DE3538186A1 - Verfahren zur direkten digitalisierung von squid-signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Digitali­ sierung von SQUID-Signalen mit einer Auflösung von Bruch­ teilen eines Flußquants, bei welchem die Signale durch ein SQUID mit einem oder mehreren Tunnelkontakten erzeugt werden.

Aus der Praxis ist die Anwendung von AC-SQUID′s und DC- SQUID′s (SQUID = Superconductive Quantum Interference Device) zur Interpolation von Signalen bei Quantenüber­ gängen bekannt. Zum Beispiel ist aus der DE-PS 33 10 245 ein Verfahren zur Ermittlung von Signal-Inkrementen bekannt, bei dem mittels einer Josephson-Anordnung als SQUID mit einem supraleitenden Leiterkreis und Auswertung mittels eines Vor­ und Rückwärtszählers, die ausgeführte Anzahl der Teilschritte unter Berücksichtigung eines Vorzeichens gezählt werden. Hierbei werden die Signalgrößen-Inkremente über einen Fluß­ übertrager in ein als Nullpunktdetektor ausgebildetes SQUID SQ 1 eingekoppelt, das über einen Gegenkopplungskreis (PLL- Schaltung) den magnetischen Fluß im SQUID SQ 1 konstant hält. Über eine Gegeninduktivität wird durch einen Strom I ₁, ein Gegenkopplungsfluß Φ _i erzeugt, der über eine Gegeninduk­ tivität in einem SQUID SQ 2 nach Erreichen eines kritischen Stromes I _{c 2} Quantenübergänge erzeugt, die im Vor- und Rück­ wärtszähler nach Durchlaufen eines Verstärkers gezählt werden. Das Verhältnis von I ₁ und I ₂ wird durch den supraleiten­ den Transformator und die Gegeninduktivitäten so eingestellt, daß eine etwa der Stromauflösung vom SQUID SQ 1 entsprechende Änderung durch eine Stromänderung Δ I ₂ hervorgerufen wird, die im SQUID SQ 2 ein Flußquant Φ ₀ erzeugt. Der Strom I ₁ ist dabei sehr viel kleiner als der Strom I ₂ und das Ver­ hältnis von I ₁ und I ₂ ist fest eingestellt.

Bei einem von Biomagnetische Instrumente Aachen BTI verwende­ ten Verfahren wird die Interpolation sowohl bei AC-SQUID′s als auch bei DC-SQUID′s zwischen den Quantenübergängen (Sprüngen) durch eine Phase-Locked-Loop (PLL)-Schaltung erzielt, welche einen Dynamikbereich von maximal 150 dB besitzt. Hierbei muß eine Digitalisierung mit herkömmlichen Mitteln erfolgen, weil die PLL-Schaltung nur einen analogen Signalausgang liefert. Der Dynamikbereich kann normalerweise mit digitalen Mitteln nicht ausgenutzt werden.

Eine indirekte Digitalisierung wurde von CTF-System Inc. Corp., Port Coquitlam, Canada entwickelt. Hier ist die Digi­ talisierung mit einer Vergrößerung des Dynamikbereichs auf 193 dB verbunden. Die Basis der Schaltung ist ebenfalls ein analoger PLL-Kreis. Durch Einführung eines Komparators bei nach BTI arbeitenden Verfahren ist dieser so eingestellt, daß er genau bei einem Flußquant Φ ₀ den Integrator entlädt und dadurch den PLL-Regelkreis in seine Grundstellung auf Null zurücksetzt und dabei einen Zählimpuls an den Vorwärts-Rück­ wärtszähler abgibt. Das anliegende analoge Signal wird durch einen herkömmlichen 12 bit A/D-Wandler digitalisiert. Der Vorwärts-Rückwärtszähler liefert weitere 20 bit, die mit den 12 bit zu einem 32 bit Signal zusammengesetzt werden, welche dann am Ausgang an einer IEEE 488-Schnittstelle zur Verfügung steht.

Allen vorbeschriebenen Verfahren ist gemeinsam, daß durch Hinzufügen eines Wechselfeldes zum Eingangssignal ein ge­ schlossener PLL-Regelkreis gebildet wird, mit dem jede Fluß­ änderung durch einen Korrekturstrom ausgeglichen wird. Bei optimalem Betrieb findet im SQUID keine Flußänderung statt, auch wenn von außen durch den Flußübertrager magnetischer Fluß eingespeist wird. Genaugenommen wird durch das Abtastsignal die Phasenlage des Quantenübergangs in bezug auf das NF-Signal gemessen und durch einen Gegenkopplungsstrom konstantgehalten. Durch den analogen oder digitalen geschlossenen Regelkreis treten Regelabweichungen und Regelprobleme bei Transienten auf, die sich störend auf den Betrieb auswirken können. Bei der 32 bit-Wandlung von CTF ist das Rücksetzen des Integrators bzw. des verstärkten Gegenstromkreises (reverse gain circuit) eine die Geschwindigkeit stark einschränkende Maßnahme. Aus­ serdem treten unter Umständen bei der A/D-Interpolation zwi­ schen zwei Rücksetzimpulsen Fehler auf, welche um mehr als eine Größenordnung über dem Eigenrauschen liegen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem die Nachteile des geschlossenen Gegenkopplungskreises (PLL) vermieden werden und mit dem ohne Umwege über Regel­ schleifen eine direkte Digitalisierung von SQUID-Signalen möglich ist und das eine den bekannten Verfahren mindestens gleichwertige Flußauflösung liefert.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Eine vorteilhafte Wei­ terbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Der Vorteil der Erfindung besteht in einer extrem hohen Auf­ lösung des A/D-Wandlers (z.B. 32 bit) bei gleichzeitig hoher Digitalisierungsrate, der Vermeidung einer Hochfrequenzaus­ lesung, eines Bias-Stromes, eines geschlossenen Regelkreises, sowie einer damit verbundenen Vereinfachung der dazu verwende­ ten Schaltungskomponenten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Diagramme zur Darstellung des Funktionsprinzips der Abtastung,

Fig. 2 ein Prinzip-Schaltbild zur Funktionsweise,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Digitalisierung,

Fig. 4 verschiedene Auswerteverfahren.

Fig. 1 zeigt schematisch das mit einer Hysterese behaftete stufenweise Eindringen eines magnetischen Flusses Φ _i in das SQUID 1, das sich in einem Magnetfeld B befindet. Das Magnetfeld B ist eine Überlagerung von einem periodischen Abtastsignal B _A aus einem, Abtastsignalgenerator 4 der Fre­ quenz f _A und dem z.B. vom Flußübertrager kommenden Meß­ signal B _M . Diese Signale werden über Gegeninduktivitäten 2, 3, in das SQUID 1 eingespeist. Die Amplitude des Abtast­ signals B _A wird so gewählt, daß mindestens eine volle Stufenbreite zuzüglich Hystereseverschiebung B _H über­ strichen wird. Hiermit wird sichergestellt, daß in jeder Periode am SQUID 1 mindestens ein Quantensprung auftritt, der einen kurzen Spannungsimpuls U bewirkt (siehe Prinzip-Schalt­ bild in Fig. 2). Die Signale werden von einem Quantensprung­ detektor 6 und Phasendetektor 7 an einen Signal-Prozessor 8 abgegeben und digital ausgegeben (siehe Pfeil).

Das Abtastsignal B _A wird mit einem periodischen Zählsignal aus einem Zählsignalgenerator 5 der 2 ^N -fachen Frequenz f _Z , das einem schnellen Zähler des Phasendetektors 7 zugeführt wird, phasenstarr gekoppelt (Fig. 3). Der Zähler in 7 wird jeweils zu einer bestimmten Referenz-Phasenlage, des Abtast­ signals B _A , die z.B. mit Hilfe eines zweiten SQUID′s Ref (strichliert in Fig. 2) festgelegt werden kann, gestartet und beim Auftreten eines Quantensprungs aufgrund des damit ver­ bundenen, in einem Vorverstärker des Quantensprungdetektors 6 verstärkten Spannungsimpuls U ausgelesen, dessen Zähler somit die Phasenlage des Quantensprungs in bezug auf das Abtast­ signal B _A in digitaler Form (n _Z Schwingungen) liefert.

Mit Hilfe der Phasenlage des Quantensprungs wird der Zeit­ punkt der Messung festgelegt und die Größe des Meßsignals ermittelt.

Der Zeitpunkt der Messung ergibt sich unmittelbar aus der mit einem weiteren Zähler registrierten Zahl n _A der Schwingun­ gen des Abtastsignals B _A und derjenigen (n _Z ) des Zähl­ signals.

Der auf den Anfangswert bezogene zu messende magnetische Fluß Φ _M resultiert aus der mit Zählern 6, 7 registrierten Dif­ ferenz (n ₊-n _-) · Φ ₀ der positiven und negativen Quantensprünge, der Hystereseverschiebung ±ΔΦ ₀ und dem der Phasenverschiebung entsprechenden, durch die Abtast­ funktion B _A eingespeisten magnetischen Fluß Φ _i -Φ _M .

Prinzipbedingt ist die Zeitskala nicht äquidistant. Da jedoch während jeder Periode des Abtastsignals B _A mindestens eine Messung erfolgen kann, ist gegebenenfalls leicht eine Inter­ polation möglich.

Das Digitalisierungsprinzip kann nach verschiedenen Algorith­ men erfolgen (Fig. 4a, b, c, d); vorteilhaft sind hiervon beispielsweise:

• - Bestimmung der Phasenlage aller Quantensprünge (Fig. 4a), womit die höchste Auflösung erreicht wird.
• - Bestimmung der Phasenlage nur des ersten Quantensprungs während einer Periode des Abtastsignals B _A (Fig. 4b); diese stellt die geringsten Anforderungen an die Be­ schaltung und hat für die Datenerfassung den Vorteil, daß je Periode der Abtastfunktion genau ein Meßwert anfällt.
• - Verwendung eines bezüglich der Zeit spiegelsymmetrischen Abtastsignals und Bestimmung der Phasenlage nur des je­ weils ersten Quantensprungs nach dem kleinsten bzw. größten Wert des Abtastsignals B _A (Fig. 4c). Damit ist, im Gegensatz zur Bestimmung der Phasenlage gemäß Fig. 4b, eine gleichmäßige Erfassung ansteigender und und abfallender Meßsignale gewährleistet. Nachträglich kann im Prozessor das höher aufgelöste der beiden in einer Periode anfallenden Signale selektiert werden.
• - Bestimmung der Phasenlage des ersten Quantensprungs nach externer Triggerung.
  Die Triggerfrequenz liegt dabei unter der Abtast­ frequenz. Damit wird eine Anpassung der Datenrate in weiten Grenzen an die Meßaufgabe ermöglicht.

Die dünnen Pfeile in den Fig. 4a, b, c, d bezeichnen die Auslese-Zeitpunkte des im Phasendetektor 7 enthaltenen Zäh­ lers; die dicken Pfeile in Fig. 4a, b, c, d markieren eine externe Triggerung.

Kennzeichnend für alle genannten Beispiele ist, daß während starker Transienten zwar eine Verminderung der Auflösung ein­ treten kann, jedoch die Dynamik nach Abklingen der Transien­ ten wieder voll, das heißt ohne Gedächtnisverlust verfügbar ist, wenn alle Quantensprünge fehlerfrei gezählt worden sind.

Claims (2)

1. Verfahren zur direkten Digitalisierung von SQUID-Signalen mit einer Auflösung von Bruchteilen eines Flußquants, bei welchem die Signale durch ein SQUID mit einem oder mehre­ ren Tunnelkontakten erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die einem jeweiligen Meßwert entsprechende Phasenlage eines Quantensprungs in bezug auf ein periodisches Abtastsignal (B _A ) aus einem Abtastsignalgenerator (4) in digitaler Form bestimmt wird, indem dem SQUID (1) zusätzlich zum Meßsignal (B _M ), das Abtastsignal (B _A ), das wenigstens eine Stufenbreite (zuzüglich Hystereseverschiebung (B _H )) der treppen­ förmigen Φ _i /B-SQUID-Kennlinie überstreicht, induktiv zugeführt wird (3) und der Zähler des Phasendetektors (7) mit Hilfe eines periodischen Zählsignals aus einem Zähl­ signalgenerator (5), das mit dem Abtastsignal (B _A ) phasenstarr gekoppelt ist und eine 2 ^N -fache Frequenz besitzt, bei einer charakteristischen Phase des Abtast­ signals (B _A ) gestartet und beim Auftreten eines Quan­ tensprungs aufgrund eines hierdurch bewirkten Spannungs­ impulses (U) am SQUID (1) ausgelesen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Phase des Abtastsignals (B _A ) mit Hilfe eines weiteren SQUID′s Ref bestimmt wird, in das nur das Abtastsignal (B _A ) (ohne Meßsignal (B _M )) ein­ gespeist wird, und der Zähler des Phasendektektors (7) durch die Spannungsimpulse (U) der beiden SQUID′s ge­ startet und ausgelesen wird.