O sistema síncrono de fonte e medição adota uma abordagem modular para medição de baixo nível – Physics World

<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="Modularidade síncrona O controlador M81-SSM mostrado com dois módulos de origem (esquerda); dois módulos de medida (direita); todos conectados a um dispositivo em teste. O sistema pode suportar até seis módulos ao mesmo tempo. (Cortesia: Lake Shore Cryotronics) “>

Os sistemas de medição atuais podem ficar muito complicados muito rapidamente. Os cientistas que trabalham na vanguarda da investigação terão frequentemente de reunir instrumentos de vários fornecedores diferentes. Isto é problemático porque os sistemas de fornecedores mistos podem ser difíceis de operar e isso pode comprometer seriamente a precisão e a repetibilidade das medições feitas.

A Lake Shore Cryotronics abordou essas incertezas com seu sistema MeasureReady M81-SSM (Fonte e Medição Síncrona), que permite que até três fontes e três módulos de medição sejam operados simultaneamente por um único instrumento de controle central. O M81-SSM usa a tecnologia MeasureSync proprietária da Lake Shore para garantir que todos os módulos de fonte e medição conectados sejam atualizados de forma síncrona e amostrados bem dentro de +/- 10 ns um do outro a uma taxa de amostragem de 375 kHz.

“Reunimos propositadamente recursos de fonte e medição síncronos”, explica Chuck Cimino, gerente sênior de produtos da Lake Shore. “Isso também permite o uso de uma referência de precisão comum para a amostra que está sendo caracterizada e garante um desempenho de ruído consistentemente mínimo.”

A empresa está sediada em Westerville, Ohio e desenvolve soluções de medição e controle há 56 anos. “Temos diversas tecnologias patenteadas no M81-SSM que permitem sincronização superior, fornecimento e medição mistos de CC e CA e alteração da faixa de medição de tensão mais suave/rápida”, acrescenta.

No coração do M81-SSM está um instrumento controlador que atualmente suporta quatro tipos diferentes de módulos de fonte e medição: um módulo de fonte de tensão constante; um módulo de fonte de corrente constante balanceada ou diferencial; um módulo de medição de tensão de impedância de entrada superior a 1 TΩ; e um módulo de medição de corrente do tipo tensão com deslocamento zero com polarização CC programável integrada. Cimino diz que mais módulos de tipo específico de aplicação estão sendo desenvolvidos para expandir as capacidades do sistema.

Operação extremamente silenciosa

Todos os módulos M81-SSM contêm componentes eletrônicos de amplificador linear que são alimentados por fontes de alimentação lineares altamente isoladas. Cimino diz que o resultado é uma operação de ruído extremamente baixo que excede muitos dos melhores instrumentos de medição e fonte de caixa única construídos convencionalmente, incluindo vários amplificadores lock-in comumente usados.

O M81-SSM foi projetado desde o início para cobrir a mais ampla faixa possível de aplicações de caracterização de tensão versus corrente com o menor ruído possível e configuração e configuração mais rápidas para medição de amostras em ambientes criogênicos e/ou de experimentos de alto campo. Lake Shore tem ampla experiência na caracterização de materiais e dispositivos nestes e em outros ambientes extremos e também aproveitou totalmente tecnologias proprietárias de condicionamento de sinal e medição, bem como a experiência dos cientistas de aplicação da empresa, no projeto do M81-SSM.

Essa capacidade de sinal de baixa potência e baixo ruído torna o M81-SSM muito útil para medir efeitos de campo magnético usando várias estruturas de barra Hall e sensores de campo magnético. Esses dispositivos são usados ​​em diversas aplicações, incluindo experimentos de transporte de spin e estudo de materiais supercondutores em temperaturas criogênicas. Além de fazer medições em temperaturas muito baixas e ao mesmo tempo minimizar o autoaquecimento, o M81-SSM também pode caracterizar materiais em salas e ambientes com temperaturas muito altas, evitando compensações térmicas por meio de fonte de CA com detecção lock-in.

As medições da barra Hall, que são usadas para fazer medições muito precisas da resistência elétrica de uma amostra, podem ser feitas de maneira muito eficaz usando a combinação de fonte de corrente diferencial e módulo de medição de tensão do M81-SSM. As aplicações gerais de medição de resistência de quatro fios também se beneficiam desses módulos conectados totalmente diferenciais, de baixo ruído e baixa potência.

A natureza modular do M81-SSM e a capacidade dos módulos de alternar facilmente entre os modos CA (até 100 kHz), CC e detecção lock-in oferecem aos usuários grande flexibilidade nos tipos de medições que podem ser feitas sem alternar entre ou modificando instrumentação dedicada somente DC e AC. Esta modularidade e flexibilidade também significam que o M81-SSM pode ser usado para testar vários dispositivos sob condições idênticas para fornecer resultados consistentes.

O módulo de medição de tensão VM-10 pode detectar sinais da faixa de nanovolts baixos até 10 V. Ele opera de CC até 100 kHz e pode detectar amplitude, fase e harmônicos. O módulo de medição de corrente CM-10 pode detectar correntes na faixa de femtoampere até 100 mA. As medições de corrente podem ser feitas de CC a 100 kHz e incluem detecção de amplitude, fase e harmônica.

O módulo de fonte de corrente balanceada BCS-10 é programável de 100 fA a 100 mA de CC a saída senoidal de 100 kHz, enquanto o módulo de fonte de tensão VS-10 fornece tensões programáveis ​​de 1 µV CC/100 nV CA até ± 10 V com CC saída senoidal de 100 kHz.

O instrumento controlador oferece uma variedade de conectividade digital, incluindo USB, GPIB e Ethernet, bem como interface com fontes de referência externas ou detectores. O controlador e os módulos são instrumentos compactos de bancada que também podem ser montados em rack.

Sincronização e integração

Graças ao seu alto grau de sincronização e integração de recursos de fornecimento e medição, o M81-SSM pode reduzir o número de instrumentos separados, em muitos casos apenas para o sistema M81-SSM, necessários para fazer medições de precisão. Este nível de integração também minimiza o número e o comprimento dos cabos normalmente usados ​​para conectar fontes, instrumentos de medição e amostras separados. Essa integração evita a introdução de efeitos parasitas – como vazamento, ruído, resistência e reatância – que podem degradar significativamente as medições.

Os módulos remotos são conectados ao instrumento principal por meio de cabos de alimentação e sinal padrão de 2 m, imunes a ruídos, que podem ser opcionalmente estendidos para um total de 6 m entre o instrumento e qualquer módulo. Isto significa que os módulos podem ser colocados muito próximos de onde as medições estão sendo feitas, como em uma estação de sonda criogênica. “O segredo das medições de baixo nível é minimizar o comprimento dos cabos de nível de sinal”, diz Cimino. “Com o M81-SSM você pode colocar os módulos amplificadores próximos à amostra, se desejar.”

A natureza modular do sistema significa que uma ampla gama de configurações pode ser criada simplesmente trocando os módulos conectados. Isso torna o M81-SSM um sistema extremamente flexível e seu desempenho é mais previsível do que configurações construídas com vários instrumentos separados e instrumentos de diferentes fornecedores. Além disso, todo o sistema é suportado por um único fornecedor, tornando o atendimento e a assistência técnica mais simples e agilizados.

O M81-SSM utiliza um sistema analógico patenteado para transmitir sinais entre o controlador e seus módulos. Cimino explica que isso mantém os circuitos digitais barulhentos longe dos circuitos analógicos sensíveis nos módulos. Isto também minimiza erros de aterramento e garante a sincronização perfeita de todos os módulos.

ADCs e DACs dedicados

Os sinais de até três módulos de medição conectados são digitalizados no controlador por conversores analógico-digitais (ADC) dedicados. Os sinais de saída de até três módulos fonte são definidos pelo controlador por conversores digital-analógico (DACs) dedicados.

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Os ADCs e DACs são acionados pela borda ascendente de um sinal de relógio MeasureSync compartilhado. MeasureSync é o sistema de sincronização de sinal com patente pendente da Lake Shore que usa um sinal de clock comum de 375 kHz para atualizar e ler todos os módulos – permitindo amostragem contínua de dados em cada canal conectado, em vez das típicas alternativas multicanais multiplexadas.

Durante os intervalos entre as bordas do clock de amostragem, os dados ADC são lidos pelo controlador e os DACs são configurados para fornecer os próximos valores de saída. O resultado é a sincronização completa e a amostragem contínua de até seis canais amplificadores conectados – o que significa que diversas medições sincronizadas podem ser feitas em paralelo. Cada canal pode ser configurado para realizar medições AC, DC ou lock-in. As amostras brutas são adquiridas e processadas a 375 quiloamostras por segundo (kSa/s) e as medições concluídas são transmitidas via LAN, USB ou GPIB para um PC host a até 5 mil registros por segundo ou uma taxa agregada para 3 canais de medição de 15 mil medições por segundo.

Este alto grau de sincronização entre a fonte e a medição significa que o M81-SSM pode ser usado para fazer medições lock-in que podem extrair sinais muito fracos de ambientes ruidosos. Este é um benefício significativo para os usuários porque as medições lock-in geralmente são feitas usando um instrumento amplificador lock-in dedicado somente para medições de CA.

Bloqueio com o toque de um botão

“Demonstrei para alguns clientes interessados ​​as principais capacidades do M81-SSM e eles perguntaram 'então, onde está o amplificador lock-in?'”, diz Cimino. “Inicialmente, eles veem apenas os módulos compactos e os elementos controladores, e tenho que explicar que o lock-in é implementado digitalmente. 'É um bloqueio com o toque de um botão' é a resposta entusiástica que recebi de vários usuários em potencial.”

Cimino acrescenta que tanto novatos quanto especialistas apreciam como Lake Shore configurou a interface do usuário de maneira simples e intuitiva. No extremo do espectro, o usuário especialista, Cimino diz que “um usuário do M81-SSM adotou nosso driver Python como driver padrão de seu grupo em todos os seus equipamentos. Ele simplesmente gostou da maneira como abstraímos os controles M81-SSM em nosso driver Python.”

“Ou se você não quiser programar, nosso software MeasureLINK permite que você simplesmente arraste e solte comandos de fonte e medição de alto nível para transmitir dados ou fazer testes de longa duração”, diz Cimino. “Se você deseja manipular um campo magnético ou a temperatura de uma amostra enquanto faz medições elétricas, pode fazer isso sem programação.”

Cimino descreve a interface de usuário do M81-SSM como “detectável” e que qualquer usuário de smartphone (ou seja, “todos”) se sentiria confortável em usá-la. “Cada módulo é representado na interface e ao clicar em um módulo, você vê um painel frontal virtual daquele instrumento”, explica. As configurações padrão na interface correspondem às medições mais comuns, mas os usuários também podem navegar facilmente pela interface para controlar o M81-SSM de uma forma que corresponda ao seu nível de habilidade e requisitos de medição. E tanto para usuários iniciantes quanto experientes, Lake Shore oferece suporte de sua equipe de engenheiros de aplicação com nível de doutorado.

“O M81-SSM é o resultado de cinco anos de trabalho árduo das equipes de engenharia e aplicação de Lake Shore”, diz Cimino, acrescentando que as respostas positivas da comunidade de usuários sugerem que valeu a pena o esforço.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/