Программа для автоматизации измерения

Управляющая программа во время измерения производит следующие действия:

· Задаёт развёртку амплитуды или частоты тока, подаваемого на образец.

· По мере необходимости подстраивает усиление и/или чувствительность на предусилителе и lock-in amplifier-е.

· Измеряет амплитуду сигнала на шунте, и рассчитывает амплитуду тока.

· Измеряет частоту тока, поданного на образец, как частоту опорного сигнала у lock-in amplifier-а.

· Вычисляет необходимую фазу захвата сигнала с образца. При этом учитывает сдвиг фазы между током и суммарным напряжением на шунте, и сдвиг фазы на предусилителе.

· Измеряет мгновенное значение сигнала с образца при необходимой фазе относительно сигнала с шунта.

Пользовательский интерфейс программы и настройки

Главное окно программы содержит следующие кнопки:

· «Start/Stop» – остановить/запустить измерение.

· «Config…» – переключиться в окно конфигурации.

· «Save…» – записать результаты измерения в файл.

· «Clear» – отчистить буфер с результатами измерения.

На графиках отображается измеренная зависимость активного напряжения на образце от тока и частоты.

В окне с конфигурацией можно указать значения параметров:

· Номер гармоники.

· Заданное значение тока. Используется, если нет развёртки по току.

· Заданное значение частоты. Используется, если нет развёртки по частоте.

· Режим развёртки. Может принимать значения: нет развёртки (только запись), развёртка по току, развёртка по частоте.

· Параметры развёртки по току (начальное значение, конечное значение, шаг).

· Параметры развёртки по частоте (начальное значение, конечное значение).

Формат файла с результатами измерений

Результаты измерения сохраняются в файл формата CSV. Первой строкой идут заголовки столбцов с указанием величины и размерности. Далее идут данные. Записываются величины: ток, частота, суммарное напряжение на образце, активное напряжение, реактивное напряжение на образце.

Порядок проведения измерения

Для проведения измерения на настроенном стенде требуется выполнить следующие действия:

· Установка образца в оснастку с прижимными контактами: припаять к образцу токовые контакты; поместить образец под потенциальные контакты; затянуть винты для фиксации контактов на образце; установить фиксатор токовых контактов; подключить провода от приборов к потенциальным и к токовым контактам.

· Охлаждение образца: поместить оснастку с образом в криостат; залить азот. Необходимо чтобы во время всего измерения в азоте находился образец и токовые контакты.

· Запуск измерения: включить приборы; запустить программу для автоматизации измерения; указать параметры развёртки (ток или частота; начальное значение, конечное значение, шаг); в интерфейсе программы нажать кнопку «Start/Stop». Далее можно будет наблюдать процесс измерения.

· Просмотр и сохранение результатов: результат измерения, т.е. вольтамперная характеристика образца, будет отображен на графике в главном окне программы. Данные можно сохранить в файл, для этого надо нажать «Save…», появится стандартный диалог для указания имени сохраняемого файла.

· После измерения: закрыть программу; выключить приборы; оснастку с образцом достать из криостата; открепить образец; отогреть образец до комнатной температуры.

Приложение. Взаимосвязь между фазами напряжений и токов

Найдём соотношения между фазами напряжений (активного, реактивного, суммарного) и тока в цепи. В измерительной цепи есть образец, активное напряжение на котором нам нужно, и шунт, который будем использовать для определения фазы и величины тока в цепи.

Сначала рассмотрим образец. Полное напряжение есть сумма активного и реактивного напряжений:

здесь фаза указана относительно фазы тока:

«В лоб» можем измерить суммарное напряжение, тогда как нужно только активное. Можно видеть, что при фазе ω t активное напряжение максимально, а реактивное напряжение равно нулю. Т.е. нужно измерить напряжение в той же фазе, в которой ток. Далее вопрос сводится к тому, чтобы найти фазу тока.

Далее рассмотрим шунт. На шунте тоже активное и реактивное напряжение, «в лоб» измеряется суммарное напряжение. Запишем напряжение на шунте в комплексной форме:

Отсюда автоматически получаем, что напряжение будет сдвинуто относительно тока на фазу:

На эту же фазу будет сдвинуто активное напряжение относительно тока. Этот сдвиг фаз также можно выразить в виде:

Следует заметить, что ω – круговая частота, равная 2π f, f – обычная частота.

Рис. Схема измерительной цепи.

Приложение. Градуировка предусилителя SR560

Для предусилителя представляет интерес следующая дополнительная информация:

· Амплитудно-частотные характеристики встроенного фильтра.

· Точность, с которой задаётся коэффициент усиления.

· Сдвиг фазы сигнала.

Тест на амплитудно-частотную характеристику встроенного фильтра. Сам по себе фильтр нужен чтобы отсеивать высокочастотный «мусор». Представляет интерес: полоса пропускания от 10 до 300 Гц, сохранение амплитуды сигнала с точностью не хуже 2-х знаков. Для проведения теста на вход предусилителю подключался генератор сигналов Agilent 33220a, а на выход предусилителю мультиметр Agilent 34401a в режиме измерения переменного напряжения. На генераторе сигналов задано: монохроматический синусоидальный сигнал, частота 133 Гц, амплитуда 100 мВ (соответствующее действующее напряжение 70.71 мВ). У предусилителя коэффицент усиления был задан 1, остальные настройки оставлены по умолчанию. Далее изменяли частоту среза фильтров, измеряли напряжение на выходе предусилителя. Результат показан на рис. Вольтметр, будучи подключенным прямо к генератору, показывал: 70.59 мВ (у вольтметра на входе есть свой high-pass фильтр).

Рис. Напряжение на выходе предусилителя в зависимости от частоты среза фильтров (сырые данные). ● – данные для low-pass фильтра, ○ – данные для high-pass фильтра, + – входной сигнал.

Рис. Коэффициент пропускания в зависимости от частоты среза фильтра. ● – данные для low-pass фильтра, ○ – данные для high-pass фильтра.

На основе этого теста и теста на зависимость уровня остающегося шума от частоты среза low-pass фильтра на реальном сигнале выбраны рабочие частоты среза фильтров: 1 Гц и 3 кГц (амплитудно-частотная харарактеристика фильтров показана на рис.).

Рис. Амплитудно-частотная характеристика фильтров.

Тест на сдвиг фазы сигнала. Схема включения приборов для определения сдвига фазы сигнала предусилителем показана на рис. На вход предусилителю включается генератор сигналов Agilent 33220a, выход предусилителя подключается lock-in-у в опорный канал, сигнал с генератора дублируется lock-in-у в основной канал. Мультиметр Agilent 34401a, в режиме измерения переменного напряжения, служит для контроля уровня сигнала. Lock-in включается в режим работы от внешнего опорного сигнала с автоопределением фазы срабатывания (прибор автоматически подбирает фазу срабатывания такую, при которой показания канала X совпадают с действующим значением сигнала во входном канале, а показания канала Y близки к нулю). Полученная фаза срабатывания является разницей фаз сигналов в основном и в опорном канале, и даёт сдвиг фазы сигнала предусилителем. При выполнении теста у предусилителя были следующие настройки: частоты среза фильтров 1 Гц и 3 кГц, остальные настройки по умолчанию. Полученная зависимость сдвига фазы от частоты приведена на рис. Эта зависимость используется при измерениях для коррекции сдвига фазы на предусилителе.