一種直讀式磁通調(diào)制讀出電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種直讀式磁通調(diào)制讀出電路及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超導(dǎo)量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是 一種靈敏度極高的磁敏感器件，可構(gòu)建超導(dǎo)磁傳感器。廣泛應(yīng)用于生物磁場、地球磁場異 常、極低場核磁共振及地球物理勘探等微弱磁場探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，其探測(cè)靈敏度已經(jīng)達(dá)到飛 特（10- 15特斯拉)量級(jí)。SQUID磁傳感器是極限探測(cè)、科學(xué)研究中重要的磁傳感器設(shè)備，具有 很高的科研和應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，SQUID多工作于低頻段(小于10Hz)，低頻噪聲性能是決定應(yīng)用效果的 重要性能指標(biāo)。前置放大器的低頻噪聲和SQUID芯片的臨界電流漲落等是SQUID磁傳感器低 頻噪聲的主要噪聲來源，嚴(yán)重制約了 SQUID在低頻磁測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用(尤其是生物磁探測(cè)和地 球物理勘探應(yīng)用）。針對(duì)該問題，目前國際上已經(jīng)有專利針對(duì)SQUID磁傳感器的低頻噪聲抑 制提出了解決方案：
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種基于磁通調(diào)制技術(shù)降低磁傳感器低頻噪聲的方法，該方法 通過在傳感器中加入較高頻率的調(diào)制磁通，將被測(cè)低頻信號(hào)調(diào)制到高頻處(一般100kHz左 右），從而避開前置放大器的低頻噪聲段，實(shí)現(xiàn)低頻噪聲抑制；同時(shí)，該方法也可以對(duì)臨界電 流漲落引入的同相低頻噪聲的有效抑制(尤其是對(duì)高溫SQUID)。為了實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配， 以降低前置放大器噪聲，這里在SQUID和前置放大器中間引入了變壓器。如圖1所示為實(shí)現(xiàn) 該方法的磁通調(diào)制電路1，包括SQUID器件11、變壓器12、前置放大器13、解調(diào)器14、積分器 15、調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器16、反饋電阻Rf、反饋線圈Lf以及電阻。SQUID器件11通過電阻與變 壓器12的原邊相連接，變壓器12的副邊輸出接入到前置放大器13,前置放大器13的輸出接 入解調(diào)器14中進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的輸出接入積分器15積分后通過反饋電阻Rf和反饋線圈Lf 將該磁通反饋回SQUID器件11中，從而保證SQUID磁通工作點(diǎn)不變化，調(diào)制磁通的信號(hào)由調(diào) 制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器16產(chǎn)生，經(jīng)過電阻衰減后同樣送入反饋線圈Lf，對(duì)SQUID的磁通工作點(diǎn)進(jìn) 行調(diào)制，同時(shí)，調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器16也產(chǎn)生同步的解調(diào)信號(hào)送入解調(diào)器14中。變壓器12的 引入產(chǎn)生了三個(gè)負(fù)面影響：（1)SQUID輸出電壓信號(hào)幅度降低(變壓器源邊負(fù)載）；（2)SQUID 輸出信號(hào)的高頻諧波成分被濾除，導(dǎo)致工作點(diǎn)處的CV/0D變??；（3)變壓器本身存在熱噪 聲，因此，磁通調(diào)制讀出電路的噪聲并不比直讀式讀出電路好(尤其是對(duì)于大此的SQUID芯 片），此外，變壓器12的引入也導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，實(shí)用性下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種直讀式磁通調(diào)制讀出 電路及方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中變壓器的引入帶來的熱噪聲、信號(hào)幅度降低、工作點(diǎn)處的 δν/@Φ變小等問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種直讀式磁通調(diào)制讀出電路，所 述直讀式磁通調(diào)制讀出電路至少包括：
[0007] SQUID器件，用于檢測(cè)被測(cè)磁通信號(hào)并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出；
[0008] 前置放大器，與所述SQUID器件相連，對(duì)所述SQUID器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大；
[0009] 高通濾波器，與所述前置放大器相連，用于濾除所述前置放大器輸出的直流量和 低頻噪聲；
[0010] 調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生磁通調(diào)制信號(hào)和磁通解調(diào)信號(hào)；
[0011] 解調(diào)器，與所述高通濾波器及所述調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器相連，根據(jù)所述磁通解調(diào) 信號(hào)對(duì)所述高通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；
[0012] 積分器，與所述解調(diào)器相連，對(duì)所述解調(diào)器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分，并輸出與所述被 測(cè)磁通信號(hào)成比例的響應(yīng)電壓信號(hào)；
[0013] 反饋模塊，與所述積分器及所述調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器相連，將所述響應(yīng)電壓信號(hào) 通過所述磁通調(diào)制信號(hào)調(diào)制后反饋至所述SQUID器件，以此鎖定工作點(diǎn)。
[0014] 優(yōu)選地，所述高通濾波器包括連接于所述前置放大器和所述解調(diào)器之間的電容， 以及一端連接于所述電容輸出端、另一端接地的電阻。
[0015] 優(yōu)選地，所述反饋模塊包括反饋電阻及反饋線圈；所述反饋電阻的一端連接所述 積分器的輸出端，另一端連接所述反饋線圈;所述反饋線圈的另一端接地，所述反饋電阻及 所述反饋線圈之間連接所述磁通調(diào)制信號(hào)。
[0016] 更優(yōu)選地，所述磁通調(diào)制信號(hào)為占空比為50%的方波信號(hào)。
[0017] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種上述直讀式磁通調(diào)制讀出電路 的讀出方法，所述直讀式磁通調(diào)制讀出方法至少包括：
[0018] 通過磁通調(diào)制信號(hào)將SQUID器件的工作點(diǎn)設(shè)定在第一工作點(diǎn)及第二工作點(diǎn)之間跳 躍，所述第一工作點(diǎn)及所述第二工作點(diǎn)的變化趨勢(shì)相反，將檢測(cè)到的被測(cè)磁通信號(hào)轉(zhuǎn)化為 相應(yīng)的電信號(hào)，對(duì)該電信號(hào)放大后進(jìn)行高通濾波以濾除低頻噪聲，并隔離直流量，然后經(jīng)解 調(diào)、積分后反饋回所述SQUID器件，形成SQUID磁通鎖定環(huán)路以此鎖定工作點(diǎn)。
[0019]優(yōu)選地，所述第一工作點(diǎn)與所述第二工作點(diǎn)相差半個(gè)周期。
[0020] 如上所述，本發(fā)明的直讀式磁通調(diào)制讀出電路及方法，具有以下有益效果：
[0021] 1、SQUID器件與讀出電路直接連接實(shí)現(xiàn)了磁通調(diào)制，噪聲抑制更優(yōu)越;調(diào)制頻率選 擇更寬，有利于信噪比提升;克服了傳統(tǒng)磁通調(diào)制電路變壓器的負(fù)載效應(yīng)，SQUID磁通電壓 曲線無衰減。
[0022] 2、在前置放大器輸出后引入高通濾波器，保證信號(hào)通過的同時(shí)，隔離了前置放大 器的輸出偏置電壓和低頻噪聲。
[0023] 3、避免了變壓器的使用，可選擇的磁通調(diào)制頻率范圍更寬，針對(duì)低頻信號(hào)的采集， 可以采用更低的調(diào)制頻率，避免切換暫態(tài)效應(yīng)對(duì)磁通調(diào)制的影響;避免變壓器存在的熱噪 聲問題。
[0024] 4、SQUID器件與前置放大器匹配，克服了傳統(tǒng)磁通調(diào)制電路中SQUID與變壓器匹配 存在的帶寬限制問題，高次諧波分量無損失，SQUID磁通-電壓曲線失真更小。
【附圖說明】
[0025]圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的磁通調(diào)制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2顯示為本發(fā)明的直讀式磁通調(diào)制讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3顯示為典型SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。
[0028]圖4顯示為本發(fā)明的直讀式磁通調(diào)制讀出方法的原理示意圖。
[0029] 元件標(biāo)號(hào)說明
[0030] 1 磁通調(diào)制電路
[0031] 11 SQUID 器件
[0032] 12 變壓器
[0033] 13 前置放大器
[0034] 14 解調(diào)器
[0035] 15 積分器
[0036] 16 調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器
[0037] 2 直讀式磁通調(diào)制讀出電路
[0038] 21 SQUID 器件
[0039] 22 前置放大器
[0040] 23 高通濾波器
[0041] 24 調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器
[0042] 25 解調(diào)器
[0043] 26 積分器
[0044] 27 反饋模塊
【具體實(shí)施方式】
[0045]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0046] 請(qǐng)參閱圖2~圖4。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本 發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0047] 如圖2所示，本發(fā)明提供一種直讀式磁通調(diào)制讀出電路2,所述直讀式磁通調(diào)制讀 出電路2至少包括：
[0048] SQUID器件21、前置放大器22、高通濾波器23、調(diào)制解調(diào)信號(hào)發(fā)生器24、解調(diào)器25、 積分器26、反饋模塊27。
[0049]如圖2所示，所述SQUID器件用于檢測(cè)被測(cè)磁通信號(hào)并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。 [0050] 具體地，所述SQUID器件由兩個(gè)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)，在約瑟夫 森結(jié)的兩端引出端子，加載一定的偏置電流，SQUID器件兩端的電壓將具有隨其感應(yīng)磁場發(fā) 生變化的特性，典型的SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線如圖3所示。所述SQUID器件的一端接 地，另一端連接所述前置放大器22的輸入端，將檢測(cè)到的被測(cè)磁通信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信 號(hào)后輸出到所述前置放大器22。
[0051] 如圖2所示，所述前置放大器22與所述SQUID器件相連，對(duì)所述SQUID器件21輸出的 電信號(hào)進(jìn)行放大。
[0052]具體地，所述前置放大器22為高輸入阻抗，SQUID磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)不會(huì)因負(fù)載 效應(yīng)而降低，同時(shí)所述前置放大器22的帶寬較寬，不會(huì)對(duì)SQUID磁通-電壓曲線產(chǎn)生高次諧 波失真。
[0053]如圖2所示，所述高通濾波器23與所述前置放大器22相連，用于濾除所述前置放大 器22輸出的直流量和低頻噪聲。
[0054]具體地，所述高通濾波器23的具體結(jié)構(gòu)不限，任意能實(shí)現(xiàn)高通濾波功能的電路結(jié) 構(gòu)均包括在內(nèi)。在本實(shí)施例中，所述高通濾波器23包括電容C和第一電阻R1，所述電容C連接 于所述前置放大器22的輸出端和所述解調(diào)器25的輸入端之間;所述第一電阻R1的一端連接 于所述電容C和所述