(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＳＱＵＩＤプローブとともに用いるためのＳＱＵＩＤ制御装置であって下記を備えたもの：
複数のヘッドユニットであって、それぞれが、前記ＳＱＵＩＤプローブの一つにに対応しており、前記ヘッドユニットのそれぞれは、それぞれの変調周波数で動作する非極低温変調磁束ロックループ・フィードバック回路を含んでおり；および全ての前記ヘッドユニットに結合され、前記ヘッドユニットを制御する制御信号を供給する供給手段を含むベースユニットを備えたもの
において、全ての前記変調磁束ロックループフィードバック回路の変調周波数は同期していること。
【請求項２】
複数のＳＱＵＩＤプローブとともに用いるＳＱＵＩＤ制御装置であって下記を備えたもの：
それぞれが各々一つの前記ＳＱＵＩＤプローブに対応する複数のヘッドユニット、
別個の変調周波数で動作する非極低温変調磁束ロックループフィードバック回路を含んでおり；および
全ての前記ヘッドユニットに結合され、前記ヘッドユニットを制御する制御信号を供給する供給手段を含むベースユニット、
全ての前記変調磁束ロックループフィードバック回路の変調周波数を同期させる同期手段。
【請求項３】
請求項２の装置であって、前記同期手段は、下記を備えたもの：
全ての前記ヘッドユニットと結合する出力を有する主変調発振器；および前記主変調発振器の前記出力から各々のヘッドユニットの変調周波数を引き出す前記ヘッドユニットのそれぞれにおける引き出し手段。
【請求項４】
請求項３の装置において、前記主変調発振器は、前記ヘッドユニットの一つの内に配列され、前記主変調発振器の前記出力は、前記ヘッドユニットの他の全てに、ひとつながりの鎖状（デイジー・チェイン）になって結合されていることを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項３の装置において、前記変調発振器は前記ベースユニット内に配列されることを特徴とするもの。
【請求項６】
請求項３の装置において、前記主変調発振器は前記ベースユニット内に配置され、前記ベースユニットは、さらに、少なくとも幾つかの前記制御信号を伝達するディジタルビットストリームの送信を含む形式で前記ヘッドユニットに対して前記制御信号を送信し、前記主変調発振器の前記出力に反応する周波数で動作する送信手段、
前記ヘッドユニットのそれぞれにおける前記引き出し手段は、前記ディジタルビットストリームから前記それぞれのヘッドユニット変調周波数を引出す手段を含んでいること。
【請求項７】
複数のＳＱＵＩＤプローブとともに用いるＳＱＵＩＤ制御装置であって、前記プローブの一つに対応する主ヘッドユニットおよび前記プローブの他の全てに対応する従ヘッドユニットを備えており、前記主ヘッドユニットは下記を備えていること：
主変調周波数により動作する主変調磁束ロックループフィードバック回路；
前記主変調磁束ロックループフィードバック回路に対し主変調周波数を供給するために結合された主変調発振器；および
前記主変調発信器から前記主変調周波数を伝送するため結合された従出力、
前記従ヘッドユニットのそれぞれは下記を備えていること：
従変調周波数により動作する従変調磁束ロックループフィードバック回路；
前記従変調磁束ロックループフィードバック回路に対して前記従変調周波数を供給するため結合された主入力、
前記ＳＱＵＩＤ制御装置は、さらに、前記主ヘッドユニットの前記従出力が前記従ヘッドユニットの最初の一の前記主入力と結合するケーブルネットワークを備えている。
【請求項８】
請求項７の装置において、前記各従ヘッドユニットは、さらに、前記それぞれのヘッドユニットの主入力からの従変調周波数を伝送するために結合された従出力を備えており、前記ケーブルネットワークは、鎖状につながれた従前の一の前記ヘッドユニットの従出力を受けるために、前記各従ヘッドユニットの主入力を結合し、前記従変調周波数の全ては、前記主ヘッドユニットの前記従出力から最大限に引き出される。
【請求項９】
請求項の７のＳＱＵＩＤ制御装置において、前記各ヘッドユニットは、対応するプローブに対して外部的に印加された磁束を示すアナログ信号を作り出し、前記制御装置は、さらにベースユニットおよび前記ベースユニット前記各ヘッドユニットに結合するケーブルネットワークを備えており、前記ヘッドユニットから前記ケーブルネットワークを超えて前記アナログ出力信号を受け、前記ヘッドユニットを制御するために制御信号を前記ケーブルネットワークを超えて供給する前記ベースユニットを備えている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は、複数のＳＱＵＩＤを制御する装置に関するものであり、特に、並列的な（ｍｕｌｔｉｐｌｅ）複数のＳＱＵＩＤを統合して制御する装置に関するものである。
【０００２】
【関連する技術の説明】
超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）は、少なくとも１カ所がジョセフソン接合によって切断された超伝導ループによって構成されている。ＳＱＵＩＤが１つの接合のみを有する場合には、発振電流によってバイアスされなければならないＲＦ  ＳＱＵＩＤとして知られている。ＳＱＵＩＤが２以上の接合を有する場合には、ＤＣ電流によってバイアス可能なＤＣ  ＳＱＵＩＤとして知られている。この発明は、主として、複数のＤＣＳＱＵＩＤの制御に関するものであるが、ある側面においては、複数のＲＦ  ＳＱＵＩＤの制御システムにも用いることができる。
【０００３】
ＤＣ  ＳＱＵＩＤは、超伝導ループに引加される全磁束の作用によって変化する、接合部を横切る出力電圧を提供するものであるから、本質的に、磁束−電圧コンバータである。出力電圧は、印加された磁束中において、１つの磁束量子Φ０の周期に関して周期的である。したがって、静的な電圧出力レベルにセットするため、ＳＱＵＩＤに固定的なＤＣ磁束を印加することにより、ＳＱＵＩＤ中に生成される単一磁束量子と同じような磁界は、ＳＱＵＩＤの出力電圧の静的な値からの偏差を計測することによって検出することができる。
【０００４】
複数のＳＱＵＩＤおよびその制御システムについては、クラーク（Ｃｌａｒｋｅ）、「複数ＳＱＵＩＤの原理および応用（Ｐｒｉｎｃｉｐｉｌｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ＳＱＵＩＤｓ）」、ＩＥＥＥ会報、第７７巻、第８号、１２０８〜１２２３頁（１９８９年）を参照して具体化する。ここに述べられているように、ほとんどのＳＱＵＩＤの読み出し方法は、磁束ロックループ（ｆｌｕｘ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ（ＦＬＬ））回路を使用することを含んでいる。外部からの印加磁界によって、ＳＱＵＩＤの電圧出力が静的な値（通常は０）から変動すると、この回路は、ＳＱＵＩＤに近接するフィードバックコイルに印加されるフィードバック電流を生成する。フィードバックコイルによる磁束が外部印加磁束を補償して、外部印加磁束を打ち消しＳＱＵＩＤに印加される磁束を全体として０に戻すようなフィードバック電流を、この回路は供給する。したがって、ＳＱＵＩＤの電圧出力は、静的な値に保持される。そして、外部印加磁束の大きさを示すアナログ出力信号を得るために、外部印加磁束を打ち消すために必要なフィードバック電流のレベルが、測定される。
【０００５】
この技術は、単一の磁束量子より著しく小さい外部印加磁界レベルの検出を可能とするだけでなく、電圧／磁束カーブ上の所定の動作点にＳＱＵＩＤを連続的に駆動するので、当該カーブの周期的な性質（ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｎａｔｕｒｅ）によって制限されるものではない。ＦＬＬフィードバック回路が必要な補償電流を供給し、かつ、ＦＬＬフィードバック回路がカーブのある期間から次に飛ぶのを防ぐに十分なほど早く応答すれば、ほとんどの瞬間の外部印加磁束レベルΦ０が測定可能である。また、ＦＬＬ技術は、外部印加磁束に対して直線的に変化するアナログ出力信号も提供する。
【０００６】
実用上、ＦＬＬは、ＳＱＵＩＤの電圧出力の静的な値からの偏差を積分する積分器を含んでいることもある。ＦＬＬ回路に固有のＤＣドリフト問題は、フィードバック電流を約１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの高周波によって変調し、ＳＱＵＩＤの電圧出力を同じ周波数で復調することによって改善することができる。ＳＱＵＩＤの動作点が電圧／磁束カーブの最小または最大にセットされており、±Φ０／４によってＳＱＵＩＤに供給され、フィードバック磁束を発振するに十分な振幅を持つ方形波によってフィードバック電流が変調されている場合、ＳＱＵＩＤの電圧出力は、動作点の左側に電圧／磁束カーブの上の方への途中の点と、動作点の右側に電圧／磁束カーブの上の方への途中の点との間を交互する。両電圧は等しく、ＳＱＵＩＤ出力電圧の交流成分はゼロである。そのような状態のＳＱＵＩＤは、平均交流電圧が０の静的レベルを示すものとして示す。外部磁束が印加されると、動作点は、もはや電圧／磁束カーブの最大または最小ではなくなる。したがって、ＳＱＵＩＤの電圧出力は、動作点の左と右の間の点を交互し、もはやその電圧は等しくなくなり、平均交流電圧は０の静的な値に対して上または下に変動する。ＦＬＬフィードバック回路は、外部印加磁界に対して補償を行うことができ、これによって所望のアナログ出力信号を生成することができる。変調電流は、フィードバックコイルに生成されるフィードバック電流に加えられてもよく、ＳＱＵＩＤの近傍に位置する別個の変調コイルと分離して供給されるようにしてもよい。復調は、一般的な同調復調器またはロックイン検出器（ｌｏｃｋ−ｉｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を用いて行なわれる。
【０００７】
ここで用いている「ＦＬＬ回路」は、電流フィードバック経路およびフィードバックコイルとともに、ＳＱＵＩＤそのもの、ＳＱＵＩＤに結合されたオプショナルなプリアンプ、オプショナルなロックイン検出器およびオプショナルな積分器を含むものとして考慮する。「ＦＬＬＬフィードバック回路」は、プリアンプ、ロックイン検出器、積分器およびフィードバックコイルから戻る電流経路を含むものとして考慮し、フィードバックコイルそのものやＳＱＵＩＤを含まないものとして考慮する。ＦＬＬ回路またはＦＬＬフィードバック回路は、上記の変調および復調技術を用いる場合には、変調ＦＬＬ回路または変調ＦＬＬフィードバック回路として考慮する。
【０００８】
一般的なシステムにおいて、ＳＱＵＩＤおよび種々のコイルが、極低温で維持できるようにされたＳＱＵＩＤプローブ上に設けられている。ＦＬＬフィードバック回路は、通常、室温にて動作し、プローブケーブルによってプローブに結合される。超伝導現象による効果を得るのであれば、ここで用いられているように、回路は「極低温」にて動作する。同様に、超伝導現象を用いないのであれば、回路は「室温」にて動作する。厳密に外部環境の周囲温度にある回路を「室温」回路とすべきであるとは、意図していない。ＳＱＵＩＤの電圧出力は、オプショナルな直流ブロックコンデンサおよび／または共振回路と同じように、１以上のインピーダンス・マッチングトランスを介して、ＦＬＬフィードバック回路の入力に結合されてもよい。異なる設計としては、これら結合要素の異なるものが、プローブ上に配置されて極低温に保持されるか、または、ＦＬＬフィードバック回路とともに配置されて室温に保持される。
【０００９】
応用物理システム「ＤＣ  ＳＱＵＩＤ  システム  モデル５８１」マウンテンビュー、カルフォルニア：１９９０年（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，”Ｍｏｄｅｌ  ５８１  ＤＣ  ＳＱＵＩＤ  ＳＱＵＩＤ  Ｓｙｓｔｅｍ”（Ｍｏｕｎｔａｉｎ  Ｖｉｅｗ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ：  １９９０））において、ＤＣ  ＳＱＵＩＤセンサ、極低温プローブ（これは、ＤＣ  ＳＱＵＩＤセンサとともに、ここで用いる用語としての「ＳＱＵＩＤプローブ」を構成する）、ＳＱＵＩＤ処理電子回路および制御／表示コンソールを有するＳＱＵＩＤシステムが述べられている。極低温プローブは冷却器に挿入するためのロッドを備えており、ＳＱＵＩＤセンサはチューブの挿入端に取り付けられている。ＲＦＩフィルタを含む金属筐体（ｂｒａｓｓ  ｄｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）およびコネクタが、チューブの非挿入端に取り付けられている。ＳＱＵＩＤ処理電子回路部は、ＳＱＵＩＤ閉ループ電子回路の全てを含んで、高度にシールドされフィルタされた筐体にある。この回路は、短いシールドケーブルを介して、ＳＱＵＩＤプローブの一端においてコネクタと結合されている。ＳＱＵＩＤ処理回路部は、冷却器の上に簡単に装着するには大きすぎ、当然、冷却器の上に、２個もしくは３個以上設けるにも大きすぎる。
【００１０】
１つのＳＱＵＩＤを冷却器に挿入すべき場合には、応用物理システム（ＡＰＳ）ＳＱＵＩＤが適している。しかしながら、同時に動作するＳＱＵＩＤを必要とするＳＱＵＩＤの応用が開発されている。たとえば、脳波によって生成される磁束信号を検出するために用いるＳＱＵＩＤシステムは、他のものから２．５４ｃｍ以内に配置された複数のＳＱＵＩＤセンサを必要とする。これらの形式の応用において、ＡＰＳ技術は、少なくとも２つの理由によって適切でない。第一に、各チャネルにおいて、別個のＳＱＵＩＤプローブ、別個の処理電子回路および別個の制御／表示コンソールを含む完全な構成要素が独自に必要とされる。コンソールの出力は、単一コンピュータのデータ取得モジュールに接続されてもよいが、複数のＳＱＵＩＤの動作を制御することを想定したコンピュータに対する準備はされていない；各コンソールは手動によって調整されるべきものとなっている。
【００１１】
第二に、構成要素が多いことに加えて、ＡＰＳシステムは、種々のチャネルの変調周波数の同期を想定した用意をしていない。ＳＱＵＩＤは他のものと近接して配置されるので、あるＳＱＵＩＤに対して印加したフィードバック磁束は、他のＳＱＵＩＤにおいても同様に検出される。複数のＳＱＵＩＤ間での変調周波数の違いは、種々のＳＱＵＩＤからの読取において、好ましくないビートの原因となる。
【００１２】
量子デザイン社によるカタログ、「ＤＣ  ＳＱＵＩＤセンサ、電子回路およびシステム」（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｅｓｉｇｎ，”ＤＣ  ＳＱＵＩＤ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”）（１９９０年）においては、特に複数チャネル使用を意図したシステムが述べられている。システムは、１つの「マスターボード」（ｍａｓｔｅｒｂｏａｒｄ）および各チャネルのための独立した「マルチカード」を備えている。各チャネルの入／出力構成は、冷却器に挿入するためのフレキシブルなＳＱＵＩＤプローブ／センサ、プローブを室温電子回路に結合するフレキシブルケーブル、スモールバックシェル型（ｓｍａｌｌ  ｂａｃｋ  ｓｈｅｌｌ−ｓｔｙｌｅ）のマイクロ・プリアンプ（ｍｉｃｒｏｐｒｅａｍｐ）、マイクロコンピュータを対応するマルチカードに結合するための１０ｍまでの高度にシールドされたケーブルを含んでいる。マイクロ・プリアンプは、ＲＦシールドおよびフィルタ、ＤＣ  ＳＱＵＩＤプローブを有しており、ケーブルは耐ＲＦ（ＲＦ  ｉｍｍｕｎｉｔｙ）および磁気シールドされている。マイクロ・プリアンプは、内部もしくは外部フィードバックとともに動作し、ＳＱＵＩＤプローブはどちらのタイプの応用においても配される。
【００１３】
量子デザイン（ＱＤ）システムは、各チャネルのための分離した磁束ロックループ構成を提供するが、ＦＬＬフィードバック回路の主要部分は、ＳＱＵＩＤから１０ｍを限度として離されたマルチカード中に配置される。特に、ＳＱＵＩＤの電圧出力は、マイクロ・プリアンプによってある程度まで増幅され、高度にシールドされたケーブルを介して、別々にマルチカードに伝送される。マルチカードは、ロックイン検出器、積分器およびフィードバック電流経路を有している。ＲＦ変調周波数は、マルチカード上のフィードバック電流経路（または、分離された変調電流リード）に印加され、ケーブルを介してＳＱＵＩＤプローブに伝送される。同様に、マイクロ・プリアンプの信号出力にはまだＲＦ変調周波数が含まれており、これはマルチカード上のロックイン検出器に信号が到達するまで取り除かれない。ケーブルを介してのＲＦ信号の伝送は、ＳＱＵＩＤプローブと制御器との間のケーブルの最大長に制限され、ケーブルが高度にシールドされていることおよび信号が個別に伝送されることという要求を強くする。
【００１４】
加えて、ＱＤシステム中の各マルチカードは、ＳＱＵＩＤバイアス電流、非対称電流、直流オフセット電流等を制御するためのＤ／Ａコンバータ等のチャネルに特定の種々のデジタル回路も有している。これらは、ＦＬＬのゲイン、アンチ−アリアシング・フィルタ（ａｎｔｉ−ａｌｉａｓｉｎｇ  ｆｉｌｔｅｒ）の選択等の調整を制御するためのデジタル制御のアナログスイッチも有している。よって、これら回路のスイッチングによるノイズは、磁束ロックループの動作に悪影響を与える。さらに、マルチプレクサ、Ａ／Ｄコンバータ、ＦＩＦＯおよびマイクロプロセッサ等のデジタル回路を有するマスターボードは、全てのマルチカードと同様に同じＳＱＵＩＤ制御ボックス中に配置されている。これら構成要素からのノイズも、また同じように磁束ロックループの動作に影響を与える。ＱＤシステムは、これらの影響を最小にするために、広範囲にわたる内部シールドを必要とし、ハードウエア結合に起因してこのシールドが不完全であれば、それはＦＬＬを制御するため入り込まねばならない。
【００１５】
ＱＤシステムの制御ユニットは、前面パネルまたはＲＳ２３２ＣやＧＰＩＢを介して制御器に結合された外部コンピュータのいずれからも制御できるようになっている。プローブから読み出した出力信号は、制御器の前面パネル上に表示され、および／または、外部コンピュータに伝送される。ＱＤシステム中のＳＱＵＩＤ制御器を制御するための命令は、Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｉｎｃ．の「モデル５０００  ＤＣ  ＳＱＵＩＤ  制御器操作マニュアル」（１９９１年）と名付けられた出版物に詳しい。
【００１６】
フジマキ「Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ＩＩＩ  −−１チップＳＱＵＩＤ磁力メータ（ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）」、富士通科学技術ジャーナル、第２７巻第１号（１９９１年）、５９頁〜８３頁においては、各ＳＱＵＩＤチャネルが、ＳＱＵＩＤと同じ極低温チップ上のジョセフソン・デジタル回路を用いて構築されるデジタル・フィードバックループを有している多重ＳＱＵＩＤシステムが述べられている。しかしながら、この技術を用いるシステムを実用化するためにはその前に、無視できないほど重要な研究が必要である。
【００１７】
ＳＱＵＩＤを制御するさらに他の技術は、減衰発振器（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）中にＳＱＵＩＤを有している。しかしながら、複数のＳＱＵＩＤは異なる周波数で動作するので、この技術は、近接した複数のＳＱＵＩＤを多重に制御するためには有用でない。
【００１８】
よって、この発明は、上記問題の全てまたは一部を改善したＳＱＵＩＤ制御システムを提供することを目的とする。
【００１９】
【発明の概要】
この発明を、以下の図面を参照して、その実施例に関して説明しする。
【００２０】
この発明による多重ＳＱＵＩＤプローブを制御するためのＳＱＵＩＤ制御装置は、概略、それぞれＳＱＵＩＤプローブに対応する複数のヘッドユニットを有しており、各ヘッドユニットは、それぞれの変調周波数で動作する、極低温でない変調された磁束ロックループ・フィードバック回路を有している。この装置は、ヘッドユニットの全てと結合されたベースユニットも有しており、ベースユニットは、多重ヘッドユニットを制御するための信号を供給する。デイジー・チェイン・トポロジー（ｄａｉｓｙ  ｃｈａｉｎ  ｔｏｐｏｌｏｇｙ）を使用することなどにより、全ての変調磁束ロックループ・フィードバック回路の変調周波数を同期するための手段も設けられている。ヘッドユニットは、復調器の局部発振入力（ｌｏｃａｌ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  ｉｎｐｕｔ）に供給するための変調周波数発振信号を移相するために結合され、所望量基本周波数成分を移相するための移相器も有しており、移相器は、基本周波数成分を除いた周波数成分の全てを減少させるため、発振信号をフィルタリングするための移相フィルタを有していてもよく、フィルタされ移相された信号を方形波にするための整形手段を有していてもよい。
【００２１】
【詳細な説明】
図１に、この発明によるＳＱＵＩＤシステムのための全体的配置を示す。このシステムは、複数のチャネルを有しており、各チャネルはプローブ１０２ａ，１０２ｂまたは１０２ｎ（まとめて１０２）およびヘッドユニット１０４ａ，１０４ｂまたは１０４ｎ（まつめて１０４）を有している。プローブ１０２は、冷却器への挿入に適合するようにされており、たとえば、ヘッドユニット１０４とともに冷却器の上に搭載される。搭載メカニズムは、接着、ボルトおよびナット、電気的コネクタの機械的支持、またはその他の技術により可能である。それぞれのケーブル１０６ａ，１０６ｂおよび１０６ｎ（まとめて１０６）は、プローブ１０２をそれぞれのヘッドユニット１０４に、フレキシブルに、剛性チューブの中空部を介して、結合するものである。ＡＰＳおよびＱＤシステムとともに、ケーブル１０６はシールドされ、差動ペア（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｐａｉｒ）を介して、プローブとヘッド間に信号を運ぶ。ヘッドユニット１０４と冷却器の極低温領域との間の熱伝導を最小にするため、適切な処置が用いられている。
【００２２】
ヘッドユニット１０４は、室温にて動作する。これらは、全て、それぞれのケーブル１１０ａ，１１０ｂおよび１１０ｎ（まとめて１１０）を含むケーブル網を介して、共通のインターフェイス・ユニット１０８に結合されている。後に見られるように、これらのケーブル１１０は高度にシールドする必要がなく、ほとんど任意の長さが許される。さらに、ケーブル１１０は光ファイバーを有していてもよい。インターフェイス・ユニット１０８は、ＲＳ２３２リンク１１４を介して、パーソナルコンピュータ等のコンピュータにも接続されている。他の実施例においては、後者の接続は、ＧＰＩＢ等の異なるプロトコルに従うものであってもよい。
【００２３】
より詳細に以下に述べるように、種々のチャネルの変調周波数は、１つのヘッドユニット１０４ａがマスターとして動作するＲＦ発振器を提供することによって同期がとられる。残りのヘッドユニット１０４ｂおよび１０４ｎのそれぞれは、直前のヘッドユニットのスレーブとして動作し、直後のヘッドユニットのマスターとして動作する。よって、ケーブル網は、ヘッドユニット１０４ａのマスター出力をヘッドユニット１０４ｂのスレーブ入力に結合するケーブル１１６ａ、およびヘッドユニット１０４ｂのマスター出力をヘッドユニット１０４ｎのスレーブ入力に結合するケーブル１１６ｂを有している。他の実施例においては、図１に示すデイジーチェイン配置に代えて、マスターのヘッドユニットがスレーブのヘッドユニットの全てを直接制御してもよい。その他の配置も可能であり、その一部を後述する。全てのチャネルの変調周波数を同期させることにより、ビートを防止することができる。
【００２４】
全てのチャネルの変調周波数が同一である場合だけでなく、異なるチャネルの変調周波数が他のチャネルに対して倍数になっている場合においてもビートを防止することができる。また、異なるチャネルの変調周波数が、すべて共通周波数の倍数になっている場合、共通周波数が容易にフィルタリングできるほど十分に高い限りにおいて、ビートを防止することができる。ここで用いているように、「同期」とはこれら全てのバリエーションを含むものとして意図している。
【００２５】
図２は、図１のＳＱＵＩＤプローブ１０２の一つを模式的に示したものである。発明に用いるため選択したＳＱＵＩＤプローブの特定の構造は、発明自身の一部を構成するものではなく、発明を実施するＳＱＵＩＤ制御システムの構成要素は、選択したＳＱＵＩＤプローブの型に適合したものである。しかしながら、ここで述べた特定の実施例は、ＹＢＣＯ等の高温超伝導材料によって形成されたＳＱＵＩＤプローブの使用に特に適している。このようなＳＱＵＩＤの例は、Ｗｅｌｌｓｔｏｏｄ，  ｅｔ．  ａｌ．  ”Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｄｃ  ＳＱＵＩＤｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｏ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｈｉｇｈ  Ｓｌｅｗ  Ｒａｔｅ”，  Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．  Ｉｎｓｔｒｕｍ．，  第５５巻第６号９５２〜５７頁（１９８４年）に詳しい。
【００２６】
図２に示すように、プローブは、２つのジョセフソン接合２０４を持つＳＱＵＩＤ  ２０２を有している。入力バイアス電流は、差動リード２０７，２０８（それぞれ、Ｉバイアス＋およびＩバイアス−）を介してＳＱＵＩＤに与えられ、ＳＱＵＩＤからの電圧出力は差動リード２１０，２１２（それぞれ、信号＋および信号−）を介して供給される。フィードバック＋およびフィードバック−ライン２１６および２１８を介して異なって駆動されるフィードバックコイル２１４が含まれており、この実施例では、分離した変調コイル２２０を有しており、差動変調＋および変調−リード２２２，２２４を介して駆動される。また、プローブの上に小型ヒーター２１７が設けられ、ヒーターライン２１９から接地／シールドライン２２１によって駆動される。図２のＳＱＵＩＤプローブの動作は、一般的であり、典型的なＤＣ  ＳＱＵＩＤプローブに関して上記で述べたものと同様である。
【００２７】
図３は、図１の１つのヘッドユニット１０４のブロック図である。一方側は、プローブユニット１０２の１つに結合するためのプローブコネクタ（図示せず）によってっており、反対側は、ケーブル１１０の１つを介してインターフェイス・ユニット１０８に結合するためのインターフェイス・ユニット・コネクタ（図示せず）によって終っている。ケーブル１１０の１つに結合されるコネクタは、たとえば、ペンシルバニア、エリーのスペクトラム・コントロール会社（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，  Ｉｎｃ．，）製造のモデル５６−７１１−０１５等のローパス・フィルタを用いることができる。ヘッドユニット１０２は、冷却器の上に複数個を合わせて搭載できるように、十分コンパクトである。
【００２８】
図３を参照すると、磁束ロック・フィードバック回路は、プリアンプ３０２、ロックイン検出器３０４、積分器３０６、差動ドライバ３０８および選択抵抗３１０を介して通る差動電流フィードバック経路を備えている。特に、ライン２１０，２１２に現れるＳＱＵＩＤプローブの差動電圧出力は、トランス３１２の１次コイルの反対端に結合されている。トランス３１２の２次側は接地された一端を有しており、他端はＡＣ結合プリアンプ３０２の入力に結合されている。プリアンプ３０２は一般的なものであり、マイクロボルトのオーダーの信号をボルトのオーダーの信号に信号強度を増幅する点を除いて、ここでは詳しく説明しない。
【００２９】
プリアンプ３０２の出力は、ロックイン検出器３０４の信号入力に結合されている。ロックイン検出器３０４は、ニューヨーク、ブルックリンのミニサーキット社（Ｍｉｎｉｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｉｎｃ．，）製造のＳＲＡ−８ユニット等のダブル・バランス・ミキサーを用いて実現できる。ロックイン検出器３０４の出力は、後に詳述する積分器３０６の信号入力に、信号流経路４０２によって、接続されている。積分器３０６は、２つのリセット入力ＲＳＴ１およびＲＳＴ２を有しており、これら双方の能動状態はフィードバック・コンデンサを短絡する。
【００３０】
積分器３０６の出力は、手動ゲイン制御ポテンショメーター（図示せず）を有する差動ドライバ３０８の入力に、信号流経路４２２によって、接続されている。ドライバ３０８の差動出力は、選択抵抗回路３１０の一端に接続されている。選択抵抗３１０の差動出力は、ＳＱＵＩＤプローブのフィードバックコイルに結合するための差動フィードバックライン２１６，２１８に、一対の導体５０２，５０８によって接続されている。ヘッドユニット１０４は、それぞれのケーブル１１０を介してインターフェイス・ユニット１０８から、導体３１４に印加されるレンジ制御信号を受け取る。レンジ信号は、４つのフィードバック抵抗値の１つを選択するため、選択抵抗３１０の抵抗選択（ＲＳＥＬ）入力に結合された２ビットの２進数値を伝達する。同じレンジ信号もまた、４つの積分フィードバック・コンデンサの適切な１つを選択することにより、固定積分時定数を維持する積分器３０６のコンデンサ選択（ＣＡＰＳＥＬ）入力に、導体３１４によって供給される。
【００３１】
ヘッドユニット１０４の各々は、特定のヘッドユニットがマスターまたはスレーブとして動作するか否かによって、動作又は非動作を切り換えられる内部方形波発振器３１６を有している。したがって、発振器３１６への電源接続は、単一極ダブル投入（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌｅ，ｄｏｕｂｌｅ−ｔｈｒｏｗ）のスイッチ３１８の共通接点に接続され、１つの極は電源に接続され、他の極は接地または開放される。ヘッドユニット１０４がマスターとして動作する場合、スイッチ３１８は、電源を発振器３１６に切り換える。
【００３２】
発振器３１６の出力は他の単一極ダブル投入スイッチ３２０の一方の極に接続され、その他方の極はバッファ３２２の入力に接続される。ヘッドユニット１０４は、バッファ３２２の入力に接続されたスレーブ入力リード（ＯＳＣ  ＳＬＡＶＥ  ＩＮ）３２４を有している。
【００３３】
スイッチ３２０の共通接点は、その出力にマスター出力リード（ＯＳＣ  ＭＡＳＴＥＲ  ＯＵＴ）３２８の設けられた他のバッファ３２６の入力に、信号流経路６０２によって接続されている。ヘッドユニット１０４がマスターである場合、スイッチ３２０は発振器３１６の出力に切り換えられ、ヘッドユニットがスレーブである場合、バッファ３２２の出力に切り換えられる。
【００３４】
スイッチ３２０の共通接点は、他端が接地された可変抵抗３３０の一端にも接続されている。可変抵抗３３０のタップは、その差動電流出力がＳＱＵＩＤプローブの変調コイル２２０のために用意された変調電流ライン２２２，２２４をドライブする差動ドライバ３３２の入力にＡＣ結合されている。ジャンパ３３４と３３６は、分離したフィードバックまたは入力コイルを介するよりも、変調コイルを介してＳＱＵＩＤにフィードバックを行う場合に用いるために、差動変調ライン２２２，２２４上のフィードバック電流を結合するために設けられている。
【００３５】
差動電流ドライバ３３２の入力は、インダクタ３３８、バイパス・コンデンサ３４０および直列抵抗３４１を介して、ＤＣオフセット入力ライン３４２にＤＣ結合されている。ＤＣオフセット入力ライン（ＤＣ  ＯＦＦＳＥＴ）３４２は、後述の様に、それぞれのケーブル１１０を介して、インターフェイス・ユニット１０８により駆動される。
【００３６】
スイッチ３２０の共通接点は、変調ライン２２２に提供されているのに加えて、信号流経路６０２、移相器３４４および信号流経路６２８を介して、ロックイン検出器３０４の局部発振入力にも結合されている。移相器３４４は、ＳＱＵＩＤプローブとヘッドユニットとの間で、ＳＱＵＩＤ電圧信号がロックイン検出器３０４の信号入力に戻る前に生じる位相のずれを補償するために挿入されている。位相器３４４の特別に有利な構成は、図６を参照して以下に述べる。
【００３７】
積分器３０６の出力は、差動電流ドライバ３０８の入力に供給されているのに加えて、抵抗３４６を介してフォロワ（ｆｏｌｌｏｗｅｒ）３４８にも結合されている。フォロワ３４８の出力は、リード３５０を通して、インターフェイス・ユニット１０８に接続するために設けられたＡＮＡＬＯＵＴ信号を形成する。ＡＮＡＬＯＵＴ信号は、フィードバック電流のレベルに比例するので、ヘッドユニット１０４の磁束ロックループのアナログ出力信号を形成する。磁束ロックループのアナログ出力を読み出すその他の（好ましい）方法は、選択抵抗３１０の一方の反対端を、インスツルメンテーション（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）アンプ（図示せず）の対応する反転および非反転入力に接続し、インスツルメンテーション・アンプの出力を、３４６のような抵抗を介して、フォロワ３４８の入力に供給することである。この方法においては、選択抵抗３１０の一方を介してフィードバック電流が生じる電圧降下が直接測定される。
【００３８】
積分器３０６のＲＳＴ１入力は、対応するケーブル１１０を介して、インターフェイスユニット１０８からのリセット信号（ＲＥＳＥＴ）を受け取るために結合されたリセットライン３５２に接続されている。このリセットライン３５２は、閉状態において抵抗３５８を介してロックイン検出器３０４をフォロワ３４８の入力に結合するアナログスイッチ３５６の制御入力に、遅延器３５４を介して、結合されている。よって、リセットライン３５２の上に短いパルスを印加することにより、インターフェイス・ユニット１０８は、積分器３０６を遠隔的にリセットすることができる。リセット信号が長い期間保たれている場合には、積分器３０６がリセット状態に保たれるだけでなく、ロックイン検出器３０４の出力が、積分器３０６の電圧出力に代えて、ＡＮＡＬＯＵＴライン３５０に結合される。これは、インターフェイスユニット１０８がロックイン検出器３０４を直接観察することを可能にするテストモードである。加えて、それぞれのケーブル１１０を介しての直接観察のために、ＡＣプリアンプ３０２の出力は、ＡＭＰＯＵＴライン３６０を介して、インターフェイス・ユニット１０８に接続されている。他の実施例では、ケーブル１１０中にこのＲＦ信号が含まれるのを防ぐため、ＡＭＰＯＵＴ信号が個別に観察装置に接続され、完全に否定する場合もある。
【００３９】
積分器３０６の出力は、積分器３０６の電圧出力が高しきい値を越え、低しきい値を下回った場合に、積分器３０６のＲＳＴ２入力に対してリセット信号を与える自動リセット制御回路３６２によってもモニタされる。同時に、自動リセット制御回路３６２は、ＣＯＵＮＴライン３６４およびそれぞれのケーブル１１０を介して、インターフェイス・ユニット１０８にパルスを送る。インターフェイス・ユニット１０８は、ＣＯＵＮＴライン３６４の信号を観測することにより、自動リセット制御回路３６２によって能動的にされたリセットの数の経過を保持する。自動リセット制御回路３６２は、積分器３０６を飽和しないように保持することにより、ＦＬＬのダイナミック・レンジを増加させる。異なる実施例においては、自動リセット制御回路３６２を無くし、ＡＮＡＬＯＵＴライン３５０のモニタに対応してＲＥＳＥＴライン３５２に適切なリセットパルスを供給するインターフェイス・ユニット１０８を持つことによって同じ結果を得ることができる。
【００４０】
ヘッドユニット１０４は、インターフェイス・ユニット１０８からＶバイアス・ライン３６６を介して、ＳＱＵＩＤ  ２０２のために好ましいバイアス電流レベルを示す電圧信号を受信する。Ｖバイアス信号は、その出力がＩバイアス＋およびＩバイアス−ライン２０７をドライブするために接続されている差動電流ドライバ３６８の入力に接続される。同様に、ヘッドユニット１０４も、インターフェイス・ユニット１０８からライン３７０を介して、ＳＱＵＩＤ  ２０２近傍のヒーター２１６をオンにすべきか否かを示すヒーター入力信号を受け取る。ヒーター入力信号は、ＳＱＵＩＤプローブ１０２のために、ローパス・フィルタ３７２を介して、ヒーターライン２１９に結合されている。
【００４１】
Ｉバイアス＋ライン２０７は、他端がＩバイアス−ライン２０８に接続された可変抵抗３７４の一端に接続されている。可変抵抗３７４のタップは、直列抵抗３７６を介して、インダクタ３３８、抵抗３４１およびコンデンサ３４０の接続点に結合されている。この接続は、ＳＱＵＩＤのバイアス電流を繰り返し反転することを含み、動作点を電圧／磁束カーブの最小または最大に維持するため、ＳＱＵＩＤ同期のＤＣバイアス磁束を調整する、追加の既知の低周波ノイズ除去手法を実現可能とする。この手法を用いるため、インターフェイス・ユニット１０８において動作するソフトウエアは、たとえば、１〜５ｋＨｚの周波数にてＶバイアス信号を繰り返し反転することだけが必要である。可変抵抗３７４のタップ位置は、バイアス電流が反転するよう、適切な動作点の移動を得るために調整されている。
【００４２】
図４は、積分器３０６の基本構成を示す。入力ライン４０２は、直列抵抗４０４を介して、非反転入力が接地された入力オペアンプ４０６の反転入力に結合されている。アンプ４０６の出力は、４つの並列経路を介し、４つの異なる値のコンデンサ４０８，４１０，４１２，４１４をとおって、単極４投入アナログスイッチ（ｆｏｕｒ−ｔｈｒｏｗ  ａｎａｌｏｇ  ｓｗｉｔｃｈ）４１６のそれぞれの極に接続されている。アナログスイッチ４１６の共通接点は、アンプ４０６の反転入力に戻って接続されており、アナログスイッチ４１６のＣＡＰＳＥＬ入力はライン３１４の２ビットレンジ信号を受信するよう接続されている。オペアンプ４０６の出力も、その制御入力がＲＳＴ１とＲＳＴ２信号をそれぞれ受けるよう接続された２並列単極単投入スイッチ４１８，４２０を介して、非反転入力に戻って接続されている。これらの信号の何れかが能動的になると、それぞれのスイッチ４１８または４２０が閉じ、フィードバック・コンデンサ４０８，４１０，４１２，４１４の何れか現在用いているものをショートする。オペアンプ４０６の出力は、積分器３０６の出力４２２を形成する。
【００４３】
図５は、選択抵抗３１０（図３）の主要な構成要素を示している。ドライバー３０８の非反転出力５０２は、４つの並列抵抗５０４を介して、その選択入力ポートがライン３１４の２ビットレンジ信号を受けるために結合された、単極４投入スイッチのそれぞれの極に結合されている。反転出力５０８も同様に、４つの並列抵抗５１０を介して、単極４投入スイッチ５１２のそれぞれの極に結合されている。スイッチ５１２の選択入力ポートは、ライン３１４の２ビットレンジ制御信号を受信するために結合されている。スイッチ５０６および５１２の共通接点は、選択抵抗３１０の差動出力ライン２１６，２１８を形成する。
【００４４】
前述のように、局部発振入力としてロックイン検出器３０４（図３）に与えられる前に、変調ライン２２２と２２４に供給される発振信号の位相をシフトすることが好ましい。正弦波に対する位相シフトはよく知られており、その一つが、Ｈｏｒｏｗｉｔｚ，”Ｔｈｅ  Ａｒｔ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”第２版（ケンブリッジ大学出版：１９９０年）７７〜７８頁に述べられている。正弦波でない信号の位相をシフトすることも好ましいが、これはシフトされるべき信号が矩形波である図３の回路の場合である。正弦波でない信号は、一般的な位相シフト回路を適用すれば、異なる量のシフトとなって、ゆがんだ出力を生成するような、異なる周波数におけるフーリエ成分を含んでいる。また、一般的な移相器は、大きなレンジにわたって連続的に調整されるべき移相シフトが可能ではない。
【００４５】
ＥＧ＆Ｇ  Ｂｒｏｏｋｄｅａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｒｅａｅａｒｃｈ，  ”Ｍｏｄｅｌ  １２８Ａ  Ｌｏｃｋ−Ｉｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  −  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌ”（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，  Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ：１９７１年）ＶＩＩー７頁においては、どのような周波数でも、広い範囲にわたって位相シフト信号を得ることを意図した移相回路が記述されている。しかしながら、その回路は極めて複雑である。
【００４６】
したがって、移相器３４４（図３）は本発明の原理にしたがって構成されており、入力信号（発振器３１６からの、またはバッファ３２２からの）は、基本周波数等の所望の周波数成分を除く全ての周波数成分を減少または圧縮するためにフィルタリングされ、中間信号を生成するために所望量の位相シフトがなされる。その後、この中間信号は、中間信号に対応して所望の形状を有する出力信号を生成するため、整形される。特に図３において、移相器３４４に対する入力信号と出力信号の所望の形状はともに、方形波である。よって、移相器３４４は、直列抵抗および比較器に続く同調回路（ｔｕｎｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を有している。同調回路は、入力方形波の基本周波数よりもわずかに上または下の調整可能な周波数に同調し、これにより、抵抗および同調回路は、それぞれ所望の正または負の量で選択信号の位相をシフトする。特に、同調回路を選択信号周波数の上に同調すると遅れを生じ、同調回路を選択信号周波数の下に同調すると進みを生じる。比較器を含む移相器３４４は、中間信号に応じて方形波を生成する。
【００４７】
図６は、本発明の原理による移相回路の実施例を示すものである。入力ライン６０２は、直列抵抗６０４を介して、ノード６０６と接地間に結合される同調回路６３０のトップを形成するノード６０６に結合されている。同調回路６３０は、ノード６０６と接地との間に結合されたコンデンサ６０８、およびコンデンサ６０８に並列に結合された可変インダクタ６１０を有している。インダクタ６１０は、インダクタ６１０のコア６１２の挿入深さを調整することにより可変となっている。
【００４８】
中間信号を伝達するノード６０６は、直列コンデンサ６１４を介して、比較器６１６の非反転入力にＡＣ結合されている。比較器６１６の非反転入力は、抵抗６１８を介して、比較器６１６の反転入力に結合されており、比較器６１６の反転入力は、正電圧と接地との間に結合された抵抗６２０と抵抗６２２の直列体によって形成される抵抗ドライバの出力に接続される。比較器６１６の反転入力は、コンデンサ６２３を介して接地される。比較器６１６の出力は、そのエミッタが接地され、コレクタが抵抗６２６を介して正電源に結合された、トランジスタ６２４（比較器６１６の一部として考えてもよい）のベースに接続される。トランジスタ６２４のコレクタは、移相器３４４の出力６２８を形成する。
【００４９】
動作において、コンデンサ６０８とインダクタ６１０は、同調回路６３０が入力信号の基本周波数を除く全ての周波数成分を効果的に排除する（最小化する）ように選択されている。したがって、ノード６０６における波形は、実質的に、入力された方形波のように同じ周波数を有する正弦波である。しかしながら、同調回路６３０の同調周波数に依存して、正または負の量、入力方形波の位相に対して位相がシフトしている。位相のシフト量は、インダクタ６１０のコア６１２の挿入深さを調節することにより調整する。異なる実施例においては、同調回路６３０の同調周波数は、その他の既知の技術によって調整してもよく、たとえば、インダクタ６１０の実効巻き数を調整したり、コンデンサ６０８の容量を調整することによって調整してもよい。
【００５０】
ノード６０６の中間信号は、比較器６１６の非反転入力にＡＣ結合され、そこで抵抗６２０と６２２によって形成される抵抗分割によって決定されるしきい値と比較される。バイパスコンデンサ６２３は、しきい値電圧の大きな影響から中間信号を防いでいる。出力抵抗６２４とともに、比較器６１６の非反転入力の正弦波信号がしきい値を下回ると、比較器６１６は出力ライン６２８の低電圧レベルを生成し、比較器６１６の非反転入力の正弦波信号がしきい値を上回ると、出力ライン６２８の高電圧レベルを生成する。したがって、比較器６１６およびトランジスタ６２４は、ライン６０２の入力信号の独特の形状の正弦波を方形波に戻すように変換する。比較器６１６およびトランジスタ６２４は、たとえば、Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａのナショナル・セミコンダクタ社によって生成された単一ＬＭ３１１の一部として入手できる。
【００５１】
図６の回路のバリエーションの数は、注意に値する。第一に、中間信号の矩形化は、比較器６１６に代えて、他の公知の手段によって実現可能である。第二に、移相器３４４は入力波形のどのような形に対しても適切に動作して、方形波である出力波形を生成する。第三に、同調回路６３０は、基本周波数と違って、入力信号の高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃ）近傍に同調してもよい。図６の場合であれば、基本波よりも選択した高調波の周波数において、位相シフト方形波出力を生成する。第四に、移相器の出力を形成する矩形化回路は、位相シフト出力信号を所望の形（たとえば、三角や階段）にするための他の整形回路によって置き換え得る。
【００５２】
図７は、インターフェイス・ユニット１０８（図１）のブロック図である。これは、モトローラ製造の６８ＨＣ８０５Ｃ４チップを用いて実現可能なマイクロコンピュータ７０２を備えている。インターフェース・ユニット１０８は、４チャネル１２ビット電圧出力ＤＡＣ  ７０４ａ，７０４ｂ，７０４ｃ，７０４ｄ（まとめて７０４）のバンクを備えている。各４チャネルＤＡＣ  ７０４は、マサチューセッツ、ノーワードのアナログ・デバイセス製造のＤＡＣ−８４２０とすることができ、直列データ入力（ＳＤＩ）、アクティブロウ（ａｃｔｉｖｅ  ｌｏｗ）ののチップセレクト（ＣＳ）入力、アクティブロウのロード（ＬＤ）入力、クロック入力を備えている。全ての４チャネルＤＡＣのＳＤＩ入力は、マイクロコンピュータ７０２のシリアル出力（ＳＯ）からシリアルデータ信号を受信するために接続されており、ＤＡＣ  ７０４のためのクロック入力は、すべて、マイクロコンピュータ７０２のＳＣＫ出力から直列クロック信号を受信するために接続されている。マイクロコンピュータ７０２は、８ビットＤＡＣＣＴＬ出力バスをドライブし、４つ全ての４チャネルＤＡＣ  ７０４のために、ＣＳやＬＤ信号を各ラインに供給する。４チャネルＤＡＣ  ７０４は、それぞれ、１つは各内部ＤＡＣのための、また合計１６のアナログ出力のための、４つのアナログ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを有している。
【００５３】
４チャネルチップ７０４の動作は、アナログ・デバイセスのデータシート”Ｑｕａｄ  １２−Ｂｉｔ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｏｕｔｐｕｔ  ＤＡＣ，  Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ，  ＤＡＣ−８４２０”に詳しい（ノーウッド、マサチューセッツ：６ー２３ー９２）。基本的に、チップ７０４の１つの各ＤＡＣは、１２ビットデータワードによって続けられた４ビットアドレスヘッダを含む１６ビット直列ワードによって個別にアドレスされる。アドレスヘッダの４ビットにおいて、最初の２つは４つの中間ＤＡＣ１つを示すものであり、後の２つは残されている（ｒｅｓｅｒｖｅｄ）。チップ７０４の１つのＣＳ入力が能動である時、ＳＤＩ入力に与えられるデータは、最初のＤＡＣアドレスビットから始るデータをシフトする内部シフトレジスタに直列にロードされる。特に、ＳＤＩ入力に与えられるデータは、ＳＣＫの各立ち下がりに対応して、入力レジスタ中でシフトされる。その後、ＬＤがストローブであるとき、入力レジスタの１２ビットワードは、内部データバスに並列シフトされ、アドレスビットで特定されたＤＡＣのためのＤＡＣデータレジスタに書込まれる。ＤＡＣ−８４２０チップは、インターフェイス・ユニット１０８のために選択された。なぜなら、これらは正確でありコンパクトであるが、ＤＡＣの他の形式および他の直列または並列インターフェイス技術を代りに用いるからである。
【００５４】
４チャネルＤＡＣチップ７０４ａのＡおよびＢ出力は、各直列抵抗を介して、ケーブル１１０の１つによって８つまでのヘッド１０４の最初のものに結合される、Ｖバイアス１およびＤＣオフセット１信号を提供するために結合される（図１）。同様に、４チャネルＤＡＣチップ７０４ａのＣおよびＤ出力は、第２ヘッド１０４のため、各直列抵抗を介して、Ｖバイアス２およびＤＣオフセット２信号を供給するため結合される。４チャネルＤＡＣチップ７０４ｂのＡおよびＢ出力は、各抵抗を介して、ケーブル１１０の１つによって第３のヘッド１０４に結合されたＶバイアス３およびＤＣオフセット３信号を供給するために結合され、４チャネルＤＡＣチップ７０４ｂのＣおよびＤ出力は、第４ヘッド１０４のため、各直列抵抗を介して、Ｖバイアス４およびＤＣオフセット４信号を供給するため結合される。４チャネルＤＡＣチップ７０４ＣのＡおよびＢ出力は、各抵抗を介して、ケーブル１１０の１つによって第５のヘッド１０４に結合されたＶバイアス５およびＤＣオフセット５信号を供給するために結合され、４チャネルＤＡＣチップ７０４ＣのＣおよびＤ出力は、第６ヘッド１０４のため、各直列抵抗を介して、Ｖバイアス６およびＤＣオフセット６信号を供給するため結合される。４チャネルＤＡＣチップ７０４ｄのＡおよびＢ出力は、各抵抗を介して、ケーブル１１０の１つによって第７のヘッド１０４に結合されたＶバイアス７およびＤＣオフセット７信号を供給するために結合され、４チャネルＤＡＣチップ７０４ｄのＣおよびＤ出力は、第８ヘッド１０４のため、各直列抵抗を介して、Ｖバイアス８およびＤＣオフセット８信号を供給するため結合される。
【００５５】
マイクロコンピュータ７０２のＳＯ出力は、保持型シフトレジスタ７０６ａの直列データ入力（ＳＤＩ）に接続されている。保持型シフトレジスタ７０６ａは、たとえば、モトローラ社製造の７４ＨＣ５９５チップでよい。７０６ａのような分離された保持型シフトレジスタが、インターフェイス・ユニット１０８によってサポートされた８チャネル（その８番目を図７の７０６ｈに示す）のそれぞれのために設けられている。各ラッチ型シフトレジスタ７０６ａ．．．７０６ｈ（あわせて７０６）は、保持型シフトレジスタ７０６ｈを除いて、チェインになった次の保持型シフトレジスタのＳＤＩ入力に接続された直列データ出力（ＳＤＯ）リードを有している。保持型シフトレジスタ７０６の全ては、マイクロコンピュータ７０２のＳＣＫ出力を受信するために接続された直列クロック（ＳＣＫ）入力を有しており、マイクロコンピュータ７０２のＤＯＵＴＬＤ出力を受けるために結合されたＲＣＫ入力を有している。各保持型シフトレジスタ７０６は、８ビットを保持し、そのうち４ビットのみがインターフェイス・ユニット１０８にて用いられる。どのビットがどの制御信号に割り当てられているかの詳細は大切ではないが、説明すると、チャネルの１つに対応する保持型シフトレジスタ７０６のビットの一つがヒーター信号を伝え、ビットの一つがリセット信号を伝え、ビットの２つがレンジ信号を伝える。これらのビットは、保持型シフトレジスタのＱ０〜Ｑ３出力から、ケーブル１１０の１つを介して、そのチャネルに対応するヘッドユニットのために用意される。
【００５６】
ＳＣＫ入力の各パルスに対応して、ＳＤＩ入力からのデータを直列にシフトすることにより、保持型シフトレジスタ７０６が動作する。ＲＣＫ信号がストローブである場合だけ、出力ピンをラッチするシフトレジスタの電流成分を用いる。したがって、保持型シフトレジスタ７０６のいずれの出力を変更するため、マイクロコンピュータ７０２は、マイクロコンピュータ７０２のＳＯおよびＳＣＫ出力を用いて、８×８＝６４ビットの直列の流れを保持する。マイクロコンピュータ７０２のＤＯＵＴＬＤ出力、保持型シフトレジスタ７０６の出力に、６４ビット全てをラッチするため、マイクロコンピュータ７０２のＤＯＵＴＬＤをストローブする。マイクロコンピュータ７０２は、ビットのフルセットのコピーを保持する。
【００５７】
アンプ７０８の反転入力は、ケーブル１１０を介して、対応するヘッド１０４から、信号接地（ＳＩＧＧＮＤ）を受信するよう結合されている。図７においてＡＮＡ１．．．ＡＮＡ８と符号が付されたアンプ７０８の出力は、それぞれ８：１アナログ・マルチプレクサ７１０の入力に結合され、このマルチプレクサの３ビット選択入力は、マイクロコンピュータ７０２からの３ビットＭＰＸ（Ａ：Ｃ）信号を受けるように結合されている。マルチプレクサ７１０の出力は、Ａ／Ｄコンバータ７１２のアナログ入力に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ７１２は、たとえば、マサチューセッツ、ノーウッドのアナログ・デバイセス製造のＡＤ６７７とすればよい。Ａ／Ｄコンバータ７１２の制御リード（ＣＡＬ，ＢＳＹおよびＳＡＭＰ）は、マイクロコンピュータ７０２のＡＤＣＣＴＬバスのそれぞれのラインに接続されている。ＳＤＯピンは、その出力がマイクロコンピュータ７０２のシリアル入力（ＳＩ）に接続された、４：１デジタル・マルチプレクサ７１４の１入力に接続されている。マルチプレクサ７１４の２ビット選択入力は、他のマルチプレクサ７１６の選択入力のためにも提供されている、マイクロコンピュータ７０２からの２ビットＤＩＧＳＥＬ出力信号を受けるために結合されている。マイクロコンピュータ７０２のＳＣＫ出力は、他の３つの入力が接地された、マルチプレクサ７１６の入力の一つに接続されている。ＳＣＫ信号が接続される入力は、マルチプレクサ７１４上の、Ａ／Ｄコンバータ７１２のＳＤＯ出力が接続されるそれと同じ入力である。したがって、ＤＩＧＳＥＬ信号が、マルチプレクサ７１６に、Ａ／Ｄコンバータ７１２からのＳＤＯ信号を選択させた場合、マイクロコンピュータ７０２からのＳＣＫ信号もマルチプレクサ７１６によって選択される。マルチプレクサ７１６の出力は、変換制御のためおよびＳＤＯ出力へのデジタルデータ出力のクロックとして用いられる、Ａ／Ｄコンバータ７１２のクロック入力に接続されている。
【００５８】
各ヘッド１０４のカウント出力は、それぞれのケーブル１１０を介して、８進ラッチ７１８のそれぞれの入力に結合されている。同様に、各ヘッド１０４の信号接地の接続は、それぞれのケーブル１１０を介して、８進ラッチ７２０のそれぞれの入力に結合される。モトローラ社製造の７４ＨＣ５９７を用いることができる８進ラッチ７１８，７２０は、ラッチしたデータをシリアルにシフトして出力するためのシリアル出力（ＳＯ）を含んでいる。ラッチ７１８，７２０のＳＯ出力は、マルチプレクサ７１４のそれぞれの入力に結合されている。ヘッドユニット１０４の信号接地リードを読み出せ得ることは有用である。なぜなら、これにより、マイクロコンピュータ７０２がヘッドユニットが各８チャネルに接続されているか否かを決定できるからである。入力の一つがヘッドによって接地されない場合に、論理１を提供するため、プルアップ抵抗（図示せず）が、インターフェイスユニット１０８の信号接地入力に接続されている。
【００５９】
８進ラッチ７１８と７２０のそれぞれは、その双方がマイクロコンピュータ７０２からのＤＩＮＬＡＴ信号を受信するため結合されているラッチ（ＬＡＴ）入力および、マイクロコンピュータ７０２からのＳＳ出力信号を受信するため結合されたＳＳ入力を有している。８進ラッチのそれぞれは、マイクロコンピュータ７０２のＳＣＫ入力を受信するために結合されたＳＨ入力を含んでいる。８進ラッチ７１８は、ＬＡＴ入力のパルスに応答して、８ビット並列入力値をラッチし、ＳＨ入力に印加される一連のパルスに応答して、それぞれのＳＯピンにラッチデータをシフトすることによって動作する。ＳＳ入力がハイの場合にはシリアルシフトを、ロウの場合にはパラレルロードを可能にしている。したがって、マイクロコンピュータ７０２は、マイクロコンピュータ７０２のＤＩＮＬＡＴ出力をストローブし、マイクロコンピュータ７０２のＤＩＧＳＥＬ出力を、マイクロコンピュータ７０２のＳＩ入力を用意するために、マルチプレクサ７１４が８進ラッチ７１８のＳＯ出力を選択するようにセッティングし、その後、マイクロコンピュータ７０２のＳＣＫ出力を、ＤＩＮＬＡＴのストローブに対応してラッチ７１８にラッチされる８ビットをシフト出力するに十分な時間、ストローブすることにより、８つのヘッドユニット１０４からのカウント信号の電流値を読むことができる。マイクロコンピュータ７０２は、ヘッド１０４から８つの信号接地信号を読み出すために、同じような動作を実行する。
【００６０】
インターフェイス・ユニット１０８は、さらに、マイクロコンピュータ７０２をコンピュータ（パーソナルコンピュータ等）やダンプ端子等の外部ユニットに結合するためのＲＳ２３２インターフェイス７２２を含んでいる。ＲＳ２３２インターフェイス７２２は、カリフォルニア、サンバレイのＭａｘｉｍ  Ｉｎｔｅｇｔｒａｔｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ製造のＭＡＸ２５０／ＭＡＸ２５１チップセットを用いればよい。追加的な分離は、光分離器（ｏｐｔｏｉｓｏｌａｔｏｒｓ）を用いて達成できる。
【００６１】
マイクロコンピュータ７０２に接続された個別の信号ラインは、図７にあるように、個々に名称が付されている点に注意すべきである。これらのラインの多くは、マイクロコンピュータ７０２の汎用Ｉ／Ｏポートに実際に接続されており、ここで述べた個々の機能を実行するため、マイクロコンピュータのソフトウエアによって制御されているだけである。特に、テーブルＩは、各割り当ておよび対応するポートピンをセットしている。このテーブルにおいて、”！”は、アクティブ・ロウ信号を表わしている。
【００６２】
図７の回路は、装置の一実施例であり、多重ＳＱＵＩＤシステムの個々のチャネルを制御し、多重ＳＱＵＩＤシステムのチャネル出力を読むための、インターフェイス・ユニット１０８（図１）を含んでいてもよい。しかしながら、インターフェイス・ユニット１０８は、その他の種々の形式をとることができる。
【００６３】
この実施例におけるインターフェイス・ユニット１０８は、それ自身の制御を有していない。むしろ、コマンドを受け取って、ＲＳ２３２ケーブル１１４を介してパーソナルコンピュータ１１２にデータを伝送することに適している。コンピュータ１１２は、ケーブル１１４を介してインターフェイス・ユニット１０８に、好ましくはＡＳＣＩＩキャラクタの形式にてハイレベル・コマンドを生成し、好ましくはＡＳＣＩＩキャラクタの形式でデータを受信する。インターフェイス・ユニット１０８は、ＲＳ２３２ポート１１４から受信したコマンドに応じて、ケーブル１１０を介して、ローレベル制御信号を提供し、各チャネルからケーブル１１０を介して受信したアナログ出力信号に応答して、ＲＳ２３２ポート１１４を介して、コンピュータ１１２にデータを送り返す。パードナルコンピュータ１１２とのＡＳＣＩＩ通信プロトコルが好ましい。なぜなら、パーソナルコンピュータ１１２をその応用において単なるダンプターミナルにすることを可能とするからである。
【００６４】
マイクロコンピュータ７０２のソフトウエア（図７）は、ＲＳ２３２インターフェイス７２２を介して受信したコマンドを解析し、２進数のオペランドに変換する。イレギュラーな命令を受信した場合、エラーメッセージが対応する。有効なコマンドを受信すると、マイクロコンピュータ７０２は、コマンドにしたがって、出力装置のセットを適切に変更する。たとえば、コマンドの一つ（ＧＣ）は、インターフェイスユニット１０８を、Ａ／Ｄコンバータ７１２を用いる、選択されたＳＱＵＩＤチャネルからの出力信号を読み出すようにし、ソフトウエア・ルーチンを介して、１０進数の読み出しを変換し、それをＲＳ３２ポートを介して伝達する。他のコマンド（Ｉｃｎｎｎｎ）は、インターフェイス・ユニット１０８に、特定の繰り返し間隔で、これらの動作を自動的に実行するように指示する。マイクロコンピュータ７０２は、実質的に、他のコマンドの翻訳と実行を同時に実行する。
【００６５】
【表１】
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マイクロコンピュータ７０２は、システムの種々の部品をテストすることを可能とするための、いくつかのビルトイン（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ）テスト機能を有している。ＲＳ２３２インターフェイス７２２を介しての所定の固定データシーケンスを伝送するインターフェイス・ユニット１０８をオプションとして有する場合もある。
【００６６】
テーブルＩＩは、ＲＳ２３２ケーブル１１４からインターフェイス・ユニット１０８に供給できるコマンドのリストである。このテーブルにおいて、”ｃ”はチャネル番号（１から８、０が全てのチャネルを表わす）を示し、正または負を示す”＋”または”−”および”±”が頭に付された”ｎｎｎｎ”は１ー４ＡＳＣＩＩ１０進数を示している。
【００６７】
各コマンドは、コマンド実行のための、復帰（ＣＡＲＲＩＡＧＥ  ＲＥＴＵＲＮ）文字によって終らねければならない。改行（ＬＩＮＥＦＥＥＤ）文字は無視され、エスケープ文字は一部送ったコマンドをキャンセルする。ＳＱＵＩＤ出力データは、−３２７６８〜＋３２７６７の範囲において、オプショナルな±に続くＡＳＣＩＩ１０進数の形式に戻される。
【００６８】
【表２】
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テストデータモード（Ｍ６４）において、マイクロコンピュータ７０２は、Ａ／Ｄコンバータ７１２ではなく、テストデータの内部テーブルからのデータを伝送する。テストデータセットは、１２８読み取り長さであり、継続的に繰り返す。デバッグモードにおいて、インターフェイスユニット１０８は、以下のようにＶコマンドに応答する。
【００６９】
【表３】
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１２８以下の全てのモードおよびモード１２８以上の何れかのモードは、モード番号を同時に付加されて活性化される。インターフェイス・ユニット１０８が、ＲＳ２３２ケーブル１１４で伝送できるレートよりもさらに早くデータを取得する場合には、インターフェイス・ユニット１０８は流れの中からデータ値を無視して、伝送データは常に最新のものとなる。
【００７０】
図８は、多重ＳＱＵＩＤチャネルを制御するためのシステムの他の配置である。図１の配置のように、各チャネルは極低温プローブ８０２、それぞれのケーブル８０６を介して共通インターフェイス・ユニット８０８に結合された、ＦＬＬフィードバック回路を含む対応する室温ヘッドユニット８０４を備えている。しかしながら、発振信号のデイジー・チェインを防止するため、種々のチャネルのための変調周波数は、インターフェイス・ユニット８０８中のマスター発振器８１０によってすべて制御される。変調周波数は、ケーブル８０６により、全てのヘッドユニット８０４に伝送される。
【００７１】
他のケーブル８０６の信号のように高度にフィルタすることができない、変調信号は広帯域幅経路によって伝送されねばならないので、図８の配置における１つの問題が生じる。前述のように、インターフェイス・ユニット８０８中のデジタル回路からのノイズは、変調周波数信号に結合可能であり、このためヘッドユニット８０４に伝送される。これをさけるため、変調周波数信号を各ヘッド８０４でオプショナルに分離してもよく、ケーブル８０６中を走る光ファイバを介してヘッド８０４に伝達してもよい。また、変調周波数は、分割（ｄｉｖｉｄｅｄ  ｄｏｗｎ）周波数でケーブル８０６を通して伝送され、位相ロックループの使用により、ヘッドユニット８０４中で適切な周波数に再生されてもよい。
【００７２】
図９は、多重チャネルＳＱＵＩＤ制御システムの、さらに他の配置を示す。図１の配置と同じように、各チャネルは極低温プローブ９０２および室温ヘッドユニット９０４を備えている。ヘッド９０４は、全て、ケーブル網９０８を介して、インターフェイス・ユニット９０６に接続されているが、ケーブル網９０８はインターフェイス・ユニット９０６への単一のケーブル接続のみを備え、１つのヘッドユニット９０４から次のものへデイジー・チェインまたは並列バスに結合されている。ケーブル網９０８は、情報のデジタル・フローを運び、各ヘッド９０４のインテリジェント・デジタル部９１０によって、読み出されおよび／または駆動される。ヘッド９０４のそれぞれは、図１および８の配置におけるそれと同様のアナログ部９１２とともに、このデジタル部９１０を含んでいる。ヘッドユニット９０４は、まだ、冷却器の上に置くに十分小さく、デジタル部９１０はそれ自身、命令を解釈し、ケーブル網９０８を越えてデータを伝送するに十分にインテリジェントである。
【００７３】
ケーブル網９０８は、たとえば、銅線または光ファイバのいずれでも用いることができる。この配置においては、マスター発振器９１４がインターフェイス・ユニットに含まれ、ケーブル網９０８を介してのデータ伝送のための基本バスデータレートを提供する。伝送データの適切なエンコード（マンチェスター・エンコードの使用等）により、信号には、常に、ビットレートに対応した強い周波数成分が含まれる。このビットレートは、ヘッドユニット９０４の位相ロックループによって、コマンド受信と同時に再現される。したがって、ケーブル網９０８は、コマンド伝送と同時に同期変調周波数の伝送機能を提供する。
【００７４】
この発明を特定の実施例と共に説明した、そしてその範囲内において多数の変更が可能である。たとえば、フィードバック電流変調およびＡＣバイアス電流に加えて、種々の他の低周波ノイズ・リダクション手法を実施することができる。Ｔの実施例では、ここで述べた種々の原理を、ＲＦ  ＳＱＵＩＤに拡張して用いることができる。これらの変更やその他の変更は、クレームの範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明によるＳＱＵＩＤシステムのための全体的配置を示している。
【図２】図２は、ＳＱＵＩＤプローブを記号化して示している。
【図３Ａ】図３Ａは、図１のヘッドユニットの１つのブロック図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１のヘッドユニットの１つのブロック図である。
【図４】図４は、図３の積分器の模式図である。
【図５】図５は、図３の選択抵抗の模式図である。
【図６】図６は、図３の移相器の模式図である。
【図７Ａ】図７Ａは、図１のインターフェイス・ユニットのブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図１のインターフェイス・ユニットのブロック図である。
【図８】図８は、この発明によるＳＱＵＩＤシステムのための全体的配置を示している。
【図９】図９は、この発明によるＳＱＵＩＤシステムのための全体的配置を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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