Sistem sumber dan pengukuran sinkron mengambil pendekatan modular untuk pengukuran tingkat rendah – Dunia Fisika

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement-physics-world-2.jpg" data-caption="Modularitas sinkron Pengontrol M81-SSM ditampilkan dengan dua modul sumber (kiri); dua modul pengukuran (kanan); semua terhubung ke perangkat yang sedang diuji. Sistem ini dapat mendukung hingga enam modul sekaligus. (Sumber: Kriotronik Tepi Danau) “>

Sistem pengukuran saat ini bisa menjadi sangat rumit dengan sangat cepat. Para ilmuwan yang bekerja di bidang penelitian mutakhir sering kali harus merakit instrumen dari sejumlah pemasok berbeda. Hal ini menjadi masalah karena sistem vendor campuran sulit dioperasikan dan hal ini dapat sangat membahayakan keakuratan dan kemampuan pengulangan pengukuran yang dilakukan.

Lake Shore Cryotronics telah mengatasi ketidakpastian ini dengan sistem MeasureReady M81-SSM (Synchronous Source and Measure), yang memungkinkan hingga tiga sumber dan tiga modul pengukuran dioperasikan secara bersamaan oleh satu instrumen kontrol pusat. M81-SSM menggunakan teknologi MeasureSync milik Lake Shore untuk memastikan bahwa semua modul sumber dan pengukuran yang terhubung diperbarui secara serempak dan diambil sampelnya dengan baik dalam jarak +/-10 ns satu sama lain pada laju pengambilan sampel 375 kHz.

“Kami sengaja menggabungkan kemampuan sumber dan pengukuran yang sinkron,” jelas Chuck Cimino, manajer produk senior di Lake Shore. “Hal ini juga memungkinkan penggunaan referensi akurasi umum pada sampel yang sedang dikarakterisasi dan memastikan kinerja kebisingan yang minimal secara konsisten.”

Perusahaan ini berkantor pusat di Westerville, Ohio dan telah mengembangkan solusi pengukuran dan kontrol selama 56 tahun. “Kami memiliki beberapa teknologi yang dipatenkan dalam M81-SSM yang memungkinkan sinkronisasi yang unggul, sumber dan pengukuran campuran DC dan AC, serta perubahan rentang pengukuran tegangan yang lebih lancar/cepat,” tambahnya.

Inti dari M81-SSM adalah instrumen pengontrol yang saat ini mendukung empat jenis modul sumber dan pengukuran berbeda: modul sumber tegangan konstan; modul sumber arus konstan seimbang atau diferensial; modul pengukuran tegangan impedansi masukan lebih besar dari 1 TΩ; dan modul pengukuran arus tipe tegangan offset nol dengan bias DC yang dapat diprogram. Cimino mengatakan bahwa lebih banyak modul tipe khusus aplikasi sedang dikembangkan untuk memperluas kemampuan sistem.

Pengoperasian dengan kebisingan yang sangat rendah

Semua modul M81-SSM berisi elektronik amplifier linier yang ditenagai oleh catu daya linier yang sangat terisolasi. Cimino mengatakan hasilnya adalah pengoperasian dengan kebisingan yang sangat rendah yang melampaui banyak instrumen sumber dan pengukuran kotak tunggal terbaik yang dibuat secara konvensional, termasuk sejumlah lock-in amplifier yang umum digunakan.

M81-SSM dirancang sejak awal untuk mencakup rentang terluas aplikasi karakterisasi tegangan versus arus dengan kebisingan serendah mungkin serta konfigurasi dan pengaturan tercepat untuk mengukur sampel di lingkungan eksperimen kriogenik dan/atau lapangan tinggi. Lake Shore memiliki pengalaman luas dalam mengkarakterisasi material dan perangkat di lingkungan ini dan lingkungan ekstrem lainnya dan juga telah sepenuhnya memanfaatkan teknologi pengondisian dan pengukuran sinyal yang dipatenkan, serta keahlian ilmuwan aplikasi perusahaan, dalam desain M81-SSM.

Kemampuan sinyal berdaya rendah dan noise rendah ini menjadikan M81-SSM sangat berguna untuk mengukur efek medan magnet menggunakan berbagai struktur Hall bar dan sensor medan magnet. Perangkat ini digunakan dalam sejumlah aplikasi, termasuk eksperimen transportasi putaran dan studi bahan superkonduktor pada suhu kriogenik. Selain melakukan pengukuran pada suhu yang sangat rendah sekaligus meminimalkan pemanasan sendiri, M81-SSM juga dapat mengkarakterisasi material di ruangan dan lingkungan bersuhu sangat tinggi, menghindari perpindahan panas melalui sumber AC dengan deteksi lock-in.

Pengukuran hall bar, yang digunakan untuk melakukan pengukuran resistansi listrik sampel dengan sangat presisi, dapat dilakukan dengan sangat efektif menggunakan kombinasi modul pengukuran tegangan dan sumber arus diferensial M81-SSM. Aplikasi pengukuran resistansi empat kabel secara umum juga mendapat manfaat dari modul terhubung diferensial penuh dengan kebisingan rendah dan berdaya rendah ini.

Sifat modular M81-SSM dan kemampuan modul untuk beralih dengan mudah antara mode deteksi AC (hingga 100 kHz), DC dan lock-in memberi pengguna fleksibilitas besar dalam jenis pengukuran yang dapat dilakukan tanpa bertukar antara atau memodifikasi instrumentasi khusus DC dan AC saja. Modularitas dan fleksibilitas ini juga berarti bahwa M81-SSM dapat digunakan untuk menguji beberapa perangkat dalam kondisi yang sama untuk memberikan hasil yang konsisten.

Modul pengukuran tegangan VM-10 dapat mendeteksi sinyal dari rentang nanovolt rendah hingga 10 V. Modul ini beroperasi dari DC hingga 100 kHz dan dapat mendeteksi amplitudo, fase, dan harmonik. Modul pengukuran arus CM-10 dapat mendeteksi arus dalam rentang femtoampere hingga 100 mA. Pengukuran arus dapat dilakukan dari DC hingga 100 kHz dan mencakup deteksi amplitudo, fase, dan harmonik.

Modul sumber arus seimbang BCS-10 dapat diprogram dari 100 fA hingga 100 mA dari keluaran sinusoidal DC hingga 100 kHz, sedangkan modul sumber tegangan VS-10 menyediakan tegangan yang dapat diprogram dari 1 µV DC/100 nV AC hingga ± 10 V dengan DC hingga keluaran sinusoidal 100 kHz.

Instrumen pengontrol menawarkan berbagai konektivitas digital termasuk USB, GPIB dan Ethernet serta antarmuka dengan sumber referensi eksternal atau detektor. Pengontrol dan modulnya merupakan instrumen benchtop ringkas yang juga dapat dipasang di rak.

Sinkronisasi dan integrasi

Berkat sinkronisasi tingkat tinggi dan integrasi sumber daya dan kemampuan pengukuran, M81-SSM dapat mengurangi jumlah instrumen terpisah, dalam banyak kasus hanya sistem M81-SSM, yang diperlukan untuk melakukan pengukuran presisi. Tingkat integrasi ini juga meminimalkan jumlah dan panjang kabel yang biasanya digunakan untuk menghubungkan sumber, instrumen pengukuran, dan sampel yang terpisah. Integrasi ini menghindari timbulnya efek parasit – seperti kebocoran, kebisingan, resistensi, dan reaktansi – yang semuanya dapat menurunkan pengukuran secara signifikan.

Modul jarak jauh dihubungkan ke instrumen utama melalui kabel daya dan sinyal tahan kebisingan standar sepanjang 2 m, yang secara opsional dapat diperpanjang hingga total 6 m antara instrumen dan satu modul mana pun. Artinya, modul dapat ditempatkan sangat dekat dengan tempat pengukuran dilakukan, seperti di stasiun penyelidikan kriogenik. “Yang penting dalam pengukuran tingkat rendah adalah meminimalkan panjang kabel tingkat sinyal,” kata Cimino. “Dengan M81-SSM Anda dapat meletakkan modul amplifier tepat di sebelah sampel jika diinginkan.”

Sifat modular dari sistem berarti bahwa berbagai konfigurasi dapat dibuat hanya dengan menukar modul yang terhubung. Hal ini menjadikan M81-SSM sistem yang sangat fleksibel dan kinerjanya lebih dapat diprediksi dibandingkan pengaturan yang dibuat dari beberapa instrumen terpisah dan instrumen dari vendor berbeda. Selain itu, seluruh sistem didukung oleh satu pemasok, menjadikan layanan pelanggan dan bantuan teknis lebih sederhana dan efisien.

M81-SSM menggunakan sistem analog yang dipatenkan untuk mengirimkan sinyal antara pengontrol dan modulnya. Cimino menjelaskan bahwa hal ini menjauhkan sirkuit digital yang berisik dari sirkuit analog sensitif dalam modul. Hal ini juga meminimalkan kesalahan ground dan memastikan sinkronisasi yang ketat pada semua modul.

ADC dan DAC khusus

Sinyal dari hingga tiga modul pengukuran yang terhubung didigitalkan di pengontrol melalui konverter analog-ke-digital (ADC) khusus. Sinyal keluaran hingga tiga modul sumber ditentukan oleh pengontrol melalui konverter digital-ke-analog (DAC) khusus.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement-physics-world-1.jpg" data-caption="Waktu yang akurat Hingga tiga modul pengukuran dan tiga modul sumber dapat disinkronkan oleh M81-SSM menggunakan teknologi MeasureSync Lake Shore. (Sumber: Lake Shore Cryotronics)” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes -pendekatan-modular-untuk-pengukuran-tingkat-rendah-fisika-dunia-1.jpg”>

ADC dan DAC dipicu oleh peningkatan sinyal jam MeasureSync bersama. MeasureSync adalah sistem sinkronisasi sinyal Lake Shore yang masih dalam proses paten dan menggunakan sinyal clock umum 375 kHz untuk memperbarui dan membaca semua modul – memungkinkan pengambilan sampel data berkelanjutan pada setiap saluran yang terhubung, bukan alternatif multisaluran multipleks biasa.

Selama jeda antara tepi jam pengambilan sampel, data ADC dibaca oleh pengontrol, dan DAC diatur untuk memberikan nilai keluaran berikutnya. Hasilnya adalah sinkronisasi lengkap dan pengambilan sampel kontinu hingga enam saluran amplifier yang terhubung – yang berarti beberapa pengukuran tersinkronisasi dapat dilakukan secara paralel. Setiap saluran dapat diatur untuk melakukan pengukuran AC, DC atau lock-in. Sampel mentah diperoleh dan diproses dengan kecepatan 375 kilosampel per detik (kSa/s) dan pengukuran yang telah selesai dikirimkan melalui LAN, USB, atau GPIB ke PC host dengan kecepatan hingga 5 ribu rekaman per detik atau laju agregat untuk 3 saluran pengukuran dengan 15 ribu pengukuran per Kedua.

Sinkronisasi tingkat tinggi antara sumber dan pengukuran berarti M81-SSM dapat digunakan untuk melakukan pengukuran lock-in yang dapat mengekstraksi sinyal sangat lemah dari latar belakang yang bising. Hal ini merupakan keuntungan yang signifikan bagi pengguna karena pengukuran lock-in biasanya dilakukan menggunakan instrumen amplifier lock-in khusus pengukuran AC saja.

Lock-in dengan satu sentuhan tombol

“Saya telah menunjukkan kepada beberapa pelanggan yang tertarik kemampuan utama M81-SSM dan mereka bertanya 'jadi di mana lock-in amplifiernya?',” kata Cimino. “Awalnya mereka hanya melihat modul kompak dan elemen pengontrol, dan saya harus menjelaskan bahwa lock-in diterapkan secara digital. 'Pengunciannya cukup dengan satu sentuhan tombol' adalah respons antusias yang saya dapatkan dari berbagai calon pengguna.”

Cimino menambahkan bahwa pemula dan ahli sama-sama menghargai betapa sederhana dan intuitifnya Lake Shore mengkonfigurasi antarmuka pengguna. Pada spektrum pengguna ahli, Cimino mengatakan bahwa “satu pengguna M81-SSM telah mengadopsi driver Python kami sebagai standar driver grupnya di semua peralatannya. Dia menyukai cara kami mengabstraksi kontrol M81-SSM di driver Python kami.”

“Atau jika Anda tidak ingin memprogram sama sekali, perangkat lunak MeasureLINK kami memungkinkan Anda menarik dan melepas perintah sumber dan pengukuran tingkat tinggi untuk mengalirkan data atau melakukan pengujian jangka panjang,” kata Cimino. “Jika Anda ingin memanipulasi medan magnet atau suhu sampel saat melakukan pengukuran listrik, Anda dapat melakukannya tanpa pemrograman.”

Cimino menggambarkan antarmuka pengguna M81-SSM sebagai “dapat ditemukan” dan bahwa setiap pengguna ponsel cerdas (yaitu, “semua orang”) akan merasa nyaman menggunakannya. “Setiap modul diwakili dalam antarmuka dan ketika Anda mengklik modul, Anda akan melihat panel depan virtual untuk instrumen tersebut,” jelasnya. Pengaturan default pada antarmuka sesuai dengan pengukuran yang paling umum, namun pengguna juga dapat dengan mudah menavigasi antarmuka untuk mengontrol M81-SSM dengan cara yang sesuai dengan tingkat keahlian dan persyaratan pengukuran mereka. Dan untuk pengguna pemula dan ahli, Lake Shore menyediakan dukungan dari tim insinyur aplikasi tingkat PhD.

“M81-SSM adalah hasil kerja keras tim teknik dan aplikasi Lake Shore selama lima tahun,” kata Cimino, seraya menambahkan bahwa tanggapan positif dari komunitas pengguna menunjukkan bahwa upaya tersebut sepadan.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/