大量程squid磁传感器的工作点跳变控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体技术领域，涉及一种S卵ID磁传感器的控制方法，特别是涉及 一种大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 义用超导量子干涉器件（Superconducting如antumInte;rferenceDevice,W下 简称S卵ID)的传感器是目前已知的最灵敏的磁传感器。广泛应用于必磁、脑磁、极低场核 磁共振等极微弱磁信号探测和科学研究中。由于其采用微电子工艺，在多通道、高分辨率、 集成化高端应用系统中具有不可替代的作用。
[0003]S卵ID是由两个超导约瑟夫森结并联构成的超导环，将结的两端引出形成一个具 有两个端子的无源器件。当给S卵ID注入一定的偏置电流后，S卵ID两端电压将随着其感 应的磁通呈周期性变化，周期正好为一个磁通量子Φ。（Φ。= 2.07X10l5韦伯），如图l所 示。S卵ID磁传感器是基于如图2所示的磁通锁定环路（Flux-LockedLoop,简称化L)来 实现磁场电压的线性转换的。化L选用S卵ID磁通电压传输特性曲线中磁通电压转换斜率 最大的点作为工作点，即如图1中标记为w0、wl、w2的点为工作点。上述工作点w0、wl、w2 对应的感应磁通正好相差一个磁通量子。上述化L在不同工作点下工作的输入磁通与输出 电压的传输特性曲线如图3所示，每一个工作点下对应一条传输特性曲线，相邻传输特性 曲线之间正好相差一个磁通量子的磁通和对应的电压。
[0004] 化L在工作时，始终保持负反馈的平衡，即将S卵ID的状态锁定在工作点上，当化L 输出电压超出量程时，工作点不再保持，将发生失锁现象。失锁后通过电路复位实现重新锁 定，重新锁定后选择的工作点不能保证是失锁前的工作点，而会锁定在与原先工作点相差 整数个磁通量子Φ。的其他工作点上，且相差的数量是不可知的。由于化L的输出电压限 巧[J(通常为+10V)，在某个固定工作点下的化L的可测量的磁通范围是有限的（如图3阴 影部分）。而S卵ID实际能感应的磁通远大于该可测量磁通范围。
[0005] 为了扩大S卵ID磁传感器的性能，本领域技术人员提出了一种采用工作点切换， 配合磁通量子计数的方式实现扩大S卵ID磁传感器的测量量程的方法。目P，当在某个工作 点下，视帽磁通正好达到N个〇e，N为±1，±2···的整数时，将化L输出置零，并重新开始锁 定，此时的化L将切换到与之前相差ΝΦ。的工作点上从零开始锁定输出。通过上述切换， 记录工作点跳跃的对应Φ。的变化量及在化L正常锁定的输出，即可得知当前被测磁通的 大小。通过上述方法，将S卵ID磁传感器的磁通测量范围扩大到了S卵ID所能感应的磁通 范围，因此测量能力大大提升。实现了大量程的S卵ID磁传感器。
[0006] 采用上述工作点切换方法实现的大量程S卵ID磁传感器在实际应用中存在W下 几个问题：
[0007] 1)采用复位归零后再重新锁定的切换过程中，在归零和重新锁时刻，存在过冲和 振荡现象，如图4和5所示，且切换时间较长。
[0008] 2)存在误计数现象，即切换脉冲已经发出，形成计数信号，但化L并没有切换到对 应的工作点上，造成误计数。
【发明内容】
[0009] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大量程S卵ID磁传感 器的工作点跳变控制方法及系统，用于解决现有大量程S卵ID磁传感器在工作点跳变过程 中存在过冲和振荡现象，W及跳变计数不准的问题。
[0010] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大量程S卵ID磁传感器的工作 点跳变控制方法，所述大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制方法包括：当大量程S卵ID 磁传感器的化L的输出电压幅度达到上限电压幅度时，输出一控制信号至所述化L的复位 控制端，使所述化L开始复位；所述上限电压幅度为所述化L的反馈磁通达到Φ。的整数倍 时对应的化L的输出电压的幅度；当所述大量程S卵ID磁传感器的化L的输出电压达幅度 到下限电压幅度时，解除所述控制信号，使所述化L自然进入锁定状态；所述下限电压幅度 为所述化L的反馈磁通的绝对值小于或等于0. 5Φ。时对应的化L的输出电压的幅度。
[0011] 优选地，所述上限电压幅度为Vh;当所述化L的输出电压达到+VH时，所述化L的反 馈磁通为+ΝΦ。；当所述化L的输出电压达到-Vh时，所述化L的反馈磁通为-ΝΦ。；其中，N 为大于零的正整数；所述下限电压幅度为\ ;当所述FLL的输出电压由下降到小于+\ 时，所述化L的反馈磁通已经小于0. 5Φ。；当所述化L的输出电压由-Vh跳变至时，所述 化L的反馈磁通的绝对值小于或等于0. 5Φ。。
[0012] 优选地，所述控制信号的开始和解除由硬件控制电路或软件控制器控制实现。
[0013] 优选地，所述硬件控制电路包括状态触发器；所述软件控制器包括FPGA、CPU、或 ARM。
[0014] 优选地，所述输出一控制信号控制所述化L开始复位即为利用所述控制信号控制 所述化L的复位控制端，使所述化L的输出电压开始归零。
[0015] 本发明还提供一种大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制系统，所述大量程 S卵ID磁传感器的工作点跳变控制系统包括；阔值电压判断模块，判断大量程S卵ID磁传感 器的化L的输出电压幅度是否达到上限电压幅度或下限电压幅度；所述上限电压幅度为所 述FLL的反馈磁通达到Φ。的整数倍时对应的FLL的输出电压的幅度；所述下限电压幅度为 所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0. 5Φ。时对应的FLL的输出电压的幅度；复位控 制模块，与所述阔值电压判断模块相连，当所述化L的输出电压幅度达到上限电压幅度时， 输出一控制信号至所述化L的复位控制端，使所述化L开始复位；当所述化L的输出电压幅 度达到下限电压幅度时，解除所述控制信号，使所述化L自然进入锁定状态。
[001引优选地，所述阔值电压判断模块由电压比较电路实现。
[0017] 优选地，所述复位控制模块由硬件控制电路或软件控制器实现。
[0018] 优选地，所述硬件控制电路包括状态触发器；所述软件控制器包括FPGA、CPU、或 ARM。
[0019] 优选地，所述化L的复位控制端由一复位控制开关实现。
[0020] 如上所述，本发明所述的大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制方法及系统， 具有W下有益效果：
[0021] 本发明利用状态触发的方式，根据化L的输出电压来确定化L复位的启动与清除 时刻，能根据化L复位速度自适应调节复位时间，缩短了复位过程，消除了开关切换造成的 过冲及振荡的暂态现象，可确保化L完全切换到下一个设定的工作点，消除了误计数的现 象，具有高的可靠性。
【附图说明】
[0022] 图1为现有S卵ID的周期磁通波形示意图。
[0023] 图2为现有S卵ID磁传感器的结构示意图。
[0024] 图3为现有S卵ID磁传感器的化L在不同工作点下工作的输入磁通与输出电压的 传输特性曲线示意图。
[0025] 图4和图5为现有S卵ID磁传感器在归零和重新锁时刻出现的过冲和振荡现象示 意图。
[0026] 图6为本发明实施例一所述的大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制方法的流 程示意图。
[0027] 图7为本发明实施例二所述的大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制系统的结 构示意图。
[0028] 图8为大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制系统的一种实现结构框图。
[0029] 图9为大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制系统的一种具体实现结构示意 图。
[0030] 图10为图9的一种等效电路结构示意图。
[0031] 图11为大量程S卵ID磁传感器的工作点跳变控制系统的另一种具体实现结构示 意图。
[0032] 图12为本发明的工作原理时序示意图。
[0033] 元件标号说明
[0034] 700 大量程S卵ID磁传感器的
[0035] 工作点跳变控制系统
[0036] 710 阔值电压判断模块
[0037] 720 复位控制模块
[0038] S1