一种超导量子干涉仪的数字化模拟器

摘要

本发明涉及一种超导量子干涉仪的数字化模拟器，其特征在于通过ADC、微处理器和DAC数字电路在常温下实现SQUID的电特性模拟；所述模拟器，采用嵌入式系统架构，通过模数转换的方式将读出电路的反馈信号按照微控制器内部建立的在线更新SQUID特性参数库进行磁通换算，再与内置的测试磁通信号进行代数运算，最后根据基于SQUIDV-Φ特性曲线建立的数学模型进行反馈输出，从而在同一平台实现不同特性的SQUID在磁通锁定环读出电路中的硬件在环仿真。本发明极大地提高了SQUID模拟器的集成度、灵活性、通用性和量程，有效地简化SQUID读出电路的测试。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导量子干涉仪的模拟器，尤其是一种通过数字电路实现 超导量子干涉仪电特性模拟，并通过串口修改模拟器相关参数即可完成不同超 导量子干涉仪硬件在环仿真的装置。属于超导应用技术领域。

背景技术

超导量子干涉仪（SQUID：Superconducting QUantum Interference Device） 是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在生物磁、地球物理和低场核磁共振等领 域已有众多应用，主要用于极微弱磁场的探测。在低温DC SQUID读出电路研制 和测试过程中，SQUID本身存在准备工作时间长、试验成本高以及输出信号易受 电磁干扰等问题，尤其是实现低温超导的液氦是稀缺不可再生资源，严重依赖 进口，从而极大地影响SQUID的推广和应用。

研制超导量子干涉仪模拟器是目前一种很实用的在室温下无需接入SQUID 器件即可实现其读出电路调试及SQUID系统测试的方法，可以分析SQUID读出 电路的电路特性，如磁通摆率、带宽，可极大地减少对稀缺资源液氦的依赖， 尤其是在系统研制初期。已知的SQUID模拟器均采用基于信号发生器和加法器 但集成度低、灵活性差的模拟电路来实现。

《稀有金属材料与工程》发表的《SQUID读出电路的仿真及其调试电路的设 计》（vol37,2008）公开了一种基于反向器和加法器等模拟器件的SQUID模拟器， 介绍了根据SQUID读出电路数学模型进行电路行为仿真的方法，并对电路进行模 块划分，建立各模块的数学模型，通过仿真分析影响电路性能的关键参数，进 而指导SQUID读出电路具体电路的设计实现，同时介绍了一种调试电路的研制， 可实现基于交流调制的磁通锁定式读出电路在常温下的调试。该文中提出的模 拟器虽然可以实现超导量子干涉仪的电特性模拟，但需要外部信号发生器配合， 集成度不高；而且针对不同特性的SQUID需要对硬件电路进行修改，灵活性较低。 此外，该模拟器只针对交流调制的磁通锁定式读出电路，不适合直读式，通用 性不高；而且只能通过简化模型模拟一个Φ₀之内的磁通变化，量程和精度也不 够。

又如，《数据采集与处理》期刊在1992年第7卷中的《利用SQUID信号模拟 器测量超导磁强计的摆率和频响》一文公布了一种采用加法器、绝对值电路和 三角波/正弦波转换等模拟电路实现的SQUID模拟器，具有与真实超导磁强计的 开环增益相等的优点，但其基本工作原理与《SQUID读出电路的仿真及其调试电 路的设计》类似，故在此不再赘述。

综上所述，现有超导量子干涉仪模拟器不但存在集成度不高和灵活性较低 等问题，还存在通用性不高和量程精度不够等问题，极大地影响了超导量子干 涉仪在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。

发明内容

为了克服现有的SQUID模拟器参数调整繁琐以及需要外部信号发生器配合 等问题,本发明的目的在于提供一种通过数字电路实现的超导量子干涉仪模拟 器，通过串口修改所述的模拟器相关参数就能完成不同超导量子干涉仪的硬件 在环仿真，该装置不仅集成度和灵活性高，而且通过软件就能在磁通调制式和 直读式两种不同磁通锁定环读出电路中严格按照SQUID的V-Ф特性实现多个Φ₀磁通变化的模拟。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：SQUID的V-Ф特性是非线性， 周期的（周期为一个磁通量子Ф₀），电压变化只有几十个uV，需采用基于磁通锁 定环FLL（Flux-Locked Loop）的读出电路来实现线性、高精度的磁通电压转换。 磁通锁定环读出电路有磁通调制式和直读式两种，其区别在于磁通调制式在直 读式的基础上增加了调制解调电路和用于噪声匹配的变压器。本发明主要针对 直读式读出电路，但对于磁通调制式同样适用，只是模拟器在采集FLL中磁通调 制的反馈信号后需要进行解调，然后在按照SQUID的V-Ф特性输出之前需要对输 出信号进行调制。

所述的磁通锁定环主要由SQUID、前端放大器、偏置调节器、模拟积分器、 反馈电阻和反馈线圈构成，其中SQUID通过低温电缆连接到前端放大器，然后由 前端放大器输出依次串联连接偏置调节器、模拟积分器和反馈电阻，最后将反 馈电阻与SQUID的反馈线圈连接。

本发明提出的SQUID数字模拟器采用嵌入式系统架构，主要由模数转换器 （ADC）、微处理器和数模转换器（DAC）三大部分组成，通过模数转换的方式将 SQUID读出电路的反馈信号按照微控制器内部建立的可在线更新的SQUID特性参 数库进行磁通换算，再与内置的测试磁通信号进行代数运算，最后根据基于 SQUID V-Φ特性曲线建立的数学模型进行反馈输出，从而在同一件平台实现不 同特性的SQUID在磁通锁定环读出电路中的硬件在环仿真。

所述的数字化模拟器中的ADC及其驱动电路完成磁通锁定环输出模拟信号 的数字转换；微处理器则在实现ADC、DAC及其附属器件的控制之外还需要完成 三件任务，其一，采集SQUID磁通锁定环读出电路锁定后的信号输出，按照电路 中SQUID反馈线圈的互感系数与反馈电阻的阻值比值，计算磁通锁定环反馈到 SQUID超导环路中的磁通信号；其二，将微处理器内置的测试磁通信号与任务一 中获取的磁通信号进行代数运算，其结果根据SQUID实际工作特性建立的V-Φ曲 线模型或者近似SQUID V-Φ曲线的传递函数获取相应的电压值；其三，在磁通 锁定初期控制DAC输出信号的摆率，以实现软启动的目的，防止出现磁通锁定环 电路因为摆率不足而失锁；DAC则完成由SQUID V-Φ特征曲线获得的数字负反馈 信号的模拟转换。为了获得更好的磁补偿信号信噪比和减少DAC直接输出信号对 SQUID的影响，可以根据需要在DAC的输出端依次串联一个用于信号平滑的低通 滤波器和一个用于阻抗匹配的跟随器。

在此过程中，通过串口下载修改固化在微处理器中的SQUID反馈线圈的互感 系数和根据SQUID实际工作特性建立的V-Φ曲线模型或者近似SQUID V-Φ特征曲 线的传递函数即可完成不同类型SQUID的电特性模拟；同样修改固化在微处理器 中的反馈电阻阻值则可在不用更换实际电路的前提下完成磁通锁定环在不同反 馈电阻的电特性模拟。

综上所述，本发明针对超导量子干涉器件（SQUID：Superconducting QUantum Interference Device）读出电路研制和测试过程中SQUID自身存在准备工作时 间长、试验成本高以及输出信号易受电磁干扰等问题，所述数字模拟器，通过 ADC、微处理器、DAC等数字电路在常温下实现SQUID的电特性模拟。所述数字模 拟器，采用嵌入式系统架构，通过模数转换的方式将读出电路的反馈信号按照 微控制器内部建立的可在线更新SQUID特性参数库进行磁通换算，再与内置的测 试磁通信号进行代数运算，最后根据基于SQUID V-Φ特性曲线建立的数学模型 进行反馈输出，从而在同一平台实现不同特性的SQUID在磁通锁定环读出电路中 的硬件在环仿真。本发明可以在实现SQUID电特性数字化模拟的同时，无需外置 信号发生器就能很方便地通过串口下载方式实现不同特性的SQUID及其读出电 路反馈电阻的硬件在环仿真，而且可以精确地模拟多个Φ₀的磁通变化，从而极 大地提高了SQUID模拟器的集成度、灵活性、通用性和量程，有效简化SQUID读 出电路的研制和测试。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是磁通锁定环读出电路。

图2是SQUID数字化模拟器示意图。

图3是SQUID硬件在环仿真示意图。

图4是SQUID V-Ф特性曲线。

图中1.SQUID，2.前端放大器，3.偏置调节器，4.模拟积分器，5.磁通锁 定环工作状态控制开关，6.磁通锁定环反馈电阻，7.SQUID Feedback线圈， 8.ADC，9.微处理器，10.DAC，11.平滑滤波器及跟随器，12.计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1磁通锁定环读出电路中的SQUID1是本发明需要模拟的对象。SQUID1的器 件噪声要比前端放大器2低一个数量级以上，要充分发挥SQUID1在磁场测量精度 和分辨率的优势，需要对两者的噪声进行匹配。对于图1所示的磁通锁定环读出 电路，目前主要有两种方式：磁通调制式和直读式，其中磁通调制式主要通过 在SQUID1和前端放大器2之间增加一个匝数比为25~30的变压器来实现，而直读 式则是通过Noise Cancellation的方式来实现。如果把图1磁通锁定环读出电路 分成需要模拟的低温超导磁传感器和需要研制的常温读出电路两部分，那么上 述两者的区别在于磁通调制式在直读式的基础上增加了调制解调电路和用于噪 声匹配的变压器。本发明主要针对直读式读出电路进行说明，但对于磁通调制 式同样适用，只是模拟器的ADC8在采集FLL中经过磁通调制的反馈信号后需要进 行解调，然后在按照SQUID1的V-Ф特性输出之前需要对输出信号进行调制。

如图1所示的磁通锁定环读出电路用于完成待测磁信号的测量，其主要构造 如下：放置于杜瓦液氦中的SQUID1通过低温线缆与前端放大器2连接，其中 SQUID1有两种工作模式：电流偏置和电压偏置，本发明采用电压偏置模式，而 前端放大器2则选用增益为80～100dB的反向放大器，其输出会因SQUID1的电气 特性存在直流电压偏移量，故在前端放大器2的输出连接基于加法器的偏置调节 器3，用于消除此直流电压偏移量；偏置调节器3的输出与组成PID负反馈的关键 电路模拟积分器4连接，模拟积分器4除通过其时间常数可用来调节PID负反馈外 还包含复位功能和SQUID1工作在Tune状态下的旁路功能；模拟积分器4的输出则 与磁通锁定环工作状态控制开关5连接，其控制图1所示的传统磁通锁定环读出 电路工作在Tune或Lock状态。在Lock状态，磁通锁定环工作状态控制开关5通过 串联磁通锁定环反馈电阻6与SQUID Feedback线圈7连接，将磁通锁定环的磁通 反馈信号以耦合的方式传递给SQUID1。在Tune状态，通过调整SQUID1的工作参 数（偏置电压、放大器增益等参数）使模拟积分器4在旁路的情况下其输出信号 幅度最大，从而达到最佳的工作点。

如图2所示，SQUID数字化模拟器主要由ADC8、微处理器9、DAC10、平滑滤 波器及跟随器11依次串联组成。为了更好地说明其主要组成部分的功能和具体 连接关系，本发明拟先通过将图2所示SQUID数字模拟器代替图1所示磁通锁定环 读出电路的SQUID1及其附属的SQUID Feedback线圈7进行详细说明，即图3所示 的SQUID硬件在环仿真。

如图3所示，图1磁通锁定环读出电路中的磁通锁定环反馈电阻6不再与 SQUID Feedback线圈7相连，而与图2SQUID数字模拟器中的ADC8及其驱动电 路连接。ADC8主要实现磁通锁定环输出模拟信号的数字转换，它采用单端转差 分的方式以抑制共模干扰，并设置不同的输入量程以适应不同的测试需求，在 这里ADC8选用分辨率和采样率均适中的16位逐次逼近类型，但在信号带宽和 摆率较小时，可以考虑选择分辨率高但采样率较低的Delta一Sigma类型ADC。

微处理器9（DSP、FPGA等处理器）通过SPI等标准的串行总线或并行总线 与ADC8相连，并将通过数字通信从ADC8中读取的采集数据Data,按照图1磁通 锁定环读出电路中SQUID Feedback线圈7的互感系数Mf与磁通锁定环反馈电阻 6的阻值Rf比值，计算磁通锁定环反馈到SQUID超导环路中的磁通信号Φf，其 中Φf=Data*Mf/Rf，然后将微处理器内置的测试磁通信号Φt按照ADC8的采 样率进行抽样后，再与反馈的磁通信号Φf进行代数运算，其结果Φr=Φt–Φ f，最后根据SQUID实际工作特性建立的V-Φ曲线模型或者近似SQUID V-Φ曲 线的传递函数获取相应的输出电压值Ve，其中前者利用SQUID V-Φ曲线的周期 性建立一个周期的参数模型，然后采用利用查找表的方式进行快速输出，然后 本发明选用后者进行说明；图4是采用Noise Cancellation直读方式的一种SQUID V-Ф特性曲线，也是最常见的SQUIDV-Ф特性曲线，其近似传递函数为余弦函 数：Vo=-Acos(2∏*Φ_a/Φ₀)，其中Vo为输出电压，A为SQUID V-Ф特性曲线 中信号峰峰值的一半，Φ_a为输入磁通信号，Φ₀为一个磁通量子。由此可见， 图3SQUID硬件在环仿真中，由近似SQUIDV-Φ曲线的传递函数获取相应的输 出电压值Ve=-Acos(2∏*Φ_r/Φ₀)。

为在线修改图2SQUID数字模拟器的特征参数，微处理器9通过隔离串口 与计算机12相连，因此可通过串口下载修改固化在微处理器9中的SQUID反 馈线圈7的互感系数Mf和近似SQUID V-Φ特征曲线的传递函数参数即可完成 不同类型SQUID的电特性模拟，同样修改固化在微处理器9中的磁通锁定环反 馈电阻6的阻值Rf则可在不用更换实际电路的前提下完成磁通锁定环在不同反 馈电阻6的电特性模拟。

微处理器9通过SPI等标准的串行总线或并行总线与DAC10相连，其中DAC10 应与ADC8的分辨率和采样率协调一致，在图2SQUID数字模拟器中同样是16 位的分辨率，主要完成由近似SQUID V一Φ曲线的传递函数获得的输出电压值Ve 的模拟转换，此外，在磁通锁定初期微处理器9还需控制DAC10输出信号的摆 率，以实现软启动的目的，防止出现磁通锁定环电路因为摆率不足而失锁。为 了获得更好的磁补偿信号信噪比和减少DAC10输出信号对的影响，在DAC10的 输出端串联用于信号平滑和阻抗匹配的平滑滤波器及跟随器11；

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不 用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。