用於多通道超導量子幹涉儀信號的數據採集系統的製作方法

2023-06-18 05:11:26 3

專利名稱：用於多通道超導量子幹涉儀信號的數據採集系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種數據採集系統，且更具體地涉及ー種用於多通道超導量子幹涉儀(SQUID)信號的數據採集的系統和方法。
背景技術：
SQUID(超導量子幹涉儀)是由於磁通量的量子幹擾效應而能夠響應於磁場內的細微變化的裝置，且用於高敏感磁通量計或用於心磁圖(MCG)和腦磁圖(MEG)測量的生物傳感器。

SQUID傳感器測量細磁場，且安置在位於磁屏蔽室(MSR)或射頻屏蔽室(RFSR)內的液氦杜瓦瓶內，以對人體進行MCG或MEG測量。由於由SQUID傳感器感測到的信號是弱電壓信號，它在磁通鎖定環(FLL)電路中被放大及線性化，且傳輸到屏蔽室外。通過電線到達屏蔽室外的信號是適合於MCG或MEG分析的、由模擬信號處理器(ASP)處理的信號，且接著該處理的信號傳輸到數據採集(DAQ)板並輸入計算機。圖I示出用於使用ASP和DAQ板採集多通道SQUID信號的數據的系統。參照圖I，用於採集多通道SQUID信號的數據的系統100包括=SQUID傳感器單元110、FLL電路單元120、導線130、ASP 150、濾波器160、DAQ板170和計算機180。SQUID傳感器單元110安置在屏蔽室190內的液氦杜瓦瓶113內，且160個SQUID傳感器在其中工作。FLL電路單元120包括10個FLL電路模塊120-1到120-10。FLL電路模塊120-1到120-10中的各FLL電路模塊包括16個FLL電路和輸出單元123。FLL電路121將SQUID傳感器単元110在屏蔽室190內測量的信號放大及線性化，且通過輸出單元123將該信號傳送到線130。FLL電路121分別連接到SQUID傳感器，且16個FLL電路121構成ー個模塊。為驅動160個SQUID傳感器，需要10個FLL電路模塊120-1到120-10，每ー個電路模塊具有16個通道。需要的線130的數量是170，相當於SQUID傳感器的數量和各模塊的地線的數量之和。ASP 150安置在屏蔽室140內，且包括模擬信號處理模塊151和直流(DC)供電電源153。模擬信號處理模塊151在每一通道中包括高通濾波器(HPF) 155、電壓放大器156、低通濾波器(LPF) 157和60Hz的陷波濾波器。ASP 150通過線130接收FLL電路單元120內放大且線性化的信號，且適當地處理所接收的信號用於MCG或MEG分析。直流供電電源153安裝在屏蔽室140內，且防止外部噪聲的流入。ASP 150處理的信號經由濾波器160發送給多個DAQ板170。DAQ板170將輸入的模擬信號轉換成數位訊號，且將該數位訊號發送給計算機180。當160個SQUID傳感器被驅動時，使用兩個DAQ板,姆個DAQ板具有80-通道電壓輸入,或使用三個DAQ板,姆個DAQ板具有64-通道電壓輸入。計算機180存儲該數位訊號或使用應用軟體輸出SQUID信號。在用於使用ASP和DAQ板採集多通道SQUID信號的數據的系統中，SQUID傳感器通過多達SQUID傳感器的數量和地線的數量之和的線連接到包括SQUID傳感器的屏蔽室外面的ASP。這導致外部噪聲流入屏蔽室，且因此很難獲得精確的數據。同時，在屏蔽室內外，多個線與地線連接以構成多環形電路，這成為另ー噪聲源。由於自FLL電路單元輸出的信號具有低電平，用於僅獲得所需信號的模擬信號處理系統具有高生產成本和成為另ー噪聲源的増加的安裝面積。同時，為增加電壓採集通道的數量而增加的DAQ板使環形電路產生噪聲。此外，隨著使用的通道的數量増加，各通道的米樣時間減少。

發明內容
本發明g在提供一種用於採集多通道超導量子幹涉儀(SQUID)信號的數據的系統，該系統不會由於多個線和地線之間的連接而引起外部噪聲的流入或環形電路噪聲的產生，且不需要模擬信號處理器(ASP)。
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本發明的ー個方面提供一種用於採集多通道SQUID信號的數據的系統，該系統包括數字轉換器，所述數字轉換器連接到具有多個通道的SQUID傳感器，且配置成接收自所述多個通道中輸出的電壓信號，及產生通道-電壓串行數位訊號，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於輸出所述電壓信號的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；和光纖電纜，所述通道-電壓串行數位訊號自所述數字轉換器通過所述光纖電纜傳輸。本發明的另一方面提供一種用於採集多通道SQUID信號的數據的系統，該系統包括數字轉換器，所述數字轉換器連接到具有多個通道的SQUID傳感器，且包括多個數字轉換模塊，所述數字轉換模塊產生通道-電壓串行數位訊號，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於自所述多個通道中輸出的電壓信號所通過的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；和光纖電纜，所述光纖電纜和所述數字轉換模塊ー樣多，所述光纖電纜傳輸來自所述數字轉換器的所述通道-電壓串行數位訊號。本發明的再一方面提供一種用於採集多通道SQUID信號的數據的系統，該系統包括數字轉換器，所述數字轉換器安置在阻斷電磁波的屏蔽室內，且連接到具有多個通道的SQUID傳感器，自所述多個通道中輸出電壓信號，且所述數字轉換器配置成接收自所述多個通道中輸出的電壓信號，及產生通道-電壓串行數位訊號，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於輸出所述電壓信號的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；和光纖電纜，所述通道-電壓串行數位訊號自所述數字轉換器通過所述光纖電纜傳輸到屏蔽室外。本發明的又一方面提供一種採集多通道超導量子幹涉儀(SQUID)信號的數據的方法，該方法包括在阻斷電磁波的屏蔽室內，由電壓信號產生通道-電壓串行數位訊號，所述電壓信號自具有多個通道的SQUID傳感器輸出，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於輸出所述電壓信號的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；且使用光纖電纜將所述通道-電壓串行數位訊號傳輸到所述屏蔽室外。


通過結合附圖詳細描述本發明的示例實施方式，對本領域技術人員來說本發明的上述和其它目的、特徵和優點將更加明顯，其中圖I示出用於使用模擬信號處理器(ASP)和數據採集(DAQ)板採集多通道超導量子幹涉儀(SQUID)信號的數據的系統；圖2是根據本發明的示例實施方式的用於採集160-通道SQUID信號的數據的系統的框圖；圖3是根據本發明的示例實施方式的磁通鎖定環(FLL)/高通濾波器(HPF)/放大器(AMP)電路模塊的框圖；圖4是根據本發明的示例實施方式的通道-電壓傳輸模塊和単行串行數據轉換模塊的框圖； 圖5示出根據本發明的示例實施方式的単行串行數據轉換模塊內的通道-電壓串行短脈衝數位訊號的產生；圖6是根據本發明的示例實施方式的通道-電壓接收模塊的框圖；圖7示出根據本發明的示例實施方式的通道-電壓接收模塊內的通道-電壓串行數位訊號的產生；圖8是根據本發明的示例實施方式的通道-電壓接收模塊和觸發串行-同步傳送模塊的框圖；圖9是根據本發明的示例實施方式的觸發串行-同步傳送模塊、數字輸入/輸出(DIO)板和計算機的框圖；圖10示出根據本發明的示例實施方式的在觸發串行-同步傳送模塊中用於同步的10個模塊的時間劃分。
具體實施例方式後文中，將詳細描述本發明的示例實施方式。然而，本發明不限於如下公開的實施方式，而是能夠以各種形式實施。描述如下的實施方式以便本領域技術人員能夠實現及實施本發明。儘管術語第一、第二等可以用於描述不同的部件，但這些部件不被這些術語限制。這些術語僅用於將ー個部件與另一部件區分。例如，第一部件可以稱作第二部件，且類似地，第二部件可以稱作第一部件，均不脫離本發明的範圍。術語「和/或」包括ー個或多個所列的相關項的任意及所有組合。應理解，當部件被提到「連接」或「聯接」到另一部件吋，它可以直接連接或聯接到其他部件，或可能存在中間部件。相反，當部件被提到「直接連接」或「直接聯接」到另一部件時，沒有中間部件存在。這裡所用的措辭僅為了描述具體實施方式
，且不意欲限制示例實施方式。単數形式「一」、「ー個」也同樣g在包括複數形式，除非上下文清楚地相反指示。還應理解，這裡使用的術語「包括」表示存在所描述的特徵、整數、步驟、操作、部件、元件和/或其組合，但不排除存在或附加ー個或多個其它的特徵、整數、步驟、操作、部件、元件和/或其組合。下文將結合附圖詳細描述本發明的示例實施方式。為幫助理解本發明，在對附圖的所有描述中，相同的附圖標記表示相同的部件，且將不重複相同的部件的描述。圖2是根據本發明的示例實施方式的用於採集160-通道超導量子幹涉儀(SQUID)信號的數據的系統1000的框圖。參照圖2，用於採集160-通道SQUID信號的數據的系統1000包括屏蔽室100、SQUID傳感器200、數字轉換器300、光纖電纜400、通道-電壓接收模塊500、觸發串行-同步傳輸(shot serial-synchronized transfer)模塊 600、數字輸入/輸出(DIO)板 700 和計算機800。SQUID傳感器200具有160個通道，且被安置在位於屏蔽室100內的液氦杜瓦瓶210內，以對人體進行心磁圖(MCG)或腦磁圖(MEG)測量，且輸出電壓信號。屏蔽室100可以是磁屏蔽室(MSR)或射頻屏蔽室(RFSR)。數字轉換器300包括10個數字轉換模塊300-1到300-10，且將自SQUID傳感器200輸出的電壓信號轉換成具有通道及電壓信息的串行數位訊號。數字轉換模塊300-1到300-10各包括16個磁通鎖定環(FLL)/高通濾波器(HPF)/放大器(AMP)電路模塊310、通道-電壓傳輸模塊330和単行串行數據轉換模塊350。FLL/HPF/AMP電路模塊310將自SQUID傳感器200輸出的電壓信號放大及線性化， 且將放大及線性化的電壓信號發送給通道-電壓傳輸模塊330。該通道-電壓傳輸模塊330將放大及線性化的電壓信號轉換成具有通道及電壓信息的串行數位訊號。単行串行數據轉換模塊350將具有通道及電壓信息的串行數位訊號與時鐘信號合井，以產生通道-電壓串行短脈衝數位訊號。10個光纖電纜400通過10個數字轉換模塊300-1到300-10被用於160-通道SQUID傳感器200。通過10個光纖電纜400，通道-電壓串行短脈衝數位訊號自屏蔽室100離開並傳輸到通道-電壓接收模塊500。這裡，光纖電纜400可以與數字轉換模塊300-1到300-10具有相同的數量。通道-電壓接收模塊500接收通過光纖電纜400傳輸的通道-電壓串行短脈衝數位訊號，提取通道-電壓串行數位訊號和時鐘信號，且將提取的通道-電壓串行數位訊號發送給觸發串行-同步傳輸模塊600。觸發串行-同步傳輸模塊600根據時間劃分通道-電壓串行數位訊號，且按順序重新排列劃分後的信號，因此將通道-電壓串行數位訊號轉換成通道-電壓並行數位訊號。DIO板700接收通道-電壓並行數位訊號且將通道-電壓並行數位訊號發送給計算機800。術語「通道-電壓」表示包括通道信息和電壓信息兩類信息。計算機800可以具有用於採集數據的應用軟體。計算機800接收且存儲通道_電壓數位訊號，或使用應用軟體分別地提取通道信息和電壓信息。圖3是根據本發明的示例實施方式的FLL/HPF/AMP電路模塊的框圖。參照圖3，SQUID傳感器200接收來自FLL/HPF/AMP電路模塊310-1的電流用於操作，且將弱電壓信號發送給FLL/HPF/AMP電路模塊310-1。FLL/HPF/AMP電路模塊310-1包括FLL電路模塊311-1和HPF/AMP電路模塊313-1。使用一塊在其上具有FLL電路模塊311-1和HPF/AMP電路模塊313-1的印刷電路板(PCB)能夠製造FLL/HPF/AMP電路模塊。FLL電路模塊311-1包括數字控制接ロ模塊311a_l，且將自SQUID傳感器200輸出的電壓信號線性化。通過自計算機輸出的控制信號能夠控制FLL電路模塊311-1。數字調節接ロ模塊311a-l輸出開關控制信號和電壓控制信號。HPF/AMP電路模塊313_1可以包括一個運算放大器op-amp，且消除自FLL電路模塊311-1輸出的電壓信號的直流偏置且將電壓信號放大。當操作HPF/AMP電路模塊313-1吋，通過HPF能夠將FLL電路模塊311-1的輸出信號放大約100倍。通過將HPF/AMP電路模塊313-1添加到安裝在PCB上的FLL電路能夠製造FLL/HPF/AMP電路模塊310-1。HPF/AMP電路模塊313-1能夠作為模擬信號處理器(ASP)的一部分操作，且低通濾波器(LPF)和60Hz的陷波濾波器能被配置成計算機上的軟體濾波器。根據濾波電路的分量值能夠確定HPF/AMP電路模塊313-1的高通頻率和放大率。圖4是根據本發明示例實施方式的通道-電壓傳輸模塊和単行串行數據轉換模塊的框圖。參照圖4，通道-電壓傳輸模塊330包括模擬開關331、第一模擬-數字轉換器(ADC) 332、第二 ADC 333、時鐘發生器334、計數器335、模塊標識器336和並行到串行轉換器337，且通道-電壓傳輸模塊330將放大及線性化的電壓信號轉換成具有通道及電壓信息的
串行數位訊號。 模擬開關331順序地選擇SQUID傳感器200的16個通道，且將自選擇的通道中輸出的電壓信號交替地發送給第一 ADC 332和第二 ADC 333。第一 ADC 332和第二 ADC 333將自SQUID傳感器200的所選擇的通道中輸出的電壓信號轉換成串行數位訊號。當第一 ADC 332讀取輸入電壓信號的電壓時,則第二 ADC333將自先前的通道讀取的電壓轉換成數位訊號。由於ADC是包括第一 ADC 332和第二 ADC333，可以將數位化各通道的電壓信號的時間減少一半。時鐘發生器334和計數器335輸出用於操作第一 ADC 332和第二 ADC 333的時鐘信號和同步信號，將時鐘信號和同步信號發送給第一ADC 332和第二ADC 333，且將4-位並行數據信號發送給並行到串行轉換器337，該4-位並行數據信號是使模擬開關331選擇通道的模擬開關操作信號。模塊標識器336產生模塊標識信號，且將模塊標識信號發送給並行到串行轉換器337，該模塊標識信號是能夠實現標識各個數字轉換模塊的4-位數位訊號。並行到串行轉換器337將模擬開關操作信號和模塊標識信號轉換成串行信號，且將轉換的模擬開關操作信號和轉換的模塊標識信號與自第一 ADC 332和第二 ADC 333輸出的串行數位訊號合併，因此產生通道-電壓串行數位訊號。當第一 ADC 332和第二 ADC 333具有16-位的解析度時，輸出24-位通道-電壓串行數位訊號。単行串行數據轉換模塊350包括延時器351、第一短脈衝發生器352、第二短脈衝發生器353和或門354，且將自通道-電壓傳輸模塊330輸出的通道-電壓串行數位訊號與時鐘信號合併。延時器351使通道-電壓串行數位訊號與自時鐘發生器334輸出的時鐘信號同
止/J/ O第一短脈衝發生器352和第二短脈衝發生器353輸出短脈衝信號，且將該短脈衝信號發送給或門354，該短脈衝信號具有根據通道-電壓串行數位訊號而變化的持續時間。使用時鐘信號，在通道-電壓串行數位訊號為低電平時第一短脈衝發生器352產生持續時間為Ttl的脈衝信號，當通道-電壓串行數位訊號為高電平時，產生持續時間為2 ；的脈衝信號。或門354將根據通道-電壓串行數位訊號輸出的短脈衝信號與通道-電壓串行數位訊號合井，以產生通道-電壓串行短脈衝數位訊號，且通過光纖電纜400將通道-電壓串行短脈衝數位訊號傳輸出屏蔽室。
圖5示出根據本發明的示例實施方式単行串行數據轉換模塊中的通道-電壓串行短脈衝數位訊號的產生。參照圖5，當輸入時鐘信號1120同時通道-電壓串行數位訊號1110為低電平時，高電平數據(high data)輸入到第一短脈衝發生器352的D觸發器，且與非門的數量成比例地將輸出保持為高電平，且接著輸出變為低電平。根據D觸發器的輸出和連接到清零端的非門的數量確定脈衝持續時間。然而，當通道-電壓串行數位訊號1110為低電平時，則在第二短脈衝發生器353的數據是低電平，且輸出不響應於時鐘信號1120。另ー方面，當時鐘信號1120被輸入同時通道-電壓串行數位訊號為高電平吋，高電平數據輸入到第二短脈衝發生器353的D觸發器，且與非門的數量成比例地將輸出保持 為高電平，且接著輸出變為低電平。如果第二短脈衝發生器353內的非門的數量變為2凡，是第一短脈衝發生器352的非門的數量Ntl的兩倍，則響應的脈衝持續時間加倍。當通道-電壓串行數位訊號為高電平，第一短脈衝發生器352的數據為低電平，且輸出總保持低電平而不會變化。將第一短脈衝發生器352和第二短脈衝發生器353的輸出合井，以當通道-電壓串行數位訊號1110是高電平時產生持續時間為2%的脈衝，且當通道-電壓串行數位訊號1110是低電平時產生持續時間為Ntl的脈衝。通道-電壓串行短脈衝數位訊號通過光纖電纜400傳輸，且接著再次被恢復為通道-電壓串行數位訊號1110和時鐘信號1120。圖6是根據本發明的示例實施方式的通道-電壓接收模塊的框圖。參照圖6，通道-電壓接收模塊500包括數字延時器510、多路復用器(MUX) 520、時鐘恢復單元530、計數器540、串行到並行轉換器550、並行到串行轉換器560和與門570。通道-電壓接收模塊500接收通過光纖電纜400傳輸的通道-電壓串行短脈衝數位訊號，且自通道-電壓串行短脈衝數位訊號中提取通道-電壓串行數位訊號和時鐘信號。之後，通道-電壓接收模塊500將提取的串行短脈衝數位訊號發送給觸發串行-同步傳輸模塊600。通過光纖電纜400傳輸的通道-電壓串行短脈衝數位訊號經過數字延時器510和多路復用器520而發送給時鐘恢復單元530。時鐘恢復單元530包括延時器531和脈衝發生器533。當通道-電壓串行短脈衝數位訊號通過延時器531和脈衝發生器533時，時鐘恢復單兀530在產生恢復的時鐘信號1220之後，產生通道-電壓串行數位訊號1230，且將通道-電壓串行數位訊號1230發送到串行到並行轉換器550。計數器540產生輸出激活信號且將輸出激活信號發送給串行到並行轉換器550，該輸出激活信號促使串行到並行轉換器將串行信號轉換成並行信號。後文中，「串行信號」表示「通道-電壓串行數位訊號」，且「並行信號」表示「通道-電壓並行數位訊號」。當傳輸24-位通道-電壓串行短脈衝數位訊號吋，能夠使用24-位計數器540和24-位串行到並行轉換器550。串行到並行轉換器550使通道-電壓串行短脈衝數位訊號輸出激活信號同歩，因此產生通道-電壓並行數位訊號。並行到串行轉換器560將通道-電壓並行數位訊號轉換成通道-電壓串行數位訊號。在通道-電壓接收模塊500內共用並行到串行轉換器560所需要的時鐘信號和促使並行信號轉換成串行信號的輸出激活信號，且模塊互相同歩。
由於分開操作串行到並行轉換器550的驅動時鐘信號和並行到串行轉換器560的驅動時鐘信號，因此當串行到並行轉換器550的通道-電壓並行數位訊號變化而同時並行到串行轉換器560讀取通道-電壓並行數位訊號時，不能夠採集正確的信息。串行轉換穩定器配置成使得並行到串行轉換器560穩定地進行並行到串行轉換。串行轉換穩定器可以包括延時器531、與門570和計數器540。當由於串行到並行轉換器550的輸出激活信號保持高電平而串行信號被輸出為並行信號吋，且同時，由於並行到串行轉換器560的輸入激活信號保持高電平，讀取並行信號時，與門570輸出高電平信號。當計數器580內響應與門570的高電平信號以操作多路復用器520時，數字延時器510使已選擇其第一延時的通道-電壓串行數位訊號通過。延時後，通道-電壓串行數位訊號輸入到串行到並行轉換器550，且產生與第一輸出激活信號具有不同的時間的輸出激活信號，以將串行信號轉換成並行信號。當由於串行到並行轉換器550的輸出激活信號和並行到串行轉換器560的輸入激活信號同時都不是高電平，與門570變為低電平時，自串 行到並行轉換器550輸出的並行信號被穩定地轉換成串行信號。當以第一延時通過的通道-電壓串行數位訊號沒有使與門570變為低電平時，計數器540對通道-電壓串行數位訊號計數，且通道-電壓串行數位訊號採用第二延時通過。計數將進行直到與門570變為低電平，且串行轉換穩定器可以配置為具有最大的8個延吋。通過通道-電壓傳輸模塊330確定自串行到並行轉換器550輸出的並行信號的持續時間。當通道-電壓數位訊號具有24位，且時鐘頻率是fek_p時，持續時間Tp確定為24/fck-p0假定f；k_p = 5MHz，Tp = 4. 8 μ So根據時鐘時間f；k_s和共同供給通道-電壓接收模塊500的位並行信號，或根據輸入激活信號來確定時間Ts，在時間Ts內，並行到串行轉換器560讀取並行信號且將並行信號轉換成串行信號。當使用f；k-s = 80MHz的信號讀取24-位的並行信號時，轉換時間Ts = 24/fck_s = O. 3μ S。並行到串行轉換器560將相同的通道-電壓並行數位訊號轉換成串行信號，且在串行到並行轉換器550的並行輸出持續時間Tp = 4. 8 μ S期間輸出串行信號16次。通道-電壓接收模塊500能夠包含在一個複雜可編程邏輯器件(CPLD)中，因此節省了安裝空間且易於擴展。圖7示出根據本發明的示例實施方式的通道電壓接收模塊內的通道-電壓串行數
字信號的產生。參照圖7，當通道-電壓串行短脈衝數位訊號1210通過延時器531及脈衝發生器533時，在恢復的時鐘信號1220之後產生通道-電壓串行數位訊號1230。延時器531使用串聯連接的邏輯門調節延時，且脈衝發生器533使用D觸發器產生脈衝信號。當通道-電壓串行短脈衝數位訊號是低電平時，延時器531的延時Td大於脈衝持續時間I。另ー方面，當通道-電壓串行短脈衝數位訊號是高電平時，延時器531的延時Td小於脈衝持續時間2 ；。圖8是根據本發明的示例實施方式的通道-電壓接收模塊和觸發串行-同步傳輸模塊的框圖。參照圖8，觸發串行-同步傳輸模塊600包括串行到並行轉換器610-1、並行到串行轉換器620-1、模塊選擇器630、時鐘發生器/計數器640和串行到並行轉換器650。串行到並行轉換器610-1接收來自通道-電壓接收模塊的通道-電壓串行數位訊號，且將它轉換成通道-電壓並行數位訊號。並行到串行轉換器620-1接收通道-電壓並行數位訊號，且將它轉換成通道-電壓串行數位訊號，且將通道-電壓串行數位訊號發送給模塊選擇器630。模塊選擇器630由數字多路復用器組成，且通道的數量根據通道-電壓接收模塊的數量來確定。當通過160個通道接收電壓信號吋，需要10個模塊，且因此模塊選擇器630由10-通道多路復用器組成。時鐘發生器/計數器640產生多路復用選擇信號，且將多路復用選擇信號發送給模塊選擇器630。串行到並行轉換器650產生同步的通道-電壓並行數位訊號。
圖9是根據本發明的示例實施方式的觸發串行-同步傳輸模塊、DIO板和計算機的框圖。參照圖9，當觸發串行-同步傳輸模塊600中的模塊選擇器630順序地接收通道-電壓串行數位訊號吋，串行到並行轉換器650將通道-電壓串行數位訊號轉換成通道-電壓並行數位訊號。時鐘發生器640-3產生時鐘信號，且將時鐘信號發送給觸發串行-同步傳輸模塊600。兩個計數器640-1和640-2產生模塊選擇器630所需的選擇信號。當通道-電壓數位訊號具有24位時，使用具有24-位計數器640-2的時鐘信號作為激活信號，且再次使用具有4-位計數器640-1的時鐘信號作為模塊選擇器630的選擇信號。時鐘信號和計數器信號共同供給觸發串行-同步傳輸模塊600，因此使信號互相同歩。模塊選擇器630根據時間來劃分通道-電壓串行數位訊號，且自各模塊輸出的16個相同的通道-電壓串行數位訊號中的ー個通過模塊選擇器630發送給串行到並行轉換器650。不包括時鐘發生器640-3的觸發串行-同步傳輸模塊600能夠包含在ー個複雜可編程邏輯器件(CPLD)中，使得製造簡單。自觸發串行-同步傳輸模塊600輸出的通道-電壓並行數位訊號通過DIO板被輸入到計算機。當輸出16次相同的通道-電壓串行數位訊號時，觸發串行-同步傳輸模塊600僅讀取通道-電壓串行數位訊號一次，並將它轉換成並行信號，且依次接收其它模塊的通道-電壓串行數位訊號，且將它們轉換成並行信號。由於以時分方式讀取各模塊的通道且各模塊的通道產生輸出，讀取和轉換ー個模塊的16個通道信號與讀取16個模塊的256個通道需要的時間量相同。圖10示出根據本發明的示例實施方式的在觸發串行-同步傳輸模塊中用於同步的10個模塊的時間劃分。圖10示出當有10個通道-電壓接收模塊時，通過模塊選擇器的各模塊的串行信號。當模塊的最大數量Nmod是16時，各模塊的並行到串行轉換器的各輸出在第一ADC332和第二 ADC 333的轉換時間T_期間或在串行到並行轉換器650的持續時間中通過16:1模塊選擇器630 —次。同一併行到串行轉換器620的輸出能夠在Tp期間通過10:1模塊選擇器一次或兩次。同一通道的通道-電壓數位訊號可以發送兩次，但當它們由計算機使用應用軟體讀取時，通道-電壓數位訊號被認為是ー個。安裝在計算機上的DIO板同時讀取通道-電壓並行數位訊號，通道-電壓並行數位訊號是觸發串行-同步傳輸模塊600的輸出。並且由具有24個數字輸入端ロ的DIO板接收24-位通道-電壓數位訊號。當觸發串行-同步傳輸模塊600的時鐘時間fek_s是80MH且24-位並行數位訊號被讀取吋，24-端ロ DIO板的輸入頻率fD需要是fek_s/24或更大。當觸發串行-同步傳輸模塊600的時鐘時間fek_s是80MH時，需要以fD = 80/24MHz = 3. 33MHz或更多來讀取24-位數位訊號。自發送給計算機且使用應用軟體存儲的通道-電壓數位訊號中提取專用通道電壓，或通過信號處理軟體處理通道-電壓數位訊號。在不例實施方式中，分別實施上述描述的模塊。然而，模塊中的一些可以作為ー個集成模塊實施，或各模塊可以實施為幾個模塊。 上述使用的詳細值僅用於描述本發明的示例實施方式，且本發明並不限於這些值。所有上面描述的功能可以由處理器基於被編碼執行這些功能的軟體、程序代碼等進行，處理器諸如微處理器、控制器、微控制器和專用集成電路(ASIC)。對本領域技術人員而言，在本發明的描述的基礎上，代碼的設計、開發和實施是顯而易見的。根據本發明的示例實施方式的上述的用於採集多通道信號的數據的系統和方法不會引起外部噪聲的流入或產生由多個線和地線之間的連接導致的環路電路噪聲，且因此能夠採集精確的數據。同吋，由於不需要模擬信號處理(ASP)，本發明簡化了結構，降低生產成本且防止ASP和DAQ板之間的環路電路產生的噪聲。由於ー個DIO板接收所有通道的信號，因此不需要為DIO板増加至256個通道，並且採樣時間的測量不需要減小至256個通道。而且，由於對所有通道使用同一軟體濾波器，處理的信號輸出具有相同的特性，且在信號處理中確保統一性。儘管結合本發明的特定示例實施方式示出和描述了本發明，應理解本領域技術人員可以在形式和細節上作出各種改變，而不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於採集多通道超導量子幹涉儀SQUID信號的數據的系統，所述系統包括 數字轉換器，所述數字轉換器連接到具有多個通道的SQUID傳感器，且配置成接收自所述多個通道中輸出的電壓信號，及產生通道-電壓串行數位訊號，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於輸出所述電壓信號的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；和 光纖電纜，所述通道-電壓串行數位訊號自所述數字轉換器通過所述光纖電纜傳輸。
2.如權利要求I所述的系統，其中所述SQUID傳感器和所述數字轉換器被安置在阻斷電磁波的屏蔽室內。
3.如權利要求I所述的系統，其中所述數字轉換器包括 磁通鎖定環FLL/高通濾波器HPF/放大器AMP電路模塊，所述磁通鎖定環FLL/高通濾波器HPF/放大器AMP電路模塊配置成將自所述SQUID傳感器的多個通道輸出的所述電壓信號放大及線性化；和 通道-電壓傳輸模塊，所述通道-電壓傳輸模塊配置成將放大及線性化的電壓信號轉換成所述通道-電壓串行數位訊號。
4.如權利要求3所述的系統，其中所述磁通鎖定環/高通濾波器/放大器電路模塊包括 磁通鎖定環電路模塊，所述磁通鎖定環電路模塊被配置成將自所述SQUID傳感器的多個通道輸出的所述電壓信號線性化；和 高通濾波器/放大器電路模塊，所述高通濾波器/放大器電路模塊被配置成消除線性化的所述電壓信號的直流偏置，且放大所述電壓信號。
5.如權利要求I所述的系統，還包括觸發串行-同步傳輸模塊，所述觸發串行-同步傳輸模塊配置成根據時間劃分所述通道-電壓串行數位訊號，且順序地將劃分的信號轉換成通道-電壓並行數位訊號。
6.如權利要求5所述的系統，還包括計算機，所述計算機配置成存儲所述通道-電壓並行數位訊號，或產生關於自所述通道-電壓並行數位訊號中輸出的電壓信號所通過的通道的信息和關於所述電壓信號的信息。
7.一種用於採集多通道超導量子幹涉儀SQUID信號的數據的系統，所述系統包括 數字轉換器，所述數字轉換器連接到具有多個通道的SQUID傳感器，且包括多個數字轉換模塊，所述數字轉換模塊產生通道-電壓串行數位訊號，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於自所述多個通道中輸出的電壓信號所通過的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；和 光纖電纜，所述光纖電纜和所述數字轉換模塊ー樣多，所述光纖電纜傳輸來自所述數字轉換器的所述通道-電壓串行數位訊號。
8.如權利要求7所述的系統，其中所述數字轉換模塊包括 磁通鎖定環FLL/高通濾波器HPF/放大器AMP電路模塊，所述磁通鎖定環FLL/高通濾波器HPF/放大器AMP電路模塊配置成將自所述SQUID傳感器的多個通道輸出的所述電壓信號放大及線性化；和 通道-電壓傳輸模塊，所述通道-電壓傳輸模塊配置成將放大及線性化的電壓信號轉換成所述通道-電壓串行數位訊號。
9.如權利要求8所述的系統，其中所述磁通鎖定環/高通濾波器/放大器電路模塊包括 磁通鎖定環電路模塊，所述磁通鎖定環電路模塊被配置成將自所述SQUID傳感器的多個通道輸出的所述電壓信號線性化；和 高通濾波器/放大器電路模塊，所述高通濾波器/放大器電路模塊被配置成消除線性化的所述電壓信號的直流偏置，且放大所述電壓信號。
10.如權利要求8所述的系統，其中所述通道-電壓傳輸模塊包括 模擬開關，所述模擬開關配置成順序地選擇所述SQUID傳感器的所述多個通道，且交替地將選擇的電壓信號發送給第一模數轉換器(ADC)和第二模數轉換器； 時鐘發生器，所述時鐘發生器配置成產生第一併行數位訊號，所述第一併行數位訊號使所述模擬開關選擇通道； 模塊標識器，所述模塊標識器配置成產生第二並行數位訊號，所述第二並行數位訊號使所述數字轉換器標識所述數字轉換模塊； 第一模數轉換器，所述第一模數轉換器配置成將所述選擇的電壓信號轉換成串行數位訊號; 第二模數轉換器，所述第二模數轉換器配置成當第一模數轉換器讀取當前選擇的電壓信號時，所述第二模數轉換器將剛好在當前選擇的通道之前選擇的通道的電壓信號轉換成串行數位訊號；和 並行到串行轉換器，所述並行到串行轉換器將所述第一併行數位訊號和所述第二並行數位訊號轉換成串行信號，且將所述串行數位訊號與所述串行信號合併以產生通道-電壓串行數位訊號。
11.如權利要求7所述的系統，還包括觸發串行-同步傳輸模塊，所述觸發串行-同步傳輸模塊配置成根據時間劃分所述通道-電壓串行數位訊號，且順序地將劃分的信號轉換成通道-電壓並行數位訊號。
12.如權利要求11所述的系統，還包括計算機，所述計算機配置成存儲所述通道-電壓並行數位訊號，或產生關於自所述通道-電壓並行數位訊號中輸出所述電壓信號所通過的通道的信息和關於所述電壓信號的信息。
13.一種用於採集多通道超導量子幹涉儀SQUID信號的數據的系統，包括 數字轉換器，所述數字轉換器安置在阻斷電磁波的屏蔽室內，且連接到具有多個通道的SQUID傳感器，自所述多個通道中輸出電壓信號，且所述數字轉換器配置成接收自所述多個通道中輸出的電壓信號，及產生通道-電壓串行數位訊號，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於輸出所述電壓信號的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；和 光纖電纜，所述通道-電壓串行數位訊號自所述數字轉換器通過所述光纖電纜傳輸到所述屏蔽室外。
14.如權利要求13所述的系統，其中所述數字轉換器包括 磁通鎖定環FLL/高通濾波器HPF/放大器AMP電路模塊，所述磁通鎖定環FLL/高通濾波器HPF/放大器AMP電路模塊配置成將自所述SQUID傳感器的多個通道輸出的所述電壓信號放大及線性化；和 通道-電壓傳輸模塊，所述通道-電壓傳輸模塊配置成將放大及線性化的電壓信號轉換成所述通道-電壓串行數位訊號。
15.如權利要求13所述的系統，還包括觸發串行-同步傳輸模塊，所述觸發串行-同步傳輸模塊配置成根據時間劃分所述通道-電壓串行數位訊號，且順序地將劃分的信號轉換成通道-電壓並行數位訊號。
16.一種採集多通道超導量子幹涉儀SQUID信號的數據的方法，包括 在阻斷電磁波的屏蔽室內，由電壓信號產生通道-電壓串行數位訊號，所述電壓信號自具有多個通道的SQUID傳感器輸出，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於輸出所述電壓信號的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；且 使用光纖電纜將所述通道-電壓串行數位訊號傳輸到所述屏蔽室外。
17.如權利要求16所述的方法，還包括根據時間劃分使用所述光纖電纜傳輸到所述屏蔽室外的所述通道-電壓串行數位訊號，且順序地將所劃分的信號轉換成並行數位訊號。
全文摘要
公開了一種用於多通道超導量子幹涉儀(SQUID)信號的數據採集系統。該系統包括數字轉換器單元，其連接到具有多個通道的SQUID傳感器，且接收來自所述多個通道的電壓信號，及產生通道-電壓串行數位訊號，所述通道-電壓串行數位訊號具有關於輸出所述電壓信號的通道的信息和關於所述電壓信號的信息；和光纖電纜，其傳輸自所述數字轉換器單元的所述通道-電壓串行數位訊號。
文檔編號G01R33/035GK102695962SQ200980158535
公開日2012年9月26日 申請日期2009年11月3日 優先權日2009年4月22日
發明者劉權規, 權赫燦, 李龍鎬, 金基雄, 金鎮穆 申請人:韓國標準科學研究院