一种双路可编程约瑟夫森电压驱动方法及其装置与流程

1.本发明涉及电路驱动技术领域，尤其涉及一种双路同步可编程约瑟夫森电压驱动方法及其装置。


背景技术：

2.在可编程约瑟夫森量子电压基准装置中，约瑟夫森结阵必须在确保各子结阵的驱动电流保持同步的前提下，方能产生约瑟夫森效应所描述的直流量子电压。约瑟夫森结阵一般由十余个至二十余个子结阵串联而成，各子结阵的驱动电流需要保持高度的同步性，由于每一个子结阵的驱动电流取值均不相同，现有技术中还没有一种能够实现双路约瑟夫森结阵同时生成标准电压和电流信号所需的量子电压的方法，双路约约瑟夫森结阵不仅要确保每一路结阵内部的各子结阵的驱动电流保持同步，还需要确保两路约瑟夫森结阵之间的高度同步。因此，为保证多路驱动信号具有高度同步性，同时为防止个别子结阵偏置状态滞后引起其他子结阵的偏置状态异常，需要一种基于高稳定度时基的同步触发、控制系统架构来保证驱动同步性要求。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中的上述的问题，本技术提供了一种能够确保两路约瑟夫森结阵中所有子结阵的驱动电流保持高度同步性的双路可编程约瑟夫森电压驱动方法及其装置。
4.基于上述发明目的，本技术提供了一种双路可编程约瑟夫森结阵驱动方法，用于驱动双路可编程约瑟夫森结阵，双路可编程约瑟夫森结阵包括第一可编程约瑟夫森结阵和第二可编程约瑟夫森结阵，驱动方法包含：
5.设置采样频率fs，将可编程约瑟夫森结阵的目标输出电压波形量化为电压值序列s0、s1……sn-1
；
6.计算电压值序列s0、s1……sn-1
中各电压值对应的约瑟夫森结阵中各子结阵的电压偏置组合；
7.根据各子结阵的电压偏置组合计算可编程约瑟夫森结阵驱动器各驱动通道的驱动电压组合；
8.将各驱动通道的驱动电压组合量化为二进制编码组合；
9.将二进制编码组合依次输入各驱动通道中的数模转换器；
10.通过参考时钟同步触发各驱动通道中的数模转换器输出二进制编码对应的驱动电压；
11.将数模转换器输出的驱动电压转换为驱动电流驱动可编程约瑟夫森结阵输出目标电压。
12.进一步的，电压值序列s0、s1……sn-1
，量化方法是：
[0013][0014]
其中，u(i/fs)代表第i个采样点处的电压值，round为取整函数，u
lsb
为可编程约瑟夫森结阵中最小有效位对应子结阵所能合成的电压值。
[0015]
进一步的，u
lsb
的表达式为：其中n为最小有效位对应子结阵中约瑟夫森结数，n为量化台阶数，f为微波频率，kj为约瑟夫森常数483597.9ghz/v。
[0016]
进一步的，电压值序列s0、s1……sn-1
中各电压值对应的约瑟夫森结阵中各子结阵的电压偏置组合表示为：
[0017][0018]
其中b
i,j
表示电压值序列s0、s1……sn-1
中第i个采样点的电压值si所需的第j个约瑟夫森子结阵的偏置状态，b
i,j
的取值为1、0和-1中的一种，分别代表正偏、零偏和负偏。
[0019]
进一步的，可编程约瑟夫森结阵驱动器各驱动通道的驱动电压组合所示为：
[0020][0021]
其中v
i,j
表示电压值序列s0、s1……sn-1
中第i个采样点的电压值si的第j个约瑟夫森子结阵的驱动电压，v
i,j
可由式(2)计算方法是
[0022][0023]
其中i
b(i)
为第i段子结阵上的偏置电流，1≤i≤n-1；r子结阵对应驱动通道的的电阻值；ni为子结阵偏置状态，ni为第i段子结阵包含的约瑟夫森结个数。
[0024]
进一步的，二进制编码方式为偏移二进制编码或二进制补码编码。
[0025]
进一步的，还包括设置双路可编程约瑟夫森结阵的输出电压的相位差，将二进制编码组合以相位差分别输入第一可编程约瑟夫森结阵和第二可编程约瑟夫森结阵的各驱动通道中的数模转换器。
[0026]
基于上述发明目的，本技术还提供了一种双路可编程约瑟夫森结阵驱动装置，包括：
[0027]
可编程约瑟夫森结阵模块，用于输出量子电压，包括第一可编程约瑟夫森结阵模块和第二可编程约瑟夫森结阵模块；
[0028]
驱动模块，用于驱动可编程约瑟夫森结阵模块，包括第一驱动模块和第二驱动模块，第一驱动模块用于驱动第一可编程约瑟夫森结阵模块，第二驱动模块用于驱动第二可编程约瑟夫森结阵模块，第一驱动模块和第二驱动模块均包括有一控制端；
[0029]
波形存储器，用于存储驱动模块待输出电压波形中各点电压值对应的二进制编码；
[0030]
控制器，控制器包括根据可编程约瑟夫森结阵的目标输出电压波形生成驱动模块的驱动电压波形，将驱动电压波形中各点电压值对应的二进制编码存储于波形存储器，依次读取波形存储器中的各组二进制编码并输入对应的驱动模块中；
[0031]
参考时钟，用于输出时钟脉冲，时钟脉冲用于触发第一驱动模块和第二驱动模块同步读取控制端发送的二进制编码；
[0032]
其中，波形存储器与控制器通信连接，控制器输出端连接驱动模块输入端，驱动模块输出端连接可编程约瑟夫森结阵，参考时钟输出端同时连接第一驱动模块和第二驱动模块的控制端。
[0033]
进一步的，还包括微波发生模块，微波发生模块包括微波信号发生器和微波功率放大器，微波信号发生器的输出端连接微波功率放大器的输入端，微波功率放大器输出端同时连接第一约瑟夫森结阵模块和第二约瑟夫森结阵模块的输入端。
[0034]
进一步的，第一驱动模块和第二驱动模块均包括若干驱动支路，驱动支路包括相互串联的数模转换器和v/i转换器，数模转换器连接控制器的输出端，v/i转换器的输出端对应的连接于约瑟夫森结阵模块的输入端。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果是：本发明的双路同步可编程约瑟夫森电压驱动方法通过参考时钟作为同步触发信号，使所有数模转换器同步输出驱动电压，实现两路约瑟夫森结阵驱动电流的高度同步性；同时，本发明的双路同步可编程约瑟夫森电压驱动装置通过将要输出的波形采样后，将采样数据数字化为二进制编码存储在波形存储器中，并按照设定的相位差将对应的二进制在编码依次发送给第一约瑟夫森结阵模块和第二约瑟夫森结阵模块中对应的数模转换器中，实现双路输出之间相位差的控制。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例的可编程约瑟夫森电压驱动方法流程图。
[0037]
图2是本发明实施例的另一种可编程约瑟夫森电压驱动方法流程图。
[0038]
图3是本发明实施例的可编程约瑟夫森电压驱动装置电路框图。
[0039]
图4是本发明实施例的驱动支路的电路框图。
[0040]
附图标记说明：101、第一驱动模块；102、第二驱动模块；111、第一约瑟夫森结阵模块；112、第二约瑟夫森结阵模块；120、控制器；121、波形存储器；130、参考时钟；141、数模转换器；142、v/i转换器；150、微波发生模块；151、微波信号发生器；152、微波功率放大器。
具体实施方式
[0041]
为了使阅读者能够更好的理解本方法之设计宗旨，特提供下述具体实施例，以使
得阅读者能够形象的理解本方法所涉及到结构、结构组成、作用原理和技术效果。但应当注意，下述各实施例并非是对本方法技术方案的限定，本领域技术人员在对各实施例进行分析和理解的同时，可结合现有知识对本方法提供的技术方案做一系列变形与等效替换，该变形与等效替换而得的新的技术方案亦被本方法囊括在内。
[0042]
如图1所示，一种双路可编程约瑟夫森结阵驱动方法，用于驱动双路可编程约瑟夫森结阵，双路可编程约瑟夫森结阵包括第一可编程约瑟夫森结阵和第二可编程约瑟夫森结阵，驱动方法包含：
[0043]
步骤s101，设置采样频率fs，将可编程约瑟夫森结阵的目标输出电压u(t)的波形量化为电压值序列s0、s1……sn-1
；
[0044]
步骤s102，计算电压值序列s0、s1……sn-1
中各电压值对应的约瑟夫森结阵中各子结阵的电压偏置组合；
[0045]
步骤s103，根据各子结阵的电压偏置组合计算可编程约瑟夫森结阵驱动器各驱动通道的驱动电压组合；
[0046]
步骤s104，将各驱动通道的驱动电压组合量化为二进制编码组合；
[0047]
步骤s105，将二进制编码组合依次输入各驱动通道中的数模转换器141；
[0048]
步骤s106，通过参考时钟130同步触发各驱动通道中的数模转换器141输出二进制编码对应的驱动电压；
[0049]
步骤s107，将数模转换器141输出的驱动电压转换为驱动电流驱动可编程约瑟夫森结阵输出目标电压。
[0050]
作为一种实现方式，步骤s101中电压值序列s0、s1……sn-1
，量化方法如式(1)所示：
[0051][0052]
其中，u(i/fs)代表第i个采样点处的电压值，round为取整函数，u
lsb
为可编程约瑟夫森结阵中最小有效位对应子结阵所能合成的电压值。
[0053]
作为一种实现方式，u
lsb
的表达式为：
[0054][0055]
其中n为最小有效位对应子结阵中约瑟夫森结数，n为量化台阶数，f为微波频率，kj为约瑟夫森常数483597.9ghz/v。
[0056]
作为一种实现方式，步骤s102中电压值序列s0、s1……sn-1
中各电压值对应的约瑟夫森结阵中各子结阵的电压偏置组合表示为t1：
[0057][0058]
其中b
i,j
表示电压值序列s0、s1……sn-1
中第i个采样点的电压值si所需的第j个约瑟夫森子结阵的偏置状态，b
i,j
的取值为1、0和-1中的一种，分别代表正偏、零偏和负偏。
[0059]
作为一种实现方式，步骤s103中可编程约瑟夫森结阵驱动器各驱动通道的驱动电压组合表示为t2：
[0060][0061]
其中v
i,j
表示电压值序列s0、s1……sn-1
中第i个采样点的电压值si的第j个约瑟夫森子结阵的驱动电压，v
i,j
的计算方法如表(2)所示：
[0062][0063]
其中i
b(i)
为第i段子结阵上的偏置电流，1≤i≤n-1；r子结阵对应驱动通道的的电阻值；ni为子结阵偏置状态，ni为第i段子结阵包含的约瑟夫森结个数。
[0064]
作为一种实现方式，步骤s104中二进制编码方式为偏移二进制编码或二进制补码编码，该步骤将表t2中元素数字化为dac编码，得到dac编码如下表t3所示，并将dac编码存入波形存储器121中。
[0065][0066]
作为一种实现方式，如图2所示，还包括：步骤s108，设置双路可编程约瑟夫森结阵的输出电压的相位差，将二进制编码组合以相位差分别输入第一可编程约瑟夫森结阵和第二可编程约瑟夫森结阵的各驱动通道中的数模转换器141。具体步骤如下，设置双路输出的相位差，计算相位控制字δp的计算方法如式(3)所示：
[0067][0068]
其中，为双路可编程约瑟夫森结阵输出电压之间的相位差，为双路可编程约瑟夫森结阵输出电压之间的相位差，m为采样点数。
[0069]
步骤s109，从波形存储器121读取t3表中第i列数据，按照行号j发送至第一组中对应标号数模转换器141；从波形存储器121读取t3表中i+δp列数据，按照行号j发送至第二组中对应标号数模转换器141。
[0070]
步骤s110，等待参考时钟130脉冲的第一触发沿到达第一组和第二组所有数模转换器141的输出刷新控制端后，所有dac同步输出驱动电压，经过v/i转换器142后驱动约瑟夫森结偏置至t1所表示的状态，同时输出对应量子电压。
[0071]
步骤s111，等待参考时钟130脉冲的第二触发沿到达控制器时，计算并刷新i并跳
转至步骤s109，往复循环步骤s109至步骤s111，其中i的取值如式(4)所示。
[0072][0073]
为说明本发明提出的双路同步可编程约瑟夫森电压驱动方法，以下举例合成相位差为的两路量子电压信号的具体过程，其中待合成量子电压波形的频率为1hz，幅值为10v；该示例只是为了便于理解本发明的方法，但是不作为对本发明方法保护范围、应用领域等各种领域的限制。
[0074]
首先控制器对待合成波形进行数字化处理；设置采样率fs＝8hz，将所要输出的单周期波形u(t)量化为电压值序列，量化公式如下所示：
[0075][0076]
式中u(i/fs)代表第i个采样点处的电压值，round为取整函数，u
lsb
为可编程约瑟夫森结阵中最小有效位对应子结阵所能合成的电压值，u
lsb
的表达式为：其中n为最小有效位对应子结阵中约瑟夫森结数，n为量子化台阶数，f为微波频率，kj为约瑟夫森常数483597.9ghz/v。最终得到台阶电压值序列为0.000000、4.999818、9.999862、4.999818、0.000000、-4.999818、-9.999862、-4.999818。
[0077]
计算电压序列中对应的约瑟夫森子结阵偏置组合，构造偏置组合序列表t1如下所示：
[0078][0079]
计算所需的约瑟夫森结的总结数n；
[0080]
针对芯片所包含的约瑟夫森子结阵按照结数进行分组，包括升序三进制t组、三进制冗余r组、量化误差补偿s组和剩余有效子结阵o组；
[0081]
将总结数n分解为n
tj
和n
oj
两项之和，其中，分解方式为p种，n
tj
是小于t组子结阵结数之和的非负整数，n
oj
是用o组子结阵的偏置组合表示的非负整数；
[0082]
分别将p种分解方式中的n
tj
转换为通过t组和r组子结阵表示的p种偏置组合形式；
[0083]
通过s组的量化误差补偿数值分别补偿p种偏置组合形式产生的量化误差，获得补偿后剩余误差最小的偏置组合方式；
[0084]
将得到的偏置组合方式按照原子结阵顺序进行排列。
[0085]
作为一种实现方式，约瑟夫森子结阵偏置组合计算也可以通过如下方法实现：
[0086]
判断是否发生捕获磁通现象，若未发生捕获磁通现象则采用平衡三进制算法计算量子电压序列对应的偏置状态矩阵，否则，计算时关闭异常结段，采用索引算法计算偏置状态矩阵。
[0087]
根据各台阶电压对应的约瑟夫森子结阵偏置组合，计算各偏置组合中个台阶电压对应各通道的驱动电压值，驱动电压值计算公式如下所示：
[0088]
[0089]
其中i
b(i)
为第i段子结阵上偏置电流，1≤i≤n-1；r＝110ω为电压输出通道中精密电阻；ni(子结阵偏置状态)＝-1、0或1，ni为第i段子结阵包含的约瑟夫森结个数；最终得到可编程约瑟夫森子结阵驱动电压组合序列表t2如下所示：
[0090][0091]
将表t2中元素数字化为dac编码表t3如下所示，并将dac编码存入波形存储器1211中。
[0092][0093]
根据设置好的双路输出的相位差计算得到相位控制字δp＝125，取初始值i＝0。
[0094]
从波形存储器121读取t3表中第1列数据，按照行号j发送至第一组中对应标号数模转换器141(a1、a2…an
)；从波形存储器121读取t3表中1+δp＝126列数据，按照行号j发送至第二组中对应标号数模转换器141(c1、c2…cn
)。
[0095]
等待参考时钟130脉冲的第一触发沿到达第一组和第二组所有数模转换器141的输出刷新控制端后，所有dac同步输出驱动电压，经过v/i转换器142后驱动约瑟夫森结偏置至t1所表示的状态，同时输出对应量子电压信号。
[0096]
等待参考时钟130脉冲的第二触发沿到达控制器时，计算并刷新i，往复循环输出两路量子电压信号，且两路输出相位差为
[0097]
如图3所示，一种双路可编程约瑟夫森结阵驱动装置，包括：
[0098]
可编程约瑟夫森结阵模块，用于输出量子电压，包括第一可编程约瑟夫森结阵模块和第二可编程约瑟夫森结阵模块；可编程约瑟夫森结阵模块在本实施例中选用两块10v
约瑟夫森芯片。
[0099]
驱动模块，用于驱动可编程约瑟夫森结阵模块，包括第一驱动模块101和第二驱动模块102，第一驱动模块101用于驱动第一可编程约瑟夫森结阵模块，第二驱动模块102用于驱动第二可编程约瑟夫森结阵模块，第一驱动模块101和第二驱动模块102均包括有一控制端；
[0100]
波形存储器121，用于存储驱动模块待输出电压波形中各点电压值对应的二进制编码；波形存储器121优选为am29f032b。
[0101]
控制器120，控制器120包括根据可编程约瑟夫森结阵的目标输出电压波形生成驱动模块的驱动电压波形，将驱动电压波形中各点电压值对应的二进制编码存储于波形存储器121，依次读取波形存储器121中的各组二进制编码并输入对应的驱动模块中；控制器120优选为zynq7010。
[0102]
参考时钟130，用于输出时钟脉冲，时钟脉冲用于触发第一驱动模块101和第二驱动模块102同步读取控制端发送的二进制编码；参考时钟130优选为铷原子钟。
[0103]
其中，波形存储器121与控制器120通信连接，控制器120输出端连接驱动模块输入端，驱动模块输出端连接可编程约瑟夫森结阵，参考时钟130输出端同时连接第一驱动模块101和第二驱动模块102的控制端。
[0104]
作为一种实现方式，还包括微波发生模块150，微波发生模块150包括微波信号发生器151和微波功率放大器152，微波信号发生器151的输出端连接微波功率放大器152的输入端，微波功率放大器152输出端同时连接第一约瑟夫森结阵模块111和第二约瑟夫森结阵模块112的输入端。
[0105]
作为一种实现方式，如图4所示，第一驱动模块101和第二驱动模块102均包括若干驱动支路，驱动支路包括相互串联的数模转换器141和v/i转换器142，数模转换器141连接控制器120的输出端，v/i转换器142的输出端对应的连接于约瑟夫森结阵模块的输入端。
[0106]
作为一种实现方式v/i转换器142包括多个电压跟随器1421、分压电阻r1、r2...rn；电压跟随器1421的输出端分别连接分压电阻r1、r2...rn的一端，分压电阻r1、r2...rn的另一端分别连接10v约瑟夫森芯片的多个输入端。
[0107]
综上，本发明的双路同步可编程约瑟夫森电压驱动方法通过参考时钟130作为同步触发信号，使所有数模转换器141同步输出驱动电压，实现两路约瑟夫森结阵驱动电流的高度同步性；同时，本发明的双路同步可编程约瑟夫森电压驱动装置通过将要输出的波形采样后，将采样数据数字化为二进制编码存储在波形存储器121中，并按照设定的相位差将对应的二进制在编码依次发送给第一约瑟夫森结阵模块111和第二约瑟夫森结阵模块112中对应的数模转换器141中，实现双路输出之间相位差的控制。
[0108]
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。具体实施方案所对应的附图以为辅助理解的形式存在，能够方便阅读者通过理解具体形象化的下位概念以充分理解本方法所涉及的技术理念之抽象化的上位概念。在对本方法的整体理解和与其他除本方法所提供的技术方案之外的技术方案进行比对时，不应当以附图之表象作为唯一参考依据，还应在理解了本方法理念之后，依照附图或不依照附图做出的一系列变形、等效替换、特征元素之糅合、非必要技术特征元素之删减重组、现有技术中常见的非必要技术特征
元素之合理增加重组等，均应理解为被囊括在本方法的精神之内。