一种量子电压合成用温度控制方法和装置

本技术涉及量子电压合成的温度控制领域，具体而言，涉及一种量子电压合成用温度控制方法和装置。

背景技术：

1、在量子电压测量领域，超导约瑟夫森结阵芯片的量子效应电学表征与结阵表面温度密切相关，在进行基于约瑟夫森效应的量子电压波形合成研究时，需确保约瑟夫森结阵处于超导态下工作。研究表明，约瑟夫森结阵的最佳工作温度区间约为3.8k-4.5k。约瑟夫森结对i-v特性较为敏感，受温度变化较大影响，这种温度变化会减小量子电压合成裕度，瞬态的大幅度温差甚至会损坏约瑟夫森结阵芯片，因此对温度的稳定性有很严格的要求。

2、目前中国计量科学院研究院的量子电压合成系统的温度控制装置基本是采用商业产品，其设备昂贵且维修周期长，不能满足量子电压系统对多通道、高稳定温度控制的要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的目的在于提供一种量子电压合成用温度控制方法和装置，保证了量子电压合成系统中的环境温度的稳定性以及进行波形合成的效率。

2、第一方面，本技术实施例提供的一种量子电压合成用温度控制方法，应用于量子电压合成系统中的温度控制装置，所述温度控制装置包括低温传感器、微处理器、压控恒流源、加热元件、驱动电流源，所述量子电压合成系统的恒温器包括二级冷头，所述温度控制方法包括：

3、低温传感器在驱动电流源的驱动下对恒温器二级冷头的温度进行采集得到电信号，所述电信号发送至微处理器；

4、微处理器基于预设转换函数将所述电信号转换为实际温度信号；

5、微处理器确定实际温度信号与预置的目标温度信号之间的修正电压并发送至压控恒流源；所述目标温度信号对应为恒温器的目标温度；所述目标温度基于微处理器进行划分得到目标温度信号所对应的温度区间；不同的温度区间采用不同的温度控制函数进行控温；

6、所述压控恒流源基于接收到的修正电压驱动加热元件，所述加热元件在微处理器通过温度控制函数的控制下为恒温器进行加热，以使恒温器的温度和目标温度匹配。

7、结合第一方面，本技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述温度控制装置还包括多通道切换电路；所述多通道切换电路包括通道一、通道二，所述量子电压合成系统中的恒温器的数目为多个；所述与恒温器对应的低温传感器的数目也为多个；低温传感器经多通道切换电路连接微处理器；

8、低温传感器在驱动电流源的驱动下对恒温器二级冷头的温度进行采集得到电信号，包括：

9、微处理器在接收到通道一传输的第一低温传感器采集的电信号后，输出切换信号至多通道切换电路；

10、多通道切换电路基于切换信号进行切换，以使多通道切换电路中连接的通道一切换至通道二；

11、所述第二低温传感器采集第二待恒温器二级冷头的温度，得到对应的电信号经连接的通道二传输至微处理器。

12、结合第一方面，本技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述温度控制装置的微处理器还包括外围电路，所述外围电路包括信号放大电路、低通滤波器和模数转换器；所述信号放大电路经低通滤波器、模数转换器连接至微处理器；

13、所述电信号发送至微处理器，包括：

14、基于信号放大电路和低通滤波器对电信号分别进行放大和低通滤波，将放大和低通滤波后的电信号传输至模数转换器；

15、基于模数转换器将电信号进行转换以与微处理器适配，并发送转换后的电信号至微处理器。

16、结合第一方面，本技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述微处理器确定实际温度信号与预置的目标温度信号之间的修正电压并发送至压控恒流源；包括：

17、微处理器调用转换得到的实际温度信号；

18、微处理器基于目标温度信号与实际温度信号之间的偏差得到修正电压。

19、结合第一方面，本技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述微处理器基于目标温度与实际温度信号之间的偏差得到修正电压，包括：

20、微处理器计算目标温度信号与实际温度信号之间的偏差；

21、微处理器基于所述偏差通过前馈控制算法和分段pid算法得到偏差对应的修正电压。

22、结合第一方面，本技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述温度控制装置还包括数模转换器；所述数模转换器连接压控恒流源和微处理器；

23、所述压控恒流源在微处理器通过温度控制函数的控制下，基于接收到的修正电压驱动加热元件为恒温器进行加热，包括：

24、基于数模转换器将修正电压进行转换以使修正电压与压控恒流源适配；

25、压控恒流源基于转换后的修正电压输出修正电流以启动加热元件。

26、第二方面，本技术实施例提供的一种量子电压合成用温度控制装置，应用于量子电压合成系统，所述温度控制装置包括低温传感器、微处理器、压控恒流源、加热元件；包括：

27、低温传感器，用于对恒温器二级冷头的温度进行采集得到电信号，所述电信号发送至微处理器；

28、微处理器，用于微处理器基于预设转换函数将所述电信号转换为实际温度信号；

29、压控恒流源，用于微处理器确定实际温度信号与预置的目标温度信号之间的修正电压并发送至压控恒流源；所述目标温度信号对应为恒温器的目标温度；所述目标温度基于微处理器进行划分得到目标温度信号所对应的温度区间；不同的温度区间采用不同的温度控制函数进行控温；

30、加热元件，用于所述压控恒流源基于接收到的修正电压驱动加热元件，所述加热元件在微处理器通过温度控制函数的控制下为恒温器进行加热，以使恒温器的温度和目标温度匹配。

31、结合第二方面，本技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，所述温度控制装置还包括多通道切换电路；所述多通道切换电路包括通道一、通道二，所述量子电压合成系统中的恒温器的数目为多个；所述与恒温器对应的低温传感器的数目也为多个；低温传感器经多通道切换电路连接微处理器；

32、低温传感器在驱动电流源的驱动下对恒温器二级冷头的温度进行采集得到电信号，包括：

33、输出模块，用于微处理器在接收到通道一传输的第一低温传感器采集到的电信号后，输出切换信号至多通道切换电路；

34、切换模块，用于多通道切换电路基于切换信号进行切换，以使多通道切换电路中连接的通道一切换至通道二；

35、测温模块，用于所述第二低温传感器采集第二待恒温器二级冷头的温度，得到对应的电信号以经连接的通道二传输至微处理器。

36、结合第二方面，本技术实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，所述温度控制装置还包括外围电路，所述外围电路包括信号放大电路、低通滤波器和模数转换器；所述外围电路分别连接微处理器和低温传感器，所述信号放大电路经低通滤波器、模数转换器连接至微处理器，包括：

37、处理模块，用于基于信号放大电路和低通滤波器对电信号分别进行放大和低通滤波，将放大和低通滤波后的电信号传输至模数转换器；

38、转换模块，用于基于模数转换器将电信号进行转换以与微处理器适配，并发送转换后的电信号至微处理器。

39、结合第二方面，本技术实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，所述温度控制装置还包括数模转换器；所述数模转换器连接压控恒流源和微处理器；包括：

40、适配模块，用于基于数模转换器将修正电压进行转换以使修正电压与压控恒流源适配；

41、启动模块，用于压控恒流源基于转换后的修正电压输出修正电流以启动加热元件。

42、本发明提供的量子电压合成用温度控制方法，应用于量子电压合成系统中的温度控制装置，所述温度控制装置包括低温传感器、微处理器、压控恒流源、加热元件、驱动电流源，所述量子电压合成系统的恒温器包括二级冷头，所述温度控制方法首先使低温传感器在驱动电流源的驱动下对恒温器二级冷头的温度进行采集得到电信号，所述电信号发送至微处理器；其次微处理器基于预设转换函数将所述电信号转换为实际温度信号；然后微处理器确定实际温度信号与预置的目标温度信号之间的修正电压并发送至压控恒流源；所述目标温度信号对应为恒温器的目标温度；所述目标温度基于微处理器进行划分得到目标温度信号所对应的温度区间；不同的温度区间采用对应不同的温度控制函数进行控温；最后，所述压控恒流源基于接收到的修正电压驱动加热元件，所述加热元件在微处理器通过温度控制函数的控制下为恒温器进行加热，以使恒温器的温度和目标温度匹配，从而保证了量子电压合成系统的恒温器的温度恒定，并基于多通道切换电路实现了对多路恒温器进行温度测量，保证了通过量子电压合成系统进行波形合成的效率，更加符合温差波动小于40mk的要求。