一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，通过该模拟电路对输入的外置偏置电流进行采样并转换为电压，通过控制模块对该电压进行计算，得到所述电位器模块的输出电阻的阻值，使得该阻值符合串联约瑟夫森结一阶夏皮罗台阶和过渡过程的电流电压特性，通过所述继电器模块选择闭合通道实现零阶夏皮罗台阶输出，生成基准电压。相应的，本发明专利技术还公开了一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟方法。利用本发明专利技术的模拟电路实现约瑟夫森结的直流电流电压特性，该电路结构简单易实现，并且降低了研发成本。

An analog circuit and method of DC current voltage characteristic in series Josephson junction

【技术实现步骤摘要】
一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路及方法
本专利技术涉及计量测试仪表
，尤其涉及一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路及方法。
技术介绍
约瑟夫森效应是一种量子效应。约瑟夫森结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。约瑟夫森结阵列在适当的直流偏置条件下提供准确的电压输出。自1990年1月1日以来，国际上就统一使用约瑟夫森效应原理来复现国际单位制的电压单位，以保证国际范围内溯源性的一致，此电压基准应用于需要进行精确计量的科学研究和工程中。目前大部分的可编程约瑟夫森电压基准系统，都是利用约瑟夫森效应的直流电压特性中的夏皮罗零阶和一阶台阶，来产生可编程的基准电压。由于约瑟夫森结制备困难，并且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。高校等教学单位一般没有条件采购和操作真正的约瑟夫森电压基准，以开展教学和培训工作。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路及方法，通过模拟电路实现约瑟夫森结的直流电流电压特性，该电路结构简单易实现，并且降低了研发成本。为实现上述目的，本专利技术提供了一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，所述系统包括偏置电流输入端子、电流采样模块、控制模块、继电器模块、电位器模块和一对电压输出端子，其中，所述偏置电流输入端子，提供一外接的偏置电流；所述电流采样模块，采样所述偏置电流并将其转化为电压信号；所述控制模块，根据所述电压信号计算所述偏置电流的电流值，并基于约瑟夫森结的直流电流电压特性和所述电流值，计算所述电位器模块的输出阻值，并根据所述阻值控制所述继电器模块所要闭合的通道，以及调整所述电位器模块的中间抽头的位置；所述偏置电流流经所述电流采样模块、所述继电器模块和所述电位器模块所构成的闭合回路，所述电压输出端子输出基准电压。优选的，所述控制模块的通道控制输出端与所述继电器模块的通道控制输入端连接，所述控制模块的滑动控制输出端与所述电位器模块的滑动控制输入端相连接，所述电流采样模块的电流输出端与所述继电器模块的公共端连接，所述电位器模块的中间抽头端和低端抽头端分别与所述继电器开关模块的第一选择端和第二选择端连接，所述电流采样模块的电流输入端与所述电压输出端子的高端连接，所述第二选择端的电流输出端与所述电压输出端子的低端连接。优选的，所述控制模块包括一微控制器，该微控制器是具有单极性模数转换器的混合信号微控制器。优选的，所述电流采样模块包括采样电阻、差动放大器和运算放大器，其中，所述采样电阻连接所述偏置电流输入端子与电压输出端子的高端、所述继电器模块的公共端；所述差动放大器的输入端连接至所述采样电阻的两端，所述差动放大器的输出端连接至所述运算放大器的输入端；所述运算放大器的输出端连接至所述控制模块；所述差动放大器包括增益电阻；所述运算放大器和第一电阻、第二电阻以及第三电阻构成同相比例放大电路。优选的，所述电流采样模块还包括参考电压器、同相加法器和电压跟随器，其中，所述运算放大器的输出端和参考电压器的输出端均与所述同相加法器的输入端相连接；所述同相加法器的输出端连接至所述电压跟随器的输入端；所述电压跟随器的输出端连接所述微控制器内的单极性模数转换器输入端。优选的，所述控制模块包括第一计算单元，用于根据获取的电压V，通过式(1)、(2)、(3)计算所述偏置电流的电流值I：其中，Rg为所述差动放大器的增益电阻的阻值，G1为所述差动放大器的电压放大倍数；其中，R2、R3为所述同相比例放大电路的第二电阻和第三电阻的阻值，G2为所述同相比例放大电路的放大倍数；其中，G1为差动放大器的电压放大倍数，G2为同相比例放大电路的放大倍数，Rs为采样电阻，VR为参考电压器输出的参考电压。优选的，所述控制模块还包括第二计算单元，用于根据所述偏置电流的电流值I，根据电流值I对应的区间确定不同的计算策略，并计算所要输出的基准电压Vo：若所述电流值I在0≤I≤I0+区间范围内，通过公式(4)计算基准电压Vo：Vo＝0(4)；若所述电流值I在I0+＜I＜I1-区间范围内，通过公式(5)计算基准电压Vo：若所述电流值I在I1-≤I≤I1+区间范围内，通过公式(6)计算基准电压Vo：其中，I0+为夏皮罗零阶台阶边界电流，I1-和I1+为夏皮罗台阶一阶台阶边界电流，f为偏置微波源频率，n为串联约瑟夫森结个数，约瑟夫森常数KJ＝483597.9GHz/V。优选的，所述控制模块还包括第三计算单元，用于根据所述电流值I和基准电压Vo计算所述电位器模块的输出阻值R：当所述电流值I在0≤I≤I0+区间范围内，所述输出阻值R为0；当所述电流值I＞I0+时，结合式(5)、(6)和(7)计算所述输出阻值R：优选的，所述电位器模块包括数字电位器芯片和定值电阻器，所述数字电位器芯片的中间抽头端和低端抽头端与所述定值电阻器并联，并基于约瑟夫森结的个数来确定定值电阻器的使用策略。为实现上述目的，本专利技术提供了一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟方法，所述方法包括：采样一外接的偏置电流并将其转化为电压信号，计算所述偏置电流的电流值；根据所述偏置电流的电流值、设置的模拟参数以及所述电流值对应的区间，确定不同的计算策略，并计算所要输出的基准电压；根据所述电流值和基准电压计算电位器模块的输出阻值，并控制继电器模块所要闭合的通道，以及调整电位器模块的中间抽头的位置，使电压输出端子输出对应的基准电压。与现有技术相比，本专利技术提供一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路及方法，所带来的有益效果为：本专利技术利用模拟电路模拟多个约瑟夫森结串联后的直流电流电压特性，尤其是通过模拟电路模拟其中的零阶、一阶夏皮罗台阶及台阶间的过渡，提供稳定的电压基准，该模拟电路输出的基准电压值随输入的实时电流值动态变化，达到了模拟约瑟夫森结阵电压特性的效果；该技术方案结构简单，制作容易，不需要特殊的运行条件，并且降低了成本，在实验室中可被广泛使用，简单代替制备困难、结构复杂、价格昂贵的约瑟夫森结，特别适合高校等教学单位用于开展约瑟夫电压基准的相关教学和培训工作；可将多个模拟电路组合使用，以产生多种不同的基准电压。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施例中的串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路的系统示意图。图2是根据本专利技术的一个实施例中的电流采样模块的电路示意图。图3是根据本专利技术的一个实施例中的继电器模块和电位器模块的电路示意图。图4是根据本专利技术的一个实施例中的串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟方法的流程示意图。具体实施方式...

【技术保护点】
1.一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，其特征在于，所述系统包括偏置电流输入端子、电流采样模块、控制模块、继电器模块、电位器模块和一对电压输出端子，其中，/n所述偏置电流输入端子，提供一外接的偏置电流；/n所述电流采样模块，采样所述偏置电流并将其转化为电压信号；/n所述控制模块，根据所述电压信号计算所述偏置电流的电流值，并基于约瑟夫森结的直流电流电压特性和所述电流值，计算所述电位器模块的输出阻值，并根据所述阻值控制所述继电器模块所要闭合的通道，以及调整所述电位器模块的中间抽头的位置；/n所述偏置电流流经所述电流采样模块、所述继电器模块和所述电位器模块所构成的闭合回路，所述电压输出端子输出基准电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，其特征在于，所述系统包括偏置电流输入端子、电流采样模块、控制模块、继电器模块、电位器模块和一对电压输出端子，其中，
所述偏置电流输入端子，提供一外接的偏置电流；
所述电流采样模块，采样所述偏置电流并将其转化为电压信号；
所述控制模块，根据所述电压信号计算所述偏置电流的电流值，并基于约瑟夫森结的直流电流电压特性和所述电流值，计算所述电位器模块的输出阻值，并根据所述阻值控制所述继电器模块所要闭合的通道，以及调整所述电位器模块的中间抽头的位置；
所述偏置电流流经所述电流采样模块、所述继电器模块和所述电位器模块所构成的闭合回路，所述电压输出端子输出基准电压。


2.如权利要求1所述的串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，其特征在于，所述控制模块的通道控制输出端与所述继电器模块的通道控制输入端连接，所述控制模块的滑动控制输出端与所述电位器模块的滑动控制输入端相连接，所述电流采样模块的电流输出端与所述继电器模块的公共端连接，所述电位器模块的中间抽头端和低端抽头端分别与所述继电器开关模块的第一选择端和第二选择端连接，所述电流采样模块的电流输入端与所述电压输出端子的高端连接，所述第二选择端的电流输出端与所述电压输出端子的低端连接。


3.如权利要求2所述的串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，其特征在于，所述控制模块包括一微控制器，该微控制器是具有单极性模数转换器的混合信号微控制器。


4.如权利要求3所述的串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，其特征在于，所述电流采样模块包括采样电阻、差动放大器和运算放大器，其中，所述采样电阻连接所述偏置电流输入端子与电压输出端子的高端、所述继电器模块的公共端；
所述差动放大器的输入端连接至所述采样电阻的两端，所述差动放大器的输出端连接至所述运算放大器的输入端；
所述运算放大器的输出端连接至所述控制模块；
所述差动放大器包括增益电阻；
所述运算放大器和第一电阻、第二电阻以及第三电阻构成同相比例放大电路。


5.如权利要求4所述的串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，其特征在于，所述电流采样模块还包括参考电压器、同相加法器和电压跟随器，其中，
所述运算放大器的输出端和参考电压器的输出端均与所述同相加法器的输入端相连接；
所述同相加法器的输出端连接至所述电压跟随器的输入端；
所述电压跟随器的输出端连接至所述微控制器内的单极性模数转换器输入端。


6.如权利要求4所述的串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，其特征在于，所述控制模块包括第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：富雅琼，万子鑫，赵建亭，钱璐帅，鲁云峰，屈继峰，贺青，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33