METHOD AND DEVICE FOR FAST AND HIGH RESOLUTION DIGITALIZATION OF ANALOGOUS SIGNALS

Abstract: With this method, which uses a superconducting analog-digital (AD) converter, the signals are coupled via a flux transformer (1) into a SQUID SQ1 (2) arranged as a null detector, which maintains the magnetic flux in the SQUID SQ1 (2) constant by means of a negative feedback circuit (3). For this purpose, a negative feedback flux PHI 1 is coupled into the SQUID SQ1 (2) via a mutual inductance (M1), by a current I1 which is produced by a superconducting transformer (4) from a current I2 . This current in turn, after the critical current IC2 is reached, generates quantum leaps in a SQUID SQ2 (5) via a mutual inductance (M2). These are counted in a bidirectional counter (6) after being passed through an amplifier (7). The ratio of I1 to I2 is set by the superconducting transformer (4) and the mutual inductances (M1, M2) in such a manner that a variation delta I1, which corresponds for example to the current resolution of the SQUID SQ1 (2), is produced by a current variation DELTA I2, which in turn generates a flux quantum PHI o in the SQUID SQ2 (5). I1 is here much smaller than I2 and the ratio of I1 to I2 is set at a fixed level and remains constant in time. <IMAGE>

Description: Verfahren und Vorrichtung zur schnellen und hochauflösenden Digitalisierung von analogen Signalen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und hochauflösenden Digitalisierung von analogen Signalen mit Hilfe eines supraleitenden Analog Digital-(AD)-Wandlers. Als supraleitende Analog-Digital-Wandler werden Josephson Kontakte verwendet, deren grundlegende Eigenschaft es ist, bei einer angelegten Spannung von bis zu einigen mV eine dieser Spannung äquivalente Frequenz bis in den Gigahertz Bereich zu erzeugen. Diese Elemente sind z.B. wesentlicher Bestandteil von supraleitenden Spannungsreferenzen. Ein grosser Dynamikbereich ist damit derzeit nicht realisierbar. Eine andere Art von supraleitenden AD-Wandlern werden in Verbindung mit Josephson-Computern eingesetzt, wobei das Eingangssignal durch Zählen von Flussquanten gemessen wird. Die Auflösung dieses AD-Wandlers ist dabei auf ein Flussquant begrenzt. Ebenfalls bekannt ist ein supraleitender Nullpunktdetektor, bei dem ein Gegenkopplungsstrom die Flussänderungen im Detektor kompensiert. Dieser Detektor liefert analoqe Ausgangsspannungen mit einem Dynamikbereich von ca. 140 - 160 dB. Eine Quasi-Digitalisierung dieses Ausgangssignals wird dort dadurch erreicht, dass man das analogie Signal mit 16 bit digitalisiert und dafür sorgt, dass bei Erreichen einer bestimmten Spannunsschwelle der Gegenkopplungskreis kurzzeitig unterbrochen wird. Im Detektor SQUID wird nun ein neuer Nagnetflusslevel als Nullpunkt betrachtet. Das Zählen dieser Reset-Vorgänge wird zur weiteren Digitalisierung herangezogen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Flussänderungen, die während des Rücksetzvorganges passieren, nur registriert werden, wenn sie sehr langsam erfolgen. Josephson-Kontakte und deren Anwendung sind aus der Literatur bekannt, z.B. ist in "Tieftemperatur Technologie", Hartmut Frey, Rene A. Haefer, Herausgeber F.X. Eder, VDI Verlag 1981 auf Seite 419 bis 432 die Anwendung solcher Kontakte für supraleitende Quanten-Interferometer (SQUID = Superconducting Quantum Interference Device) beschrieben. Aufgabe der Erfindung ist es, einen AD-Wandler zu schaffen, der sowohl einen sehr hohen Dynamikbereich, als auch eine hohe Auflösung von Bruchteilen eines Flussquantes und eine hohe Messgeschwindigkeit besitzt und welcher aufgrund seiner Präzision und Geschwindigkeit in spezieller Messtechnik, z.B. für Anwendung im Ultraschallbereich oder Radarbereich einsetzbar ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäss die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die des ihm folgenden Unteranspruches vorgesehen. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch Verwendung von zwei SQUID's, von denen das eine als Nullpunktdetektor und das andere als Quantenzähler wirken, eine Digitalisierung mit einer Flussauflosuno von 24 - 27 bit bzw. 140 - 160 dB erreicht wird. Da hierbei die Zählung im GHz-Bereich erfolgt, liegen alle 27 bit parallel vor und können somit parallel ausaelesen werden; damit liegt die Wandlungsrate bei kleinen Änderungen im GHz-Bereich. Die maximale Geschwindigkeit ist gegeben durch das Verhältnis vom Dynamikbereich zur Zählfrequenz. Zum Beispiel erlaubt eine Zählfrequenz von 2 GHz einen Dynamikbereich von 140 dB in 5 msec zu erfassen. Ein Dynamikbereich von 160 dB erfordert eine Zeit von 50 msec. Durch Einkoppluna von analogen Signalen über einen Fluss übertrager in ein als Nullpunktdetektor ausgebildetes SQUID SQ1 wird über eine Gegeninduktivität durch den Strom 11 im SQUID SQ1 ein Gegenkopplungsfluss so eingekoppelt, dass der Gesamtfluss im SQUID SQ1 konstant bleibt. Der Strom I1 entsteht durch einen supraleitenden Transformator aus einem darin fliessenden zu 11 proportionalen Strom 12, welcher über eine Gegeninduktivität in einem als Quantenzähler ausgebildeten SQUID SQ2 nach Erreichen eines kritischen Stromes IC2 Quantensprünoe erzeugt. Diese Quantensprünge werden nach Durchlaufen eines Verstärkers in einem Vor-Rückwärts-Zähler gezählt. Das Verhältnis der beiden Ströme 11 und I2 wird durch den supraleitenden Transformator und die Gegeninduktivitäten der beiden SQUID SQ1 und SQ2 so eingestellt, dass eine etwa der Stromauflösung von SQUID SQ1 entsprechende Änderung durch eine Stromänderung aI2 hervorgerufen wird, die im SQUID SQ2 gerade ein Flussquant erzeugt. Der Strom 11 ist dabei gegenüber dem Strom I2 sehr viel kleiner, wobei das Verhältnis dieser beiden Ströme fest eingestellt und zeitlich konstant ist. In einem mit einer Schwachstelle (weak link) versehenen supraleitenden Ring, wie ihn der Nullpunktdetektor mit seinem aufgedampften supraleitenden Material (z.B. Niob) darstellt, ist der magnetische Fluss definiert durch rex s is L = n Darin bedeuten: = = magnetischer Fluss innerhalb des supraleitenden Rinas # ex = externer magnetischer Fluss i = Abschirmstrom 5 L = Induktivität n = Anzahl der Quanten ç 0 = Flussquant h/2e = 2,07 . 10 5 Vs. Wegen der Quantisierungsbedingungen ergibt sich daraus, trägt man den magnetischen Fluss innerhalb des supraleitenden Ringes über dem externen magnetischen Fluss sra- fisch auf, eine Treppen- bzw. Stufenfunktion, worin die Periodizität einer Stufe ein Flussquant beträgt. Die Breite des übergangs von einer Stufe zur anderen ist im Idealfall durch die Heisenberg'sche Unschärferelation gegeben und ist für die hohe Genauigkeit des Nullpunktdetektors ausschlaggebend. Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch eine Skizze erläutert. Die Figur zeigt ein Blockdiagramm, in welchem über einen Flussübertrager 1 in ein als Nullpunktdetektor ausgebildetes SQUID SQ1 2 ein Signal S eingekoppelt wird. Das SQUID SQ1 2 hält über einen Gegenkopplungskreis 3 den magnetischen Fluss konstant, in dem über eine Gegeninduktivität Mi in das SQUID SQ1 2 ein Gesenkopplungsfluss > 1 durch einen Strom I1 eingekoppelt wird. Dieser Strom I wird durch einen im Gegenkopplungskreis 3 angeordneten supraleitenden Transformator 4 aus einem darin fliessenden Strom I2 induziert. Der dabei induzierte Strom welcher sehr viel grösser als normal ist, weil nur ein Bruchteil davon zur Gegenkopplung verwendet wird, verursacht im SQUID SQ2 Quantensprünge. Der Gegenkopplungskreis 3 besteht aus einem Hochfrequenzgenerator, der über einen kleinen Koppelkondensator ein schwaches HF-Sional in einen Schwingkreis einkoppelt, dessen Spule einen Fluss im SQUID SQ1 erzeugt. Der Nullpunkt dieses HF-Flusses wird durch ein NF-Signal periodisch verschoben, welches über einen Widerstand aus dem NF-Generator entnommen wird. Der Schwingkreis wird durch das SQUID SQ1 periodisch gedämpft, wobei die Dämpfung immer dann eintritt, wenn ein Quantenübergang stattfindet. Die Ausgangsspannung über dem Schwingkreis enthält somit die Information über die Phasenlage des Quantenüberganges in bezug auf das NF Signal. Diese Phasenlage ist direkt proportional zum magnetischen Fluss im SQUID SQ1. In einem phasenempfindlichen Detektor wird eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zur Phasenlage des Quantensprunges ist. Der nachgeschaltete Integrator erzeugt den Gegenkopplungsstrom I2, der über den Tranformator 4 und Strom I1 den Gegenkopplungsfluss 1 erzeugt und der so gross gehalten wird, dass keine Flussänderung im SQUID SQ1 stattfindet. Der Quantensprunq findet also immer bei gleicher Phasenlage statt. Der Strom I2 erzeugt über die Gegeninduktivität M2 im SQUID SQ2 5 nach Erreichen des kritischen Stromes 1C2 Quantensprünge, welche in einem damit verbundenen Vor-Rückwärts-Zähler 6 nach Durchlaufen eines Verstärkers 7 gezählt werden. Das Verhältnis der beiden Ströme I1 und 12 wird durch den supraleitenden Transformator 4 so eingestellt, dass eine etwa der Stromauflösung von SQUID SQ1 2 entsprechende Änderung I1 eine Strom änderung Zip hervorqerufen wird, welche ihrerseits im SQUID SQ2 5 ein Flussquant 0 erzeugt. Dabei ist der Strom I1 gegenüber dem Strom I2 sehr viel kleiner und das Verhältnis dieser beiden Ströme zueinander fest eingestellt und zeitlich konstant. Die supraleitenden Komponenten sind das SQUID SQ1 und SQ2, der Transformator 4, Flussübertrager 1 und die Spule M Ausserdem werden durch Helium gekühlt die Komponenten Spule M2 mit Schwingkreis, eventuell der Verstärker V und der Verstärker 7.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur schnellen und hochauflösenden Dicitali- sierung von analogen Signalen mit Hilfe eines supra leitenden Analog-Digital-(AD)-Wandlers, dadurch ge kennzeichnet, dass die Signale über einen Flussüber trager (1) in ein als Nullpunktdetektor ausgebildetes SQUID SQ1 (2) eingekoppelt werden, welches über einen Gegenkopplungskreis (3) den maanetischen Fluss im SQUID SQ1 (2) konstant hält, wobei über eine Geqeninduktivi tät (M1) in das SQUID SQl (2) ein Gegenkopplungsfluss durch einen Strom I1 eingekoppelt wird, der durch einen supraleitenden Transformator (4) aus einem Strom 12 entsteht, welcher über eine Gegeninduktivität (M2) in einem SQUID SQ2 (5) nach Erreichen eines kritischen Stromes IC2 Quantensprünge erzeugt, die in einem Vor Rückwärts-Zähler (6) nach Durchlaufen eines Verstärkers (7) gezählt werden, und dass das Verhältnis von I1 zu I2 durch den supraleitenden Transformator (4) und die Gegeninduktivitäten (M1, M2) so eingestellt wird, dass eine Änderung Ski1, die etwa der Stromauflösung vom SQUID SQ1 (2) entspricht, durch eine Stromänderung I2 hervorgerufen wird, die ihrerseits ein Flussquanto im SQUID SQ2 (5) erzeugt, und dass Ii sehr viel kleiner als 12 ist, wobei das Verhältnis von I1 zu I2 fest eingestellt ist. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt detektor (2) ein AC-SQUID oder ein DC-SQUID ist und der Quantenzähler SQUID SQ2 (5) eine oder mehrere schwache Kopplungen (weak link), z.B. Josephson Kontakte aufweist, und dass der Transformator (4) aus einem Material hoher mechanischer Festigkeit und nie drigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. Quarz, CFK, Kevlar-FK besteht, auf welches das supraleitende Material, z.B. Niob, aufgedampft wird.

Inventors: LUDWIG, WOLFGANG, DR.
Applicants: DORNIER GMBH
Application year: 1984
Main classification: H03M1
IPC codes: H03M1