Synkrona käll- och mätsystem har ett modulärt tillvägagångssätt för lågnivåmätning – 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="Synkron modularitet M81-SSM-styrenheten visas med två källmoduler (vänster); två måttmoduler (höger); alla anslutna till en enhet som testas. Systemet kan stödja upp till sex moduler samtidigt. (Med tillstånd: Lake Shore Cryotronics) >>

Dagens mätsystem kan bli väldigt komplicerade väldigt snabbt. Forskare som arbetar i framkant av forskning kommer ofta att behöva klappa ihop instrument från ett antal olika leverantörer. Detta är problematiskt eftersom system med blandade leverantörer kan vara svåra att använda och detta kan allvarligt äventyra noggrannheten och repeterbarheten för de mätningar som görs.

Lake Shore Cryotronics har åtgärdat dessa osäkerheter med sitt MeasureReady M81-SSM-system (Synchronous Source and Measure), som gör att upp till tre källa och tre mätmoduler kan styras samtidigt av ett enda centralt styrinstrument. M81-SSM använder Lake Shores egenutvecklade MeasureSync-teknologi för att säkerställa att alla anslutna käll- och mätmoduler uppdateras synkront och samplas väl inom +/-10 ns från varandra med en samplingshastighet på 375 kHz.

"Vi har medvetet satt ihop synkrona käll- och mätfunktioner", förklarar Chuck Cimino, som är senior produktchef på Lake Shore. "Detta möjliggör också användning av en gemensam noggrannhetsreferens till provet som karakteriseras och säkerställer konsekvent minimal brusprestanda."

Företaget har sitt huvudkontor i Westerville, Ohio och har utvecklat mät- och styrlösningar i 56 år. "Vi har flera patenterade teknologier i M81-SSM som i hög grad möjliggör överlägsen synkronisering, blandad likströms- och växelströmskälla och mätning och jämnare/snabbare ändring av spänningsmätningsområdet," tillägger han.

Hjärtat i M81-SSM är ett styrinstrument som för närvarande stöder fyra olika typer av käll- och mätmoduler: en källmodul med konstant spänning; en källmodul för balanserad eller differentiell konstant strömkälla; en ingångsimpedansmätningsmodul på mer än 1 TΩ; och en noll-offset spänningstyp strömmätningsmodul med programmerbar DC-förspänning inbyggd. Cimino säger att fler applikationsspecifika typmoduler utvecklas för att utöka systemets kapacitet.

Drift med extremt låg ljudnivå

Alla M81-SSM-moduler innehåller linjär förstärkarelektronik som drivs av mycket isolerade linjära nätaggregat. Cimino säger att resultatet är extremt lågbrusdrift som överträffar många av de bästa konventionellt byggda enbox-käll- och mätinstrumenten, inklusive ett antal vanliga låsningsförstärkare.

M81-SSM designades från början för att täcka det bredaste möjliga utbudet av spännings- och strömkarakteriseringstillämpningar med lägsta möjliga brus och snabbaste konfiguration och inställning för mätning av prover i kryogena och/eller högfältsexperimentmiljöer. Lake Shore har lång erfarenhet av att karakterisera material och enheter i dessa och andra extrema miljöer och har även fullt ut utnyttjat proprietära signalkonditionerings- och mättekniker, såväl som företagets applikationsforskares expertis, i designen av M81-SSM.

Denna signalkapacitet med låg effekt och låg brus gör M81-SSM mycket användbar för att mäta magnetfältseffekter med hjälp av olika Hall bar-strukturer och magnetfältssensorer. Dessa enheter används i ett antal tillämpningar, inklusive spinntransportexperiment och studier av supraledande material vid kryogena temperaturer. Förutom att göra mätningar vid mycket låga temperaturer samtidigt som den minimerar självuppvärmning, kan M81-SSM också karakterisera material i rumsmiljöer och miljöer med mycket höga temperaturer, och undviker termiska förskjutningar via AC-källa med inlåsningsdetektering.

Hallbar-mätningar, som används för att göra mycket exakta mätningar av ett provs elektriska resistans, kan göras mycket effektivt med M81-SSM:s differentialströmkälla och spänningsmätningsmodulkombination. Allmänna applikationer för mätning av fyrtrådsresistans drar också nytta av dessa helt differentiellt anslutna moduler med låg brus och låg effekt.

Den modulära karaktären hos M81-SSM och modulernas förmåga att enkelt växla mellan AC (upp till 100 kHz), DC och inlåsningsdetekteringslägen ger användarna stor flexibilitet i de typer av mätningar som kan göras utan att byta mellan eller modifiering av dedikerad instrumentering endast för DC och AC. Denna modularitet och flexibilitet innebär också att M81-SSM kan användas för att testa flera enheter under identiska förhållanden för att leverera konsekventa resultat.

Spänningsmätningsmodulen VM-10 kan detektera signaler från det låga nanovoltområdet upp till 10 V. Den arbetar från DC upp till 100 kHz och kan detektera amplitud, fas och övertoner. Strömmätningsmodulen CM-10 kan detektera strömmar i femtoampere till 100 mA-området. Strömmätningar kan göras från DC till 100 kHz och inkluderar amplitud-, fas- och övertonsdetektering.

BCS-10-modulen för balanserad strömkälla är programmerbar från 100 fA till 100 mA från DC till 100 kHz sinusformad utgång, medan VS-10-spänningskällmodulen ger programmerbara spänningar från 1 µV DC/100 nV AC upp till ± 10 V med DC till 100 kHz sinusformad utgång.

Styrinstrumentet erbjuder en rad digitala anslutningar inklusive USB, GPIB och Ethernet samt gränssnitt med externa referenskällor eller detektorer. Styrenheten och modulerna är kompakta bänkinstrument som även kan monteras i rack.

Synkronisering och integration

Tack vare sin höga grad av synkronisering och integrering av inköps- och mätmöjligheter kan M81-SSM minska antalet separata instrument, i många fall till bara M81-SSM-systemet, som krävs för att göra precisionsmätningar. Denna integrationsnivå minimerar också antalet och längden på kablar som vanligtvis används för att ansluta separata källor, mätinstrument och prover. Denna integrering undviker införandet av parasiteffekter – såsom läckage, buller, motstånd och reaktans – som alla kan försämra mätningarna avsevärt.

Fjärrmodulerna är anslutna till huvudinstrumentet via standard 2 m brus-immun ström- och signalkablar, som valfritt kan förlängas till 6 m totalt mellan instrument och valfri modul. Det innebär att modulerna kan placeras mycket nära där mätningarna görs, till exempel i en kryogen sondstation. "Namnet på spelet i lågnivåmätningar är att minimera längden på signalnivåkablarna", säger Cimino. "Med M81-SSM kan du placera förstärkarmodulerna precis bredvid provet om så önskas."

Systemets modulära karaktär gör att ett brett utbud av konfigurationer kan skapas genom att helt enkelt byta anslutna moduler. Detta gör M81-SSM till ett extremt flexibelt system och dess prestanda är mer förutsägbar än inställningar byggda av flera separata instrument och instrument från olika leverantörer. Dessutom stöds hela systemet av en leverantör, vilket gör kundservice och teknisk assistans enklare och mer strömlinjeformad.

M81-SSM använder ett patenterat analogt system för att överföra signaler mellan styrenheten och dess moduler. Cimino förklarar att detta håller bullriga digitala kretsar långt borta från de känsliga analoga kretsarna i modulerna. Detta minimerar också jordfel och säkerställer en tät synkronisering av alla moduler.

Dedikerade ADC:er och DAC:er

Signaler från upp till tre anslutna mätmoduler digitaliseras i styrenheten med dedikerade analog-till-digital (ADC) omvandlare. Utsignaler från upp till tre källmoduler definieras av styrenheten av dedikerade digital-till-analogomvandlare (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="Exakt timing Upp till tre mätmoduler och tre källmoduler kan synkroniseras av M81-SSM med hjälp av Lake Shores MeasureSync-teknik. (Med tillstånd: Lake Shore Cryotronics)” title=”Klicka för att öppna bild i 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”>

ADC:erna och DAC:erna triggas av den stigande flanken på en delad MeasureSync-klocksignal. MeasureSync är Lake Shores patentsökta signalsynkroniseringssystem som använder en gemensam 375 kHz klocksignal för att uppdatera och läsa alla moduler – vilket möjliggör kontinuerlig datasampling på varje ansluten kanal snarare än de typiska multiplexade flerkanalsalternativen.

Under mellanrummen mellan samplingsklockflankerna läses ADC-data av styrenheten och DAC:erna ställs in för att ge nästa utdata. Resultatet är fullständig synkronisering och kontinuerlig sampling av upp till sex anslutna förstärkarkanaler – vilket innebär att flera synkroniserade mätningar kan göras parallellt. Varje kanal kan ställas in för att utföra AC-, DC- eller inlåsningsmätningar. Råprover inhämtas och bearbetas med 375 kilosamples per sekund (kSa/s) och genomförda mätningar överförs via LAN, USB eller GPIB till en värddator med upp till 5k poster per sekund eller en sammanlagd hastighet för 3 mätkanaler med 15k mätningar per andra.

Denna höga grad av synkronisering mellan källa och mätning gör att M81-SSM kan användas för att göra inlåsningsmätningar som kan extrahera mycket svaga signaler från bullriga bakgrunder. Detta är en betydande fördel för användarna eftersom inlåsningsmätningar vanligtvis görs med ett dedikerat låsningsinstrument för endast AC-mätningar.

Lås in med en knapptryckning

"Jag har visat för några intresserade kunder M81-SSMs huvudfunktioner och de frågar 'så var är den låsta förstärkaren?'", säger Cimino. ”Inledningsvis ser de bara de kompakta modulerna och styrelementen, och jag måste förklara att inlåsningen är implementerad digitalt. "Det är en låsning med en knapptryckning" är det entusiastiska svaret jag fick från flera potentiella användare."

Cimino tillägger att både nybörjare och experter uppskattar hur enkelt och intuitivt Lake Shore har konfigurerat användargränssnittet. I expertanvändaränden av spektrumet säger Cimino att "en M81-SSM-användare har antagit vår Python-drivrutin som sin grupps förarstandard för all sin utrustning. Han gillade hur vi abstraherade M81-SSM-kontrollerna i vår Python-drivrutin.”

"Eller om du inte vill programmera alls, låter vår MeasureLINK-mjukvara dig bara dra och släppa käll- och mätkommandon på hög nivå för att strömma data eller göra långtidstestning", säger Cimino. "Om du vill manipulera ett magnetfält eller en provtemperatur medan du gör elektriska mätningar, kan du göra det utan programmering."

Cimino beskriver M81-SSM:s användargränssnitt som "upptäckbart" och att alla smartphoneanvändare (dvs. "alla") skulle vara bekväma med att använda det. "Varje modul är representerad i gränssnittet och när du klickar på en modul ser du en virtuell frontpanel för det instrumentet", förklarar han. Standardinställningarna på gränssnittet motsvarar de vanligaste mätningarna, men användare kan också enkelt navigera i gränssnittet för att styra M81-SSM på ett sätt som matchar deras kompetensnivå och mätkrav. Och för både nybörjare och expertanvändare ger Lake Shore stöd från sitt team av applikationsingenjörer på doktorsnivå.

"M81-SSM är resultatet av fem års riktigt hårt arbete av Lake Shores ingenjörs- och applikationsteam", säger Cimino och tillägger att positiva svar från användarna tyder på att det var väl värt ansträngningen.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/