Le M81-SSM de Lake Shore Cryotronics offre une source et une mesure CC, CA et verrouillées.
Les systèmes de mesure actuels peuvent devenir très compliqués très rapidement. Les scientifiques travaillant à la pointe de la recherche devront souvent bricoler des instruments provenant de plusieurs fournisseurs différents. Ceci est problématique car les systèmes mixtes peuvent être difficiles à utiliser, ce qui peut sérieusement compromettre la précision et la répétabilité des mesures effectuées.
Lake Shore Cryotronics a résolu ces incertitudes avec son système MeasureReady M81-SSM (Synchronous Source and Measure), qui permet de faire fonctionner simultanément jusqu'à trois sources et trois modules de mesure par un seul instrument de contrôle central. Le M81-SSM utilise la technologie exclusive MeasureSync de Lake Shore pour garantir que tous les modules de source et de mesure connectés sont mis à jour de manière synchrone et bien échantillonnés à +/- 10 ns les uns des autres à une fréquence d'échantillonnage de 375 kHz.
«Nous avons délibérément regroupé les capacités de source et de mesure synchrones», explique Chuck Cimino, chef de produit senior chez Lake Shore. "Cela permet également d'utiliser une référence de précision commune à l'échantillon caractérisé et garantit des performances de bruit constamment minimales."
La société a son siège à Westerville, Ohio et développe des solutions de mesure et de contrôle depuis 56 ans. « Nous disposons de plusieurs technologies brevetées dans le M81-SSM qui permettent une synchronisation supérieure, une source et une mesure mixtes DC et AC, ainsi qu'un changement de plage de mesure de tension plus fluide et plus rapide », ajoute-t-il.
Au cœur du M81-SSM se trouve un instrument de contrôle qui prend actuellement en charge quatre types différents de modules de source et de mesure : un module source à tension constante ; un module source de courant constant équilibré ou différentiel ; un module de mesure de tension d'impédance d'entrée supérieure à 1 TΩ ; et un module de mesure de courant de type tension à décalage nul avec polarisation CC programmable intégrée. Cimino indique que des modules de type plus spécifiques aux applications sont en cours de développement pour étendre les capacités du système.
Fonctionnement extrêmement silencieux
Tous les modules M81-SSM contiennent des composants électroniques d'amplificateur linéaire alimentés par des alimentations linéaires hautement isolées. Cimino affirme que le résultat est un fonctionnement extrêmement silencieux qui dépasse la plupart des meilleurs instruments de source et de mesure à boîtier unique de construction conventionnelle, y compris un certain nombre d'amplificateurs verrouillables couramment utilisés.
Le M81-SSM a été conçu dès le départ pour couvrir la gamme la plus large possible d'applications de caractérisation tension/courant avec le bruit le plus faible possible et une configuration et une configuration les plus rapides pour mesurer des échantillons dans des environnements d'expérimentation cryogéniques et/ou à champ élevé. Lake Shore possède une vaste expérience dans la caractérisation des matériaux et des dispositifs dans ces environnements extrêmes et dans d'autres et a également pleinement exploité les technologies exclusives de conditionnement et de mesure du signal, ainsi que l'expertise des scientifiques d'application de l'entreprise, dans la conception du M81-SSM.
Cette capacité de signal de faible puissance et à faible bruit rend le M81-SSM très utile pour mesurer les effets du champ magnétique à l'aide de diverses structures à barres de Hall et de capteurs de champ magnétique. Ces dispositifs sont utilisés dans un certain nombre d'applications, notamment les expériences de transport de spin et l'étude des matériaux supraconducteurs à des températures cryogéniques. En plus d'effectuer des mesures à très basses températures tout en minimisant l'auto-échauffement, le M81-SSM peut également caractériser les matériaux dans des environnements ambiants et à très haute température, évitant ainsi les décalages thermiques via une source CA avec détection de verrouillage.
Les mesures de barre de Hall, qui sont utilisées pour effectuer des mesures très précises de la résistance électrique d'un échantillon, peuvent être effectuées de manière très efficace en utilisant la combinaison de source de courant différentiel et de module de mesure de tension du M81-SSM. Les applications générales de mesure de résistance à quatre fils bénéficient également de ces modules connectés entièrement différentiels, à faible bruit et à faible consommation.
La nature modulaire du M81-SSM et la capacité des modules à basculer facilement entre les modes de détection AC (jusqu'à 100 kHz), DC et lock-in offrent aux utilisateurs une grande flexibilité dans les types de mesures qui peuvent être effectuées sans permuter entre ou modification de l'instrumentation dédiée DC et AC uniquement. Cette modularité et cette flexibilité signifient également que le M81-SSM peut être utilisé pour tester plusieurs appareils dans des conditions identiques afin de fournir des résultats cohérents.
Le module de mesure de tension VM-10 peut détecter des signaux de la faible plage nanovolt jusqu'à 10 V. Il fonctionne du courant continu jusqu'à 100 kHz et peut détecter l'amplitude, la phase et les harmoniques. Le module de mesure de courant CM-10 peut détecter des courants compris entre le femtoampère et 100 mA. Les mesures de courant peuvent être effectuées de DC à 100 kHz et incluent la détection d'amplitude, de phase et d'harmoniques.
Le module source de courant équilibré BCS-10 est programmable de 100 fA à 100 mA de sortie sinusoïdale CC à 100 kHz, tandis que le module source de tension VS-10 fournit des tensions programmables de 1 µV CC/100 nV CA jusqu'à ± 10 V avec CC. à une sortie sinusoïdale de 100 kHz.
L'instrument contrôleur offre une gamme de connectivité numérique, notamment USB, GPIB et Ethernet, ainsi qu'une interface avec des sources de référence ou des détecteurs externes. Le contrôleur et les modules sont des instruments de table compacts qui peuvent également être montés en rack.
Synchronisation et intégration
Grâce à son haut degré de synchronisation et d'intégration des capacités d'approvisionnement et de mesure, le M81-SSM peut réduire le nombre d'instruments séparés, dans de nombreux cas au seul système M81-SSM, requis pour effectuer des mesures de précision. Ce niveau d'intégration minimise également le nombre et la longueur des câbles généralement utilisés pour connecter des sources, des instruments de mesure et des échantillons distincts. Cette intégration évite l’introduction d’effets parasites – tels que les fuites, le bruit, la résistance et la réactance – qui peuvent tous dégrader considérablement les mesures.
Les modules distants sont connectés à l'instrument principal via des câbles d'alimentation et de signal standard de 2 m, insensibles au bruit, qui peuvent en option être étendus jusqu'à 6 m au total entre l'instrument et n'importe quel module. Cela signifie que les modules peuvent être placés très près de l'endroit où les mesures sont effectuées, comme dans une station de sonde cryogénique. "Le but du jeu dans les mesures de bas niveau est de minimiser la longueur des câbles de niveau de signal", explique Cimino. "Avec le M81-SSM, vous pouvez placer les modules amplificateurs juste à côté de l'échantillon si vous le souhaitez."
La nature modulaire du système signifie qu'une large gamme de configurations peut être créée en échangeant simplement les modules connectés. Cela fait du M81-SSM un système extrêmement flexible et ses performances sont plus prévisibles que des configurations composées de plusieurs instruments distincts et d'instruments provenant de différents fournisseurs. De plus, l’ensemble du système est pris en charge par un seul fournisseur, ce qui simplifie et rationalise le service client et l’assistance technique.
Le M81-SSM utilise un système analogique breveté pour transmettre des signaux entre le contrôleur et ses modules. Cimino explique que cela éloigne les circuits numériques bruyants des circuits analogiques sensibles des modules. Cela minimise également les erreurs au sol et garantit la synchronisation étroite de tous les modules.
ADC et DAC dédiés
Les signaux provenant d'un maximum de trois modules de mesure connectés sont numérisés dans le contrôleur par des convertisseurs analogique-numérique (ADC) dédiés. Les signaux de sortie provenant d'un maximum de trois modules sources sont définis par le contrôleur par des convertisseurs numérique-analogique (DAC) dédiés.
Les ADC et DAC sont déclenchés par le front montant d'un signal d'horloge MeasureSync partagé. MeasureSync est le système de synchronisation de signal en instance de brevet de Lake Shore qui utilise un signal d'horloge commun de 375 kHz pour mettre à jour et lire tous les modules – permettant un échantillonnage continu des données sur chaque canal connecté plutôt que les alternatives multicanaux multiplexées typiques.
Pendant les intervalles entre les fronts de l'horloge d'échantillonnage, les données ADC sont lues par le contrôleur et les DAC sont configurés pour fournir les valeurs de sortie suivantes. Le résultat est une synchronisation complète et un échantillonnage continu de jusqu'à six canaux d'amplificateur connectés, ce qui signifie que plusieurs mesures synchronisées peuvent être effectuées en parallèle. Chaque canal peut être configuré pour effectuer des mesures AC, DC ou verrouillées. Les échantillons bruts sont acquis et traités à 375 kilosamples par seconde (kSa/s) et les mesures terminées sont transmises via LAN, USB ou GPIB à un PC hôte jusqu'à 5 3 enregistrements par seconde ou un débit global pour 15 canaux de mesure de XNUMX XNUMX mesures par seconde. deuxième.
Ce haut degré de synchronisation entre la source et la mesure signifie que le M81-SSM peut être utilisé pour effectuer des mesures verrouillées qui peuvent extraire des signaux très faibles d'arrière-plans bruyants. Il s'agit d'un avantage significatif pour les utilisateurs, car les mesures de verrouillage sont généralement effectuées à l'aide d'un instrument amplificateur de verrouillage dédié aux mesures CA uniquement.
Verrouillage par simple pression sur un bouton
« J'ai démontré à certains clients intéressés les principales capacités du M81-SSM et ils me demandent « alors, où est l'amplificateur de verrouillage ? » », explique Cimino. « Au départ, ils ne voient que les modules compacts et les éléments de commande, et je dois leur expliquer que le verrouillage est implémenté numériquement. "C'est un verrouillage sur simple pression d'un bouton", telle est la réponse enthousiaste que j'ai reçue de plusieurs utilisateurs potentiels.
Cimino ajoute que les novices comme les experts apprécient la façon dont Lake Shore a configuré l'interface utilisateur de manière simple et intuitive. Du côté des utilisateurs experts, Cimino déclare qu'« un utilisateur du M81-SSM a adopté notre pilote Python comme pilote standard de son groupe sur l'ensemble de son équipement. Il a juste aimé la façon dont nous avons abstrait les commandes M81-SSM dans notre pilote Python.
« Ou si vous ne souhaitez pas programmer du tout, notre logiciel MeasureLINK vous permet de simplement glisser-déposer des commandes de source et de mesure de haut niveau pour diffuser des données ou effectuer des tests de longue durée », explique Cimino. "Si vous souhaitez manipuler un champ magnétique ou la température d'un échantillon tout en effectuant des mesures électriques, vous pouvez le faire sans programmation."
Cimino décrit l'interface utilisateur du M81-SSM comme étant « découvrable » et que tout utilisateur de smartphone (c'est-à-dire « tout le monde ») serait à l'aise pour l'utiliser. « Chaque module est représenté dans l'interface et lorsque vous cliquez sur un module, vous voyez une face-avant virtuelle de cet instrument », explique-t-il. Les paramètres par défaut de l'interface correspondent aux mesures les plus courantes, mais les utilisateurs peuvent également naviguer facilement dans l'interface pour contrôler le M81-SSM d'une manière qui correspond à leur niveau de compétence et à leurs exigences de mesure. Et pour les utilisateurs novices et experts, Lake Shore fournit le soutien de son équipe d'ingénieurs d'application de niveau doctorat.
« Le M81-SSM est le résultat de cinq années de travail acharné de la part des équipes d'ingénierie et d'application de Lake Shore », déclare Cimino, ajoutant que les réponses positives de la communauté des utilisateurs suggèrent que l'effort en valait la peine.
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- La source: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/