Система синхронного источника и измерения использует модульный подход к измерениям низкого уровня – Мир физики

<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="Синхронная модульность Контроллер M81-SSM показан с двумя модулями источника (слева); два измерительных модуля (справа); все подключено к тестируемому устройству. Система может поддерживать до шести модулей одновременно. (С разрешения: Lake Shore Cryotronics) «>

Сегодняшние измерительные системы могут очень быстро усложниться. Ученым, работающим на переднем крае исследований, часто приходится собирать инструменты от разных поставщиков. Это проблематично, поскольку системы смешанных поставщиков могут быть трудными в эксплуатации, и это может серьезно поставить под угрозу точность и повторяемость проводимых измерений.

Компания Lake Shore Cryotronics устранила эти неопределенности с помощью своей системы MeasureReady M81-SSM (Синхронный источник и измерение), которая позволяет одновременно управлять тремя источниками и тремя измерительными модулями с помощью одного центрального контрольного прибора. В M81-SSM используется запатентованная технология MeasureSync компании Lake Shore, гарантирующая, что все подключенные модули источника и измерения синхронно обновляются и производят выборку с точностью +/-10 нс друг от друга при частоте дискретизации 375 кГц.

«Мы намеренно объединили возможности синхронного источника и измерения», — объясняет Чак Чимино, старший менеджер по продукции в Lake Shore. «Это также позволяет использовать общую точность для характеризуемого образца и обеспечивает неизменно минимальные шумовые характеристики».

Компания со штаб-квартирой в Вестервилле, штат Огайо, уже 56 лет занимается разработкой решений для измерения и управления. «В M81-SSM мы используем несколько запатентованных технологий, которые обеспечивают превосходную синхронизацию, смешанное питание и измерение постоянного и переменного тока, а также более плавное/быстрое изменение диапазона измерения напряжения», — добавляет он.

В основе M81-SSM лежит контроллер, который в настоящее время поддерживает четыре различных типа источников и измерительных модулей: модуль источника постоянного напряжения; модуль источника симметричного или дифференциального постоянного тока; модуль измерения входного импеданса напряжения более 1 ТОм; и модуль измерения тока с нулевым смещением напряжения и встроенным программируемым смещением постоянного тока. Чимино говорит, что для расширения возможностей системы разрабатываются модули большего количества типов, ориентированных на конкретные приложения.

Чрезвычайно низкий уровень шума

Все модули M81-SSM содержат электронику линейного усилителя, питаемую от линейных источников питания с высокой изоляцией. Чимино говорит, что результатом является чрезвычайно низкий уровень шума, который превосходит многие из лучших традиционных одноблочных источников и измерительных приборов, включая ряд широко используемых синхронных усилителей.

M81-SSM с самого начала разрабатывался для охвата максимально широкого диапазона задач измерения характеристик напряжения и тока с минимально возможным шумом, а также с максимально быстрой конфигурацией и настройкой для измерения образцов в криогенных и/или сильно полевых условиях экспериментов. Компания Lake Shore имеет обширный опыт определения характеристик материалов и устройств в этих и других экстремальных условиях, а также в полной мере использовала запатентованные технологии формирования сигналов и измерения, а также опыт ученых-прикладчиков компании при разработке M81-SSM.

Малая мощность и низкий уровень шума делают M81-SSM очень полезным для измерения эффектов магнитного поля с использованием различных структур Холла и датчиков магнитного поля. Эти устройства используются в ряде приложений, включая эксперименты по спиновому транспорту и исследование сверхпроводящих материалов при криогенных температурах. Помимо выполнения измерений при очень низких температурах с минимальным самонагревом, M81-SSM также может определять характеристики материалов в комнатных и очень высокотемпературных средах, избегая тепловых смещений за счет источника переменного тока с обнаружением синхронизации.

Измерения на шкале Холла, которые используются для очень точных измерений электрического сопротивления образца, могут быть выполнены очень эффективно с использованием комбинации источника дифференциального тока и модуля измерения напряжения M81-SSM. Эти малошумящие и маломощные модули с полностью дифференциальным подключением также выигрывают от использования этих модулей с низким уровнем шума и низким энергопотреблением для обычных четырехпроводных измерений сопротивления.

Модульная природа M81-SSM и способность модулей легко переключаться между режимами обнаружения переменного тока (до 100 кГц), постоянного тока и синхронизации дают пользователям большую гибкость в типах измерений, которые можно выполнять без переключения между или модификация специализированных приборов только постоянного и переменного тока. Эта модульность и гибкость также означают, что M81-SSM можно использовать для тестирования нескольких устройств в одинаковых условиях для получения стабильных результатов.

Модуль измерения напряжения VM-10 может обнаруживать сигналы в низковольтном диапазоне до 10 В. Он работает от постоянного тока до 100 кГц и может обнаруживать амплитуду, фазу и гармоники. Модуль измерения тока CM-10 может обнаруживать токи в диапазоне от фемтоампера до 100 мА. Измерения тока могут выполняться в диапазоне от постоянного тока до 100 кГц и включают обнаружение амплитуды, фазы и гармоник.

Модуль источника сбалансированного тока BCS-10 программируется от 100 фА до 100 мА от постоянного тока до синусоидального выхода 100 кГц, а модуль источника напряжения VS-10 обеспечивает программируемые напряжения от 1 мкВ постоянного тока/100 нВ переменного тока до ± 10 В постоянного тока. до 100 кГц синусоидального выхода.

Прибор-контроллер предлагает ряд цифровых возможностей подключения, включая USB, GPIB и Ethernet, а также интерфейс с внешними опорными источниками или детекторами. Контроллер и модули представляют собой компактные настольные приборы, которые также можно монтировать в стойку.

Синхронизация и интеграция

Благодаря высокой степени синхронизации и интеграции возможностей источника и измерения M81-SSM может сократить количество отдельных инструментов, во многих случаях до одной системы M81-SSM, необходимых для выполнения точных измерений. Этот уровень интеграции также сводит к минимуму количество и длину кабелей, обычно используемых для подключения отдельных источников, измерительных приборов и образцов. Такая интеграция позволяет избежать появления паразитных эффектов, таких как утечки, шум, сопротивление и реактивное сопротивление, которые могут значительно ухудшить результаты измерений.

Удаленные модули подключаются к основному прибору с помощью стандартных помехозащищенных силовых и сигнальных кабелей длиной 2 м, которые можно дополнительно удлинить до 6 м между прибором и любым модулем. Это означает, что модули можно размещать очень близко к месту проведения измерений, например, на криогенной зондовой станции. «Главная задача измерений низкого уровня — минимизировать длину кабелей уровня сигнала», — говорит Чимино. «С помощью M81-SSM при желании вы можете разместить модули усилителя прямо рядом с образцом».

Модульная природа системы означает, что можно создать широкий спектр конфигураций путем простой замены подключенных модулей. Это делает M81-SSM чрезвычайно гибкой системой, а ее производительность более предсказуемой, чем системы, состоящие из нескольких отдельных приборов и приборов от разных производителей. Кроме того, вся система поддерживается одним поставщиком, что делает обслуживание клиентов и техническую поддержку более простыми и рационализированными.

M81-SSM использует запатентованную аналоговую систему для передачи сигналов между контроллером и его модулями. Чимино объясняет, что это позволяет держать шумные цифровые схемы подальше от чувствительных аналоговых схем модулей. Это также сводит к минимуму ошибки заземления и обеспечивает тесную синхронизацию всех модулей.

Выделенные АЦП и ЦАП

Сигналы от трех подключенных измерительных модулей оцифровываются в контроллере специальными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Выходные сигналы от трех исходных модулей определяются контроллером с помощью специальных цифро-аналоговых преобразователей (DAC).

<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="Точное время Up to three measure modules and three source modules can be synchronized by the M81-SSM using Lake Shore’s MeasureSync technology. (Courtesy: Lake Shore Cryotronics)” title=”Click to open image in popup” href=”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”>

АЦП и ЦАП запускаются по нарастающему фронту общего тактового сигнала MeasureSync. MeasureSync — это запатентованная система синхронизации сигналов компании Lake Shore, которая использует общий тактовый сигнал частотой 375 кГц для обновления и считывания всех модулей, что обеспечивает непрерывную выборку данных на каждом подключенном канале вместо типичных мультиплексированных многоканальных альтернатив.

В промежутках между фронтами тактовой частоты выборки данные АЦП считываются контроллером, и ЦАП настраиваются на предоставление следующих выходных значений. Результатом является полная синхронизация и непрерывная выборка до шести подключенных каналов усилителя, что означает, что можно выполнять несколько синхронизированных измерений параллельно. Каждый канал может быть настроен на выполнение измерений переменного, постоянного тока или синхронизированных измерений. Необработанные образцы собираются и обрабатываются со скоростью 375 киловыборок в секунду (квыб/с), а завершенные измерения передаются через LAN, USB или GPIB на главный ПК со скоростью до 5 тыс. записей в секунду или совокупной скоростью для 3 измерительных каналов по 15 тыс. измерений в секунду. второй.

Такая высокая степень синхронизации между источником и измерением означает, что M81-SSM можно использовать для выполнения синхронных измерений, которые позволяют выделить очень слабые сигналы из шумного фона. Это является существенным преимуществом для пользователей, поскольку измерения с синхронизацией обычно выполняются с использованием специального прибора с синхронизирующим усилителем, предназначенного только для измерений переменного тока.

Блокировка одним нажатием кнопки

«Я продемонстрировал некоторым заинтересованным клиентам основные возможности M81-SSM, и они спросили: «А где же синхронный усилитель?», — говорит Чимино. «Изначально они просто видят компактные модули и элементы контроллера, и мне приходится объяснять, что синхронизация реализована в цифровом виде. «Это блокировка одним нажатием кнопки» — такой восторженный ответ я получил от множества потенциальных пользователей».

Чимино добавляет, что как новички, так и эксперты ценят простоту и интуитивность настройки пользовательского интерфейса Lake Shore. Что касается опытных пользователей, Чимино говорит, что «один пользователь M81-SSM принял наш драйвер Python в качестве стандарта драйверов своей группы для всего своего оборудования. Ему просто понравилось, как мы абстрагировали элементы управления M81-SSM в нашем драйвере Python».

«Или, если вы вообще не хотите программировать, наше программное обеспечение MeasureLINK позволяет вам просто перетаскивать высокоуровневые команды источника и измерения для потоковой передачи данных или проведения длительного тестирования», — говорит Чимино. «Если вы хотите манипулировать магнитным полем или температурой образца во время электрических измерений, вы можете сделать это без программирования».

Чимино описывает пользовательский интерфейс M81-SSM как «доступный для обнаружения» и что любой пользователь смартфона (то есть «каждый») будет удобно им пользоваться. «Каждый модуль представлен в интерфейсе, и когда вы нажимаете на модуль, вы видите виртуальную лицевую панель этого прибора», — объясняет он. Настройки интерфейса по умолчанию соответствуют наиболее распространенным измерениям, но пользователи также могут легко перемещаться по интерфейсу для управления M81-SSM способом, соответствующим их уровню квалификации и требованиям к измерениям. Как новичкам, так и опытным пользователям Lake Shore предоставляет поддержку со стороны своей команды инженеров-разработчиков с докторской степенью.

«M81-SSM — это результат пятилетней упорной работы инженеров и команд разработчиков Lake Shore», — говорит Чимино, добавляя, что положительные отзывы сообщества пользователей позволяют предположить, что затраченные усилия того стоили.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/