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与流程

本发明涉及计量测试仪表技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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：本发明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是根据本发明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是根据本发明的一个实施例中的电流采样模块的电路示意图。

图3是根据本发明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是根据本发明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

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明一个实施例中，本发明提供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10、电流采样模块11、控制模块12、继电器模块13、电位器模块14和一对电压输出端子15，其中：

所述偏置电流输入端子10，提供一外接的偏置电流；

所述电流采样模块11，采样所述偏置电流并将其转化为电压信号；

所述控制模块12，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14的输出阻值，并根据所述阻值控制所述继电器模块13所要闭合的通道，以及调整所述电位器模块14的中间抽头的位置；

所述偏置电流流经所述电流采样模块10、所述继电器模块和所述电位器模块14所构成的闭合回路，所述电压输出端子15输出基准电压。

本发明通过模拟电路模拟约瑟夫森结的直流电流电压特性，生成约瑟夫森结电压基准，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，达到在零阶和一阶夏皮罗台阶范围内模拟串联约瑟夫森结特性的效果。

具体地，如图1所示，所述系统包括偏置电流输入端子10、电流采样模块11、控制模块12、继电器模块13、电位器模块14和电压输出端子15，所述控制模块12的通道控制输出端与所述继电器模块13的通道控制输入端连接，所述控制模块12的滑动控制输出端与所述电位器模块14的滑动控制输入端相连接，所述电流采样模块11的电流输出端与所述继电器模块13的公共端连接，所述电位器模块13的中间抽头端和低端抽头端分别与所述继电器开关模块12的第一选择端和第二选择端连接，所述电流采样模块11的电流输入端与所述电压输出端子15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15的低端连接。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偏置电流并将其转化为电压信号，再经过放大、平移、缓冲等环节处理为适合所述控制模块的输入信号。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，并根据所述阻值输出通道控制信号至所述继电器模块，用以控制所述继电器模块哪个通道闭合。所述控制模块还根据所述阻值输出滑动控制信号至所述电位器模块，用以控制所述电位器模块的中间抽头的位置，以调整所述电位器模块的输出阻值为该阻值。所述继电器模块根据通道控制信号关闭所要关闭的通道，即将继电器模块的公共端切换到第一选择端或者第二选择端。所述偏置电流流经所述电流采样模块、所述继电器模块的闭合通道和所述电位器模块所构成的闭合回路，输出基准电压。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。本发明的一个具体实施例，所述微控制器选择s9keaz128芯片，该芯片具有12位的单极性模数转换器。

如图2所示的本发明一个优选实施例中，所述电流采样模块11包括采样电阻rs、差动放大器u1和运算放大器u2，所述采样电阻rs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u1的输入端连接至所述采样电阻rs的两端，所述差动放大器u1的输出端连接至所述运算放大器u2的输入端，所述运算放大器u2的输出端连接至所述控制模块。所述采样电阻rs一般选择阻值较小并且稳定的阻值，比如，采样电阻rs的阻值选取为100mω。采样电阻对输入的偏置电流进行采样。所述差动放大器u1包括增益电阻rg。所述差动放大器u1可选用仪表放大器芯片ad620。差动放大器u1将采样电阻上的差分电压转换为对地的单端电压，并通过差动放大器u1的增益电阻rg的阻值配置电压放大倍数，其电压放大倍数g1与增益电阻rg的关系为式(1)；

所述运算放大器u2和第一电阻r1、第二电阻r2以及第三电阻r3构成同相比例放大电路。通过该同相比例放大电路对电压信号再次放大，以弥补不足的放大倍数。所述同相比例放大电路的放大倍数g2通过式(2)计算得到；

由于偏置电流经过采样、放大后得到的信号为双极性，而微控制器内部的模数转换器为单极性输入，因此需要采用参考电压电路生成一个稳定的直流电压与放大后的电压相加，从而将信号的零点抬高至接近模数转换器的电压输入范围中点的位置。如图2所示，所述电流采样模块11还包括参考电压器u3、同相加法器u4和电压跟随器u5，所述运算放大器u2的输出端和参考电压器u3的输出端均与所述同相加法器u4的输入端相连接，所述同相加法器u4的输出端连接至所述电压跟随器u5的输入端，所述述电压跟随器u5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。具体地，所述参考电压器u3可采用ref3020芯片，生成稳定直流参考电压。同相加法器采用运算放大器芯片opa277，将运算放大器u2输出的电压信号与参考电压一起输入同相加法器u4中，从而实现了电压信号零点的平移。同相加法器u4输出的电压信号输入至电压跟随器u5，对电压信号进行缓冲之后再输入至微控制器的模数转换器的输入端。

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阻值。具体地，所述控制模块包括第一计算单元，所述第一计算单元根据获取的电压v，通过式(1)、(2)、(3)计算所述偏置电流的电流值i，

其中，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。

所述控制模块还包括第二计算单元，所述第二计算单元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。

所述控制模块还包括第三计算单元，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：

所述控制模块根据计算得到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。

如图3所示的本发明的一具体实施例，所述继电器模块包括单刀双掷磁保持继电器u6。本实施例中，所述继电器芯片u6的两个控制端分别用两个mos管控制，每一个mos管的基极与所述控制模块相连接，通过控制模块输出的通道控制信号来控制每一个mos管的开启和关闭，从而实现继电器芯片u6的通道开启。所述电位器模块包括数字电位器芯片u7，数字电位器芯片u7的中间抽头端rw和低端抽头端rl分别与所述继电器芯片u6的第一选择端3和第二选择端5连接。所述电位器模块还包括一定值电阻器ro，所述中间抽头端rw和低端抽头端rl与所述定值电阻器ro并联。具体地，当所述电位器模块的输出阻值r为0时，所述控制模块输出的通道控制信号控制所述继电器芯片u6的公共端切换至与数字电位器芯片u7的低端抽头端rl连接的第二选择端，相当于将数字电位器芯片u7短路，从而实现输出电阻的阻值r为0。当根据式(7)计算得到输出阻值r时，根据约瑟夫森结的个数来确定定值电阻器ro的使用策略。当约瑟夫森结的个数较少时，根据输出阻值r，将阻值略大于所述r值的定值电阻器ro与所述数字电位器芯片u7并联，通过调整所述数字电位器芯片u7的阻值来满足输出电阻的阻值r；当约瑟夫森结的个数较多时，将所述定值电阻器ro开路，所述数字电位器芯片u7的阻值为所述输出电阻的阻值r。

如图4所示的本发明一个实施例中，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：

s401、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；

s402、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；

s403、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。

所述设置的模拟参数包括夏皮罗零阶台阶边界电流i0+，夏皮罗台阶一阶台阶边界电流i1-和i1+，偏置微波源频率f，串联约瑟夫森结个数n，约瑟夫森常数kj＝483597.9ghz/v。基于上述串联约瑟夫森结的直流电流电压特性模拟电路，采样一外接的偏置电流并将其转化为电压信号，根据上述式(1)、(2)、(3)计算所述偏置电流的电流值。根据所述电流值对应的区间，确定不同的计算公式，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。具体实施方式与上述模拟电路的技术方案一致，在此不再多描述。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。