El M81-SSM de Lake Shore Cryotronics ofrece fuente y medición de CC, CA y bloqueo.
Los sistemas de medición actuales pueden volverse muy complicados muy rápidamente. Los científicos que trabajan en la vanguardia de la investigación a menudo tendrán que improvisar instrumentos de varios proveedores diferentes. Esto es problemático porque los sistemas de proveedores mixtos pueden ser difíciles de operar y esto puede comprometer seriamente la precisión y repetibilidad de las mediciones que se realizan.
Lake Shore Cryotronics ha abordado estas incertidumbres con su sistema MeasureReady M81-SSM (Fuente y medida sincrónicas), que permite operar simultáneamente hasta tres fuentes y tres módulos de medición mediante un único instrumento de control central. El M81-SSM utiliza la tecnología MeasureSync patentada de Lake Shore para garantizar que todos los módulos fuente y de medida conectados se actualicen y muestreen sincrónicamente con una diferencia de +/-10 ns entre sí a una frecuencia de muestreo de 375 kHz.
"Juntamos deliberadamente capacidades de fuente y medición sincrónicas", explica Chuck Cimino, gerente senior de productos en Lake Shore. "Esto también permite el uso de una referencia de precisión común para la muestra que se está caracterizando y garantiza un rendimiento de ruido mínimo y constante".
La empresa tiene su sede en Westerville, Ohio, y lleva 56 años desarrollando soluciones de medición y control. "Tenemos múltiples tecnologías patentadas en el M81-SSM que permiten una sincronización superior, suministro y medición combinados de CC y CA, y un cambio de rango de medición de voltaje más suave y rápido", agrega.
En el corazón del M81-SSM hay un instrumento controlador que actualmente admite cuatro tipos diferentes de módulos de fuente y medición: un módulo de fuente de voltaje constante; un módulo fuente de corriente constante balanceada o diferencial; un módulo de medición de tensión de impedancia de entrada superior a 1 TΩ; y un módulo de medición de corriente de tipo voltaje de compensación cero con polarización de CC programable incorporada. Cimino dice que se están desarrollando más módulos de tipo de aplicación específica para ampliar las capacidades del sistema.
Funcionamiento extremadamente silencioso
Todos los módulos M81-SSM contienen componentes electrónicos de amplificador lineal que funcionan con fuentes de alimentación lineales altamente aisladas. Cimino dice que el resultado es un funcionamiento con un ruido extremadamente bajo que supera a muchos de los mejores instrumentos fuente y de medida de caja única construidos convencionalmente, incluidos varios amplificadores lock-in de uso común.
El M81-SSM fue diseñado desde el principio para cubrir la gama más amplia posible de aplicaciones de caracterización de voltaje versus corriente con el menor ruido posible y una configuración y configuración más rápidas para medir muestras en entornos experimentales criogénicos y/o de alto campo. Lake Shore tiene una amplia experiencia en la caracterización de materiales y dispositivos en estos y otros entornos extremos y también ha aprovechado plenamente las tecnologías patentadas de medición y acondicionamiento de señales, así como la experiencia de los científicos de aplicaciones de la empresa, en el diseño del M81-SSM.
Esta capacidad de señal de baja potencia y bajo ruido hace que el M81-SSM sea muy útil para medir los efectos del campo magnético utilizando varias estructuras de barras Hall y sensores de campo magnético. Estos dispositivos se utilizan en diversas aplicaciones, incluidos experimentos de transporte de espín y el estudio de materiales superconductores a temperaturas criogénicas. Además de realizar mediciones a temperaturas muy bajas y minimizar el autocalentamiento, el M81-SSM también puede caracterizar materiales en ambientes interiores y de muy alta temperatura, evitando compensaciones térmicas mediante suministro de CA con detección de bloqueo.
Las mediciones de barra Hall, que se utilizan para realizar mediciones muy precisas de la resistencia eléctrica de una muestra, se pueden realizar de manera muy efectiva utilizando la combinación de fuente de corriente diferencial y módulo de medición de voltaje del M81-SSM. Las aplicaciones generales de medición de resistencia de cuatro cables también se benefician de estos módulos conectados totalmente diferenciales, de bajo ruido y baja potencia.
La naturaleza modular del M81-SSM y la capacidad de los módulos para cambiar fácilmente entre CA (hasta 100 kHz), CC y modos de detección de bloqueo brinda a los usuarios una gran flexibilidad en los tipos de mediciones que se pueden realizar sin cambiar entre o Modificación de instrumentación exclusiva de CC y CA. Esta modularidad y flexibilidad también significa que el M81-SSM se puede utilizar para probar múltiples dispositivos en condiciones idénticas para ofrecer resultados consistentes.
El módulo de medición de voltaje VM-10 puede detectar señales desde el rango bajo de nanovoltios hasta 10 V. Funciona desde CC hasta 100 kHz y puede detectar amplitud, fase y armónicos. El módulo de medición de corriente CM-10 puede detectar corrientes en el rango de femtoamperios a 100 mA. Las mediciones de corriente se pueden realizar desde CC hasta 100 kHz e incluyen detección de amplitud, fase y armónicos.
El módulo de fuente de corriente balanceada BCS-10 es programable desde 100 fA a 100 mA desde CC a salida sinusoidal de 100 kHz, mientras que el módulo de fuente de voltaje VS-10 proporciona voltajes programables desde 1 µV CC/100 nV CA hasta ± 10 V con CC a salida sinusoidal de 100 kHz.
El instrumento controlador ofrece una gama de conectividad digital que incluye USB, GPIB y Ethernet, así como interfaz con detectores o fuentes de referencia externas. El controlador y los módulos son instrumentos compactos de mesa que también pueden montarse en bastidor.
Sincronización e integración
Gracias a su alto grado de sincronización e integración de capacidades de abastecimiento y medición, el M81-SSM puede reducir la cantidad de instrumentos separados, en muchos casos solo al sistema M81-SSM, necesarios para realizar mediciones de precisión. Este nivel de integración también minimiza la cantidad y la longitud de los cables que normalmente se usan para conectar fuentes, instrumentos de medición y muestras separados. Esta integración evita la introducción de efectos parásitos, como fugas, ruido, resistencia y reactancia, todos los cuales pueden degradar significativamente las mediciones.
Los módulos remotos se conectan al instrumento principal a través de cables de señal y alimentación estándar inmunes al ruido de 2 m, que se pueden extender opcionalmente a un total de 6 m entre el instrumento y cualquier módulo. Esto significa que los módulos se pueden colocar muy cerca de donde se realizan las mediciones, como en una estación de sonda criogénica. "La clave del juego en las mediciones de bajo nivel es minimizar la longitud de los cables de nivel de señal", dice Cimino. "Con el M81-SSM puedes colocar los módulos amplificadores justo al lado de la muestra si lo deseas".
La naturaleza modular del sistema significa que se puede crear una amplia gama de configuraciones simplemente intercambiando los módulos conectados. Esto hace que el M81-SSM sea un sistema extremadamente flexible y su rendimiento es más predecible que las configuraciones creadas con múltiples instrumentos separados e instrumentos de diferentes proveedores. Además, todo el sistema cuenta con el respaldo de un solo proveedor, lo que simplifica y agiliza el servicio al cliente y la asistencia técnica.
El M81-SSM utiliza un sistema analógico patentado para transmitir señales entre el controlador y sus módulos. Cimino explica que esto mantiene los ruidosos circuitos digitales lejos de los sensibles circuitos analógicos de los módulos. Esto también minimiza los errores de tierra y garantiza la estrecha sincronización de todos los módulos.
ADC y DAC dedicados
Las señales de hasta tres módulos de medición conectados se digitalizan en el controlador mediante convertidores analógicos a digitales (ADC) dedicados. El controlador define las señales de salida de hasta tres módulos fuente mediante convertidores de digital a analógico (DAC) dedicados.
Los ADC y DAC se activan mediante el flanco ascendente de una señal de reloj de MeasureSync compartida. MeasureSync es el sistema de sincronización de señal pendiente de patente de Lake Shore que utiliza una señal de reloj común de 375 kHz para actualizar y leer todos los módulos, lo que permite un muestreo continuo de datos en cada canal conectado en lugar de las típicas alternativas multicanal multiplexadas.
Durante los intervalos entre los flancos del reloj de muestreo, el controlador lee los datos del ADC y los DAC se configuran para proporcionar los siguientes valores de salida. El resultado es la sincronización completa y el muestreo continuo de hasta seis canales de amplificador conectados, lo que significa que se pueden realizar varias mediciones sincronizadas en paralelo. Cada canal se puede configurar para realizar mediciones de CA, CC o de bloqueo. Las muestras sin procesar se adquieren y procesan a 375 kilomuestras por segundo (kSa/s) y las mediciones completadas se transmiten a través de LAN, USB o GPIB a una PC host a hasta 5 mil registros por segundo o una velocidad agregada para 3 canales de medición de 15 mil mediciones por segundo. segundo.
Este alto grado de sincronización entre la fuente y la medición significa que el M81-SSM se puede utilizar para realizar mediciones de bloqueo que pueden extraer señales muy débiles de fondos ruidosos. Este es un beneficio significativo para los usuarios porque las mediciones de bloqueo generalmente se realizan utilizando un instrumento amplificador de bloqueo exclusivo para mediciones de CA.
Bloqueo con solo tocar un botón
“He demostrado a algunos clientes interesados las capacidades principales del M81-SSM y me preguntan '¿dónde está el amplificador lock-in?'”, dice Cimino. “Al principio solo ven los módulos compactos y los elementos de control, y tengo que explicarles que el bloqueo se realiza digitalmente. 'Es un bloqueo con solo tocar un botón' es la respuesta entusiasta que recibí de múltiples usuarios potenciales”.
Cimino añade que tanto los principiantes como los expertos aprecian lo simple e intuitiva que Lake Shore ha configurado la interfaz de usuario. En el extremo del usuario experto del espectro, Cimino dice que “un usuario de M81-SSM ha adoptado nuestro controlador Python como controlador estándar de su grupo en todo su equipo. Simplemente le gustó la forma en que abstrajimos los controles del M81-SSM en nuestro controlador Python”.
"O si no desea programar en absoluto, nuestro software MeasureLINK le permite simplemente arrastrar y soltar comandos de fuente y medición de alto nivel para transmitir datos o realizar pruebas de larga duración", dice Cimino. "Si desea manipular un campo magnético o la temperatura de una muestra mientras realiza mediciones eléctricas, puede hacerlo sin programación".
Cimino describe la interfaz de usuario del M81-SSM como “detectable” y que cualquier usuario de teléfono inteligente (es decir, “todos”) se sentiría cómodo usándola. "Cada módulo está representado en la interfaz y cuando haces clic en un módulo, ves un panel frontal virtual para ese instrumento", explica. La configuración predeterminada en la interfaz corresponde a las mediciones más comunes, pero los usuarios también pueden navegar fácilmente por la interfaz para controlar el M81-SSM de una manera que coincida con su nivel de habilidad y requisitos de medición. Y tanto para el usuario novato como para el experto, Lake Shore brinda soporte de su equipo de ingenieros de aplicaciones con nivel de doctorado.
"El M81-SSM es el resultado de cinco años de trabajo realmente duro por parte de los equipos de ingeniería y aplicaciones de Lake Shore", afirma Cimino, y añade que las respuestas positivas de la comunidad de usuarios sugieren que bien valió la pena el esfuerzo.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/