Система синхронного джерела та вимірювання використовує модульний підхід до вимірювання низького рівня – 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="Синхронна модульність Контролер M81-SSM показаний з двома модулями джерела (ліворуч); два вимірювальних модуля (справа); усі підключені до тестованого пристрою. Система може підтримувати до шести модулів одночасно. (З дозволу: Lake Shore Cryotronics) “>

Сучасні вимірювальні системи можуть дуже швидко ускладнюватися. Вченим, які працюють на передньому краї досліджень, часто доведеться об’єднувати прилади від кількох різних постачальників. Це проблематично, оскільки змішаними системами постачальників може бути складно працювати, і це може серйозно поставити під загрозу точність і повторюваність вимірювань, що проводяться.

Lake Shore Cryotronics вирішила ці невизначеності за допомогою системи MeasureReady M81-SSM (синхронне джерело та вимірювання), яка дозволяє одночасно керувати трьома джерелами та трьома вимірювальними модулями за допомогою одного центрального інструменту керування. M81-SSM використовує власну технологію MeasureSync Lake Shore, щоб забезпечити синхронне оновлення та дискретизацію всіх підключених модулів джерела та вимірювання в межах +/-10 нс один від одного з частотою дискретизації 375 кГц.

«Ми навмисно об’єднуємо можливості синхронного джерела та вимірювання», — пояснює Чак Сіміно, старший менеджер із продуктів у Lake Shore. «Це також дозволяє використовувати стандартну точність зразка, що характеризується, і забезпечує незмінно мінімальний рівень шуму».

Штаб-квартира компанії розташована у Вестервіллі, штат Огайо, і вже 56 років розробляє рішення для вимірювання та керування. «Ми маємо кілька запатентованих технологій у M81-SSM, які значною мірою забезпечують чудову синхронізацію, змішане джерело постійного та змінного струму та вимірювання, а також більш плавну/швидшу зміну діапазону вимірювання напруги», – додає він.

Серцем M81-SSM є контролер, який на даний момент підтримує чотири різні типи джерел і вимірювальних модулів: модуль джерела постійної напруги; збалансований або диференціальний модуль джерела постійного струму; модуль вимірювання напруги вхідного опору більше 1 ТОм; і модуль вимірювання струму типу напруги нульового зміщення з вбудованим програмованим зміщенням постійного струму. Cimino каже, що для розширення можливостей системи розробляються модулі більш специфічного типу.

Надзвичайно малошумна робота

Усі модулі M81-SSM містять електроніку лінійного підсилювача, яка живиться від високоізольованих лінійних джерел живлення. Сіміно каже, що результатом є надзвичайно низький рівень шуму, який перевершує багато найкращих звичайних однокорпусних джерело-вимірювальних приладів, включаючи низку часто використовуваних підсилювачів з блокуванням.

M81-SSM був розроблений із самого початку, щоб охопити найширший можливий діапазон додатків визначення характеристик напруги та струму з мінімально можливим шумом і найшвидшою конфігурацією та налаштуванням для вимірювання зразків у кріогенних умовах та/або експериментальних середовищах із сильним полем. Компанія Lake Shore має великий досвід визначення матеріалів і пристроїв у цих та інших екстремальних середовищах, а також повністю використала власну технологію кондиціонування сигналу та вимірювання, а також досвід компанії вчених у сфері застосування при розробці M81-SSM.

Ця здатність сигналу з низьким споживанням енергії та низьким рівнем шуму робить M81-SSM дуже корисним для вимірювання ефектів магнітного поля за допомогою різних структур Холла та датчиків магнітного поля. Ці пристрої використовуються в ряді застосувань, у тому числі в експериментах із спіновим транспортом і дослідженні надпровідних матеріалів при кріогенних температурах. Крім проведення вимірювань при дуже низьких температурах і зведення до мінімуму самонагрівання, M81-SSM також може характеризувати матеріали в кімнатних і дуже високотемпературних середовищах, уникаючи теплових зміщень через джерело змінного струму з блокуванням виявлення.

Вимірювання за шкалою Холла, які використовуються для дуже точних вимірювань електричного опору зразка, можна дуже ефективно виконувати за допомогою комбінації джерела диференціального струму M81-SSM і модуля вимірювання напруги. Звичайні чотирипровідні програми вимірювання опору також виграють від цих малошумних і малопотужних повністю диференціально підключених модулів.

Модульний характер M81-SSM і здатність модулів легко перемикатися між режимами детектування змінного струму (до 100 кГц), постійного струму та блокування надає користувачам велику гнучкість у типах вимірювань, які можна виконувати без перемикання між або модифікація спеціального обладнання лише для постійного та змінного струму. Ця модульність і гнучкість також означає, що M81-SSM можна використовувати для тестування кількох пристроїв в ідентичних умовах для отримання незмінних результатів.

Модуль вимірювання напруги VM-10 може детектувати сигнали з низького нановольтного діапазону до 10 В. Він працює від постійного струму до 100 кГц і може детектувати амплітуду, фазу та гармоніки. Модуль вимірювання струму СМ-10 може реєструвати струми в діапазоні від фемтоамперів до 100 мА. Вимірювання струму можна проводити від постійного струму до 100 кГц і включає виявлення амплітуди, фази та гармонік.

Модуль симетричного джерела струму BCS-10 програмується від 100 фА до 100 мА від постійного струму до синусоїдального виходу 100 кГц, тоді як модуль джерела напруги VS-10 забезпечує програмовані напруги від 1 мкВ постійного струму/100 нВ змінного струму до ± 10 В з постійним струмом до 100 кГц синусоїдальний вихід.

Прилад контролера пропонує низку цифрових з’єднань, включаючи USB, GPIB і Ethernet, а також взаємодію із зовнішніми опорними джерелами або детекторами. Контролер і модулі є компактними настільними приладами, які також можна встановити в стійку.

Синхронізація та інтеграція

Завдяки високому ступеню синхронізації та інтеграції джерел і вимірювальних можливостей, M81-SSM може зменшити кількість окремих приладів, у багатьох випадках лише до системи M81-SSM, необхідних для проведення точних вимірювань. Цей рівень інтеграції також мінімізує кількість і довжину кабелів, які зазвичай використовуються для підключення окремих джерел, вимірювальних приладів і зразків. Ця інтеграція дозволяє уникнути появи паразитних ефектів, таких як витік, шум, опір і реактивний опір, які можуть значно погіршити вимірювання.

Віддалені модулі підключаються до основного приладу за допомогою стандартних 2-метрових завадостійких силових і сигнальних кабелів, які за бажанням можна подовжити до 6 метрів між приладом і будь-яким модулем. Це означає, що модулі можна розмістити дуже близько до місця, де проводяться вимірювання, наприклад, на станції кріогенного зонду. «Назва гри в вимірюваннях низького рівня — мінімізувати довжину кабелів рівня сигналу», — говорить Сіміно. «За допомогою M81-SSM ви можете розмістити модулі підсилювача безпосередньо біля зразка, якщо хочете».

Модульний характер системи означає, що широкий спектр конфігурацій можна створити простою заміною підключених модулів. Це робить M81-SSM надзвичайно гнучкою системою, а її продуктивність є більш передбачуваною, ніж установки, побудовані з кількох окремих приладів і приладів від різних постачальників. Крім того, вся система підтримується одним постачальником, що робить обслуговування клієнтів і технічну допомогу простішими та оптимізованішими.

M81-SSM використовує запатентовану аналогову систему для передачі сигналів між контролером і його модулями. Сіміно пояснює, що це тримає шумні цифрові схеми подалі від чутливих аналогових схем у модулях. Це також мінімізує помилки заземлення та забезпечує тісну синхронізацію всіх модулів.

Спеціальні АЦП і ЦАП

Сигнали від максимум трьох підключених вимірювальних модулів оцифровуються в контролері спеціальними аналого-цифровими (АЦП) перетворювачами. Вихідні сигнали від трьох вихідних модулів визначаються контролером спеціальними цифро-аналоговими перетворювачами (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="Точний час M81-SSM може синхронізувати до трьох вимірювальних модулів і трьох джерельних модулів за допомогою технології MeasureSync від Lake Shore. (З дозволу: Lake Shore Cryotronics)” title=”Натисніть, щоб відкрити зображення у спливаючому вікні” 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 і ЦАП запускаються наростаючим фронтом спільного тактового сигналу MeasureSync. MeasureSync — це запатентована система синхронізації сигналу Lake Shore, яка використовує загальний тактовий сигнал 375 кГц для оновлення та зчитування всіх модулів, забезпечуючи безперервну вибірку даних на кожному підключеному каналі замість типових мультиплексованих багатоканальних альтернатив.

Під час проміжків між фронтами тактової частоти дискретизації дані АЦП зчитуються контролером, а ЦАП налаштовані на надання наступних вихідних значень. Результатом є повна синхронізація та безперервна дискретизація до шести підключених каналів підсилювача – це означає, що кілька синхронізованих вимірювань можна проводити паралельно. Кожен канал можна налаштувати для виконання вимірювань змінного струму, постійного струму або синхронізації. Необроблені зразки збираються та обробляються зі швидкістю 375 кілосемплів на секунду (kSa/s), а завершені вимірювання передаються через LAN, USB або GPIB на головний ПК зі швидкістю до 5 тисяч записів на секунду або сумарною швидкістю для 3 вимірювальних каналів по 15 тисяч вимірювань на другий.

Такий високий ступінь синхронізації між джерелом і вимірюванням означає, що M81-SSM можна використовувати для виконання вимірювань з блокуванням, які можуть вилучати дуже слабкі сигнали з шумного фону. Це суттєва перевага для користувачів, оскільки фіксовані вимірювання зазвичай виконуються за допомогою спеціального інструменту фіксованого підсилювача, призначеного лише для вимірювань змінного струму.

Блокування одним натисканням кнопки

«Я продемонстрував деяким зацікавленим клієнтам основні можливості M81-SSM, і вони запитали: «А де ж підсилювач з блокуванням?», — каже Сіміно. «Спочатку вони просто бачать компактні модулі та елементи контролера, і я повинен пояснити, що блокування реалізовано цифровим способом. «Це блокування одним натисканням кнопки» — це захоплена відповідь, яку я отримав від кількох потенційних користувачів».

Сіміно додає, що як новачки, так і експерти цінують те, наскільки просто та інтуїтивно зрозуміло Lake Shore налаштував інтерфейс користувача. Щодо досвідчених користувачів, Сіміно каже, що «один користувач M81-SSM прийняв наш драйвер Python як стандартний драйвер своєї групи для всього свого обладнання. Йому просто сподобалося, як ми абстрагували елементи керування M81-SSM у нашому драйвері Python».

«Або, якщо ви взагалі не хочете програмувати, наше програмне забезпечення MeasureLINK дозволяє вам просто перетягувати високорівневі джерела та команди вимірювання для потокової передачі даних або проведення довготривалого тестування», — каже Сіміно. «Якщо ви хочете маніпулювати магнітним полем або температурою зразка під час проведення електричних вимірювань, ви можете зробити це без програмування».

Cimino описує інтерфейс користувача M81-SSM як «доступний для виявлення» і що будь-якому користувачеві смартфона (тобто «кожному») було б зручно ним користуватися. «Кожен модуль представлений в інтерфейсі, і коли ви клацаєте на модулі, ви бачите віртуальну передню панель цього інструменту», — пояснює він. Налаштування за замовчуванням в інтерфейсі відповідають найпоширенішим вимірюванням, але користувачі також можуть легко переміщатися по інтерфейсу для керування M81-SSM у спосіб, який відповідає їх рівню навичок і вимогам до вимірювань. І як для початківців, так і для досвідчених користувачів, Lake Shore надає підтримку команди інженерів із застосуванням рівня PhD.

«M81-SSM є результатом п’яти років справді наполегливої ​​роботи команди інженерів і прикладних програм Лейк-Шор», — каже Сіміно, додаючи, що позитивні відгуки спільноти користувачів свідчать про те, що це було варте зусиль.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/