. In ähnlicher Weise muß die Einrichtung so aufgebaut sein, daß beim Umschalten des Josephson-Kontakts in seinen supraleitenden Zustand das zu messende Gleichstromsignal I (t) nicht den

el

maximalen Josephson-Strom des Kontakts überschreitet.

Mit der beschriebenen Einrichtung kann also ein kontinuierliches Analog-Stromsignal zu beliebigen vorbestimmten Zeitpunkten abgefühlt werden und außerdem das abgefühlte Signal gespeichert werden, und zwar unabhängig von Änderungen des kontinuierlichen Analog-Stromsignals, so daß der Meßprozeß während eines Meßintervalls an einem konstanten abgetasteten Pegelwert durchgeführt werden kann. Bei dem Betrieb muß dabei das kontinuierliche Analog-Signal nicht auf "0" zurückgesetzt werden und es ist auch nicht notwendig, daß das abgetastete Signal impulsförmig auftritt.

Fig. 4 zeigt im wesentlichen denselben Schaltkreis für Fig. 1 zur Durchführung von Analog-Digital-Wandlungen. Wie in Fig. 1 wird das umzuwandelnde Signal durch einen Signalgenerator 40 zugeführt. Dieses Signal, I (t), gelangt zu einer Eingangsklemme

ei

20. Zwei supraleitende Schaltkreise sind mit der Eingangsklemme 20 verbunden. Ein erster supraleitender Schaltkreis enthält einen Josephson-Kontakt 25, der zwischen den Klemmen 20 und 21 liegt. Ein zweiter supraleitender Schaltkreis liegt ebenfalls zwischen denselben beiden Klemmen. Eine Steuervorrichtung mit einem Lei-

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terzug ist an die Klemmen 3O und 31 angeschlossen, um den Zustand des Josephson-Kontakts 25 mit Hilfe eines darin fließenden Steuerstroms I einzustellen. Bei dieser Anwendung wird jedoch der Steuerstrom I festgehalten, er kann sogar "0" sein; Einzelheiten hierzu werden im folgenden erklärt. Die Induktivität des ersten supraleitenden Schaltkreises wird als L bezeichnet, da der größere TbIl dieser Induktivität auf den Josephson-Kontakt 25 selbst entfällt. Die Induktivität des zweiten supraleitenden Schaltkreises 26, des Verzweigungsschaltkreises, wird im folgenden als L. bezeichnet; diese Induktivität ist in Fig. 4 zwar als diskretes Element dargestellt, in Wirklichkeit kann sie aber auch in dem Verzweigungskreis verteilt angeordnet sein. Vorzugsweise ist L^ größer als L und das Verhältnis L₀VLj₃ soll nach Möglichkeit ungefähr 0,02 betragen. Das Analog-Signal, das in Digitalform umzusetzen ist, umfaßt den Analog-Strom I_a(t), der in die Klemme 20 fließt und entsprechend der Darstellung in Fig. 2 dem Signalgenerator 40 entnommen wird. Der Schwellwertstrom des Josephson-Kontakts 25 !__.. wird so eingestellt, daß er = I_n/n beträgt, wobei I den Maximalwert des Analog-Signals bezeichnet und η die gewünschte Auflösung des Wandlers darstellt; die Einstellung des Schwellwertstroms erfolgt durch einen geeigneten Steuer-Vorstrom, durch eine geeignete Konstruktion des Kontakts oder durch eine Kombination dieser beiden Faktoren. Zur Erzielung einer größeren Genauigkeit erlaubt der Konverter Änderungen des Magnetflusses in der Schleife, die aus den beiden supraleitenden Schaltkreisen besteht nur in Beträgen eines einzelnen Flußquants φ , dessen Wert

—15
gleich 2«10 Voltsekunden ist. Um sicherzustellen, daß der magnetiische Fluß sich nur in Beträgen eines einzelnen Flußquants ändert, ist die gesamte Induktivität der Schleife L + L, ungefähr gleich <i>_o/I_max.

Beim Betrieb wird der Josephson-Kontakt auf den maximalen Josephson-Kontakt I eingestellt. Wie oben erwähnt, kann diese

max

Voreinstellung des Arbeitspunktes entweder durch einen konstanten

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Steuerstrom I erfolgen, durch eine geeignete Wahl der physikalisehen Parameter und Materialien des Josephson-Kontakts oder durch eine Kombination des Steuerstroms und des Aufbaus des Kontakts. Wenn der analoge Signalstrom I (t) betragsmäßig zunimmt, wird er

ÖL

in jedem Fall zuerst im wesentlichen nur im ersten supraleitenden Schaltkreis fließen, d.h. durch den Josephson-Kontakt 25. Genauer werden ungefähr 98 % des analogen Eingangstroms im ersten supraleitenden Schaltkreis fließen. Wenn I„(t) jedoch den Wert I_m=v er-

y IllciX

reicht, schaltet der Josephson-Kontakt in seinen normalleitenden Zustand um und dadurch wird im wesentlichen der gesamte analoge Signalstrom in den zweiten supraleitenden Schaltkreis verlagert. Sobald der analoge Signalstrom nicht mehr durch den ersten supraleitenden Schaltkreis fließt, schaltet der Josephson-Kontakt jedoch in seinen supraleitenden Zustand zurück. Zu diesem Zeitpunkt

wird I_w(t) im wesentlichen gleich I und I (t) wird im wesento max g

liehen zu ¹¹O". Steigt dann der analoge Signalstrom weiterhin an, so fließt der den Wert I__„ übersteigende Strom wieder im ersten supraleitenden Schaltkreis. Wenn der Wert von I_a(t) wiederum den

Wert I des Josephson-Kontakts 25 erreicht, schaltet dieser wiemax

der in den normalleitenden Zustand um, so daß nun I, (t) den Wert ²¹™=_v erreicht. Wenn das analoge Stromsignal weiterhin ansteigt, ergeben sich wiederum die gleichen Vorgänge, d.h. der Josephson-Kontakt 25 schaltet vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand um, und zwar jedesmal, wenn der ihn durchfließende Strom

I erreicht, um dann unmittelbar danach wieder in den supraleimax

tenden Zustand zurückzuschalten. Jedesmal wenn der Josephson-Kontakt 25 einen Umschaltzyklus zum normalleitenden und zurück zum supraleitenden durchläuft, wird ein einzelnes Flußquant in der Schleife eingefangen.

Wenn das analoge Signal anfängt abzunehmen, bewirkt der eingefangene Magnetfluß, daß ein Strom im Josephson-Kontakt in umgekehrter Richtung fließt. Nimmt das analoge Signal weiterhin ab, so steigt der Strom durch den Josephson-Kontakt 25 in umgekehrter Richtung an, bis schließlich I den Wert -I_max erreicht. An die-

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sem Punkt schaltet der Josephson-Kontakt 25 wiederum in seinen normalleitenden Zustand um. In diesem Fall weist jedoch die an dem Kontakt abfallende Spannung die umgekehrte Polarität auf und es wird ein einzelnes Flußquant von der Schleife abgegeben. An dieser Stelle schaltet der Josephson-Kontakt dann wieder zurück in den supraleitenden Zustand. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange das Analog-Signal abnimmt.

Die in Einzelschritten erfolgende Zugabe oder Freigabe eines Flußquants wird durch die L/R-Zeitkonstante der Schleife bestimmt. Im allgemeinen kann dieser Vorgang sehr viel schneller durchgeführt werden als die Änderungen des Pegels des Analog-Signals erfolgen. Durch Differenzierung des im zweiten supraleitenden Schaltkreises fließenden Strom Ij_(t) kann damit das Auftreten von Flußerhöhungen oder Flußherabsetzungen festgestellt werden.

Eine Einrichtung zur Durchführung dieser Funktion ist in Fig. 4 schematisch durch einen Transformator T dargestellt. Der Transformator T besitzt eine Primärwindung, die Bestandteil des zweiten supraleitenden Schaltkreises ist und eine Sekundärwindung, die magnetisch mit der Primärwindung gekoppelt ist. Die Sekundärwindung gibt kurze Impulse einer Polarität bei der schrittweisen Zunahme des Analog-Signals ab, die ihrerseits Folge der Aufnahme eines weiteren Flußquants in die Schleife ist. In entsprechender Weise führt die Abnahme des Analog-Signals zur Erzeugung von Impulsen der entgegengesetzten Polarität als Folge des Vertreibens eines Flußquants aus der Schleife. Diese Impulse können verstärkt werden, um einen 2ⁿ-Binärzähler zu betreiben oder den Inhalt eines N-Bit-Schieberegisters nach rechts bzw. nach links zu verschieben. Damit ergeben sich zu allen Zeiten im Zähler oder in dem Schieberegister diskrete Digitalwerte entsprechend dem analogen Signalpegel.

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Die Wirkungsweise des in Fig. 4 schematisch dargestellten Schaltkreises kann genau anhand der in Fig. 5 beispielhaft dargestellten Wellenformen erläutert werden. Zu diesem Zweck zeigt Fig. 5 die Wellenform eines charakteristischen Analog-Stromsignals I (t),

das über der Zeit aufgetragen einen dreieckförmigen Verlauf aufweist. Die Abzisse ist im Einhalten von I„,„„ geeicht. In Fig. 5

max

sind weiterhin charakteristische Wellenformen für I (t) , I, (t) sowie die zeitliche Ableitung von I, (t) enthalten. Wenn der Analog-Pegel des Signalstroms zunimmt, wächst auch der Strom durch den Josephson-Kontakt I (t) entsprechend bis zur Zeit T₁, wenn I (t)=

g ' g

wird. An dieser Stelle schaltet der Josephson-Kontakt 25 in seinen normalleitenden Zustand um und zwingt dadurch den analogen Signalstrom in den zweiten supraleitenden Schaltkreis. Zur Zeit T₁ nimmt also I. (t) in stufenförmiger Weise bis zum Wert I_max zu und I_(t) fällt im wesentlichen auf den Wert "0". Da jedoch der analoge Signalstrom I (t) weiterhin ansteigt, nimmt auch I (t)

a g

zu, während I, (t) konstant bei I bleibt. Wenn der Analog-Pegel

des Signals den Wert 21 ^, erreicht hat, fließt ein Strom I „„

max max

im Josephson-Kontakt. Dies führt wiederum zu dessen Umschalten in den normalleitenden Zustand und erzwingt damit einen Stromfluß von 21 im zweiten supraleitenden Schaltkreis. Der Strom im zweiten supraleitenden Schaltkreis wird dadurch in Stufen von ¹Tn=V erhöht, während der Strom durch den Josephson-Konktakt

IUcIiK

kontinuierlich von 0 bis I zunimmt und dann auf den Wert 0

max

zurückfällt.

Nach der Zeit T_ß und vor der Zeit T₇ erreicht das Analog-Signal

I (t) den Maximalwert und fängt dann an abzunehmen. Der Strom a

durch den Josephson-Kontakt I (t) spiegelt diese Änderung dadurch wieder, daß der zu dieser Zeit ein Maximum erreicht und dann so lange abnimmt, bis vor der Zeit T_, I (t) in umgekehrter Richtung zu fließen beginnt und an Stärke zunimmt. Zur Zeit T₇ wird I (t) = "I₁J₁₃ · Dadurch wird natürlich wieder ein Umschalten des Josephson-Kontakts in seinen normalleitenden Zustand her-

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vorgerufen. Die Spannung, die am Josephson-Kontakt abfällt, besitzt dann aber die umgekehrte Polarität und es wird entsprechend ein Flußquant aus der Schleife herausgedrängt. Dies zeigt sich in der stufenweisen Änderung von I_b(t) zur Zeit T₇.

Durch magnetisches Ankoppeln an entweder den ersten oder den zweiten der supraleitenden Schaltkreise kann ein Ausgangssignal, beispielsweise zum Betrieb eines Zählers entnommen werden. Fig. 4 zeigt eine magnetische Ankopplung an den zweiten supraleitenden Schaltkreis mit Hilfe einer Sekundärwindung, die magnetisch mit dem zweiten supraleitenden Schaltkreis verbunden ist, durch den Ij₃(t) fließt. Die in der Sekundärwindung induzierte Spannung stellt natürlich die zeitliche Ableitung des Flusses dar, der die zweite Windung durchsetzt. Außerdem ist der Fluß, der die zweite Windung durchsetzt, proportional zum Strom, der durch den zweiten supraleitenden Schaltkreis fließt, d.h. I, (t). Die in der Sekundärwindung induzierte Spannung ist damit proportional zur Größe dl, (t)/dt. Die Wellenform dieser Funktion ist ebenfalls in Fig. 5 dargestellt.

Es kann aber auch der Strom in der ersten supraleitenden Schaltung, Igtt) zur Erzeugung eines Ausgangssignals herangezogen werden, und damit der Digitalwert des analogen Eingangssignals bestimmt werden. Eine ähnlich Art der magnetischen Kopplung kann für dieses Ausgangs signal verwendet werden. Anhand von Fig. 5 und insbesondere anhand der Wellenform von !„(t) ergibt sich aber, daß die zeitliche Ableitung von I (t) einen zusätzlichen, bzw. anormalen Impuls enthält, der die Änderung der Steigung des Analog-Signals zwischen den Zeitpunkten T, und T_ darstellt. Diese Anomalie tritt bei allen Eingangssignalen auf, die zuerst ansteigen und dann abfallen. Da es sich hierbei um einen systematischen Fehler handelt, kann ein logischer Schaltkreis vorgesehen werden, der das Ausgangs signal so modifiziert, daß sich ein korrektes Resultat ergibt. Beispielsweise kann der erste Impuls, der ein Herunterzählen bewirkt, nachdem ein oder mehrere Impulse für das Herauf zählen empfangen wurden, so verarbeitet werden, daß er ein zweimaliges Herunterzählen bewirkt und dadurch den anormalen Impuls für das Heraufzählen kompensiert.

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Claims

- 19 PATENTANSPRÜCHE

Meßwandler für Analogsignale mit supraleitenden und Josephson-Elementen, gekennzeichnet durch:

a) einen ersten, zwischen der Eingangs- (20) und der

Ausgangsklemme (21) für das Analogsignal (I (t) lie-

genden Strompfad mit einem Josephson-Kontakt (25) und zugehörigen Steuereinrichtungen (30, 31), mit denen je nach gewünschter Betriebsart des Wandlers dieser auf einen konstanten Umschaltschwellwert eingestellt oder zu Beginn des Meßvorgangs in den supraleitenden Zustand umgeschaltet werden kann,

b) einen zweiten, zum ersten parallel geschalteten Strompfad (26) mit einer Induktivität, deren Wert groß ist gegenüber der des ersten Pfades und in die während des Meßvorgangs ein Teil des Stromes verlagert wird,

c) eine mit dem ersten oder dem zweiten Pfad gekoppelte Einrichtung (15) zur Erzeugung der Ausgangssignale.

Meßwandler nach Anspruch 1 zur Umsetzung eines Analogstroms in ein binäres Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert des Josephson-Kontakts (25) auf einen konstanten vorbestimmten Wert entsprechend der gewünschten Meßgenauigkeit eingestellt ist und daß, bedingt durch den Aufbau des Wandlers, bei Erreichen des maximalen Josephson-Stroms oder Vielfacher davon, in der aus beiden Strompfaden gebildeten Schleife ein oder mehrere Flußquanten eingefangen bzw. freigesetzt werden.

Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Schwellwerts durch einen konstanten Steuerstrom oder durch den Aufbau der Zelle oder durch beide Faktoren zusammen erfolgt.

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4. Meßwandler nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtinduktivität der Schleife ungefähr Φς/¹H_151x beträgt, wobei φ« der Wert eines elementaren Flußquants ist,und somit beim Umschalten des Josephson-Kontakts gerade ein Flußquant eingefangen, bzw. freigesetzt wird.

5. Meßwandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme des Ausgangssignals durch einen Transformator erfolgt, der magnetisch mit der ersten oder der zweiten Schleife gekoppelt ist und dessen Ausgang einem Binärzähler zugeführt wird.

6. Meßwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Induktivitäten des ersten und des zweiten Pfades ungefähr 0,02 beträgt .

7. Meßwandler nach Anspruch 1 zur Abtastung und Speicherung eines Analogsignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Kontakt (25) des ersten Zweiges zu Beginn des Meßvorgangs durch eine Änderung des Steuerstroms von seinem normalleitenden in den supraleitenden Zustand umschaltet und daß nach Beendigung der Messung des im zweiten Zweig (26) gespeicherten Signals der Josephson-Kontakt wieder in seinen normalleitenden Zustand zurückgeschaltet wird.

8. Meßwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Pfad mit einer Einrichtung zur Messung des in ihm fließenden Stroms verbunden ist, beispielsweise einem A/D-Wandler (15) .

9. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

I,

der Josephson-Kontakt kritisch gedampft ist.

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