Wzmacniacz Lock-in VHFLI Zurich Instruments 50 MHz / 200 MHz

Opis

Wzmacniacz homodynowy Zurich Instruments VHFLI (lock-in) jest cyfrowym, wielofunkcyjnym przyrządem pomiarowym przeznaczonym do pracy w zakresie częstotliwości od DC do 50 MHz, z możliwością rozszerzenia do 200 MHz po zastosowaniu opcji VHF-F200M.

Zaprojektowany z myślą o najwyższej klasie parametrów analogowych, VHFLI bazuje na sprawdzonych rozwiązaniach wcześniejszych generacji urządzeń, które jako jedne z pierwszych integrowały pętle sprzężenia zwrotnego, pracę wieloczęstotliwościową, generację przebiegów dowolnych oraz analizę wstęg bocznych (sideband analysis).

Korzystając z wzmacniacza synchronicznego VHFLI, użytkownik może:

• obserwować sygnał jednocześnie z wielu perspektyw dzięki równoczesnej pracy takich narzędzi jak oscyloskop (Scope), moduł przemiatania częstotliwości (Sweeper), analizator widma (Spectrum Analyzer) i innych modułów pomiarowych;
• tworzyć złożone sekwencje pomiarowe poprzez synchronizację impulsów, sygnałów wyzwalających, pomiarów oraz regulatorów z wykorzystaniem modułu LabOne Timeline Module;
• szybko konfigurować precyzyjne, wielokanałowe pomiary prądu i napięcia przy zachowaniu wyjątkowo niskiego poziomu szumów własnych;
• rejestrować bardzo szybkie zmiany sygnałów dzięki krótkim stałym czasowym filtrów oraz zwiększonej przepustowości akwizycji danych;
• efektywnie pracować z wykorzystaniem graficznego środowiska LabOne GUI oraz interfejsów programistycznych (API), zapewniających intuicyjną obsługę i gotowe do zastosowań laboratoryjnych procedury pomiarowe;
• uzyskiwać wysoką integralność sygnałów dzięki zastosowaniu różnicowych wejść pomiarowych;
• wykonywać operacje matematyczne na sygnałach przy użyciu wbudowanej jednostki Arithmetic Unit;
• korzystać z zaawansowanych możliwości pomiarowych oferowanych przy konkurencyjnym stosunku możliwości do ceny.

W standardowym wyposażeniu wzmacniacza synchronicznego VHFLI znajduje się oprogramowanie sterujące LabOne®, które dzięki rozbudowanemu graficznemu interfejsowi użytkownika znacząco ułatwia konfigurację urządzenia oraz prowadzenie pomiarów. Oprogramowanie zapewnia pełną kontrolę nad wszystkimi funkcjami przyrządu, obejmującymi wzmacniacze homodynowe, dwukanałowy oscyloskop z funkcją FFT, układ przemiatania parametrycznego (Parametric Sweeper), analizator widma oraz wiele innych narzędzi analitycznych. Wszystkie funkcje urządzenia oraz mechanizmy akwizycji danych są również dostępne z poziomu interfejsów programistycznych, co ułatwia integrację z własnym oprogramowaniem. Obsługiwane są między innymi języki LabVIEW™, MATLAB®, C, .NET oraz Python.

Połączenie bardzo niskiego poziomu szumów wejściowych, szerokiego pasma analizy oraz krótkiej stałej czasowej filtrów dolnoprzepustowych sprawia, że VHFLI stanowi idealne narzędzie pomiarowe do najbardziej wymagających zastosowań związanych z analizą sygnałów.

Typowe obszary zastosowań obejmują:

• czujniki MEMS, NEMS oraz systemy detekcji kwantowej (quantum sensing);
• optykę i fotonikę, w tym spektroskopię Ramana, spektroskopię typu pump–probe, nanooptykomechanikę, optyczne pętle synchronizacji fazowej (Optical PLL) oraz spektroskopię w paśmie terahercowym (THz);
• analizę uszkodzeń z wykorzystaniem laserowej detekcji i obrazowania napięcia (Laser Voltage Probing and Imaging);
• badania materiałowe, obejmujące wyznaczanie ruchliwości nośników, koncentracji nośników oraz pomiary efektu Halla;
• mikroskopię z wykorzystaniem sond skanujących (Scanning Probe Microscopy), w tym mikroskopię sił atomowych (AFM), skaningową mikroskopię tunelową (STM) oraz mikroskopię sił magnetycznych (MFM).

Opcja VHF-F200M rozszerza zakres częstotliwości pracy wzmacniacza synchronicznego VHFLI Very High Frequency Lock-in Amplifier z 50 MHz do 200 MHz. Rozszerzenie funkcjonalności realizowane jest poprzez aktywację odpowiedniego klucza programowego (software key), dzięki czemu może zostać zainstalowane również w późniejszym terminie, już po zakupie urządzenia. Instalacja tej opcji jest całkowicie niezależna od pozostałych zainstalowanych opcji funkcjonalnych i nie wpływa na pozostałe parametry ani specyfikację techniczną przyrządu.

Opcja VHF-MD Multi-Demodulator rozszerza możliwości wzmacniacza synchronicznego VHFLI poprzez zwiększenie liczby demodulatorów do 8 oraz liczby oscylatorów do 8. Dzięki temu urządzenie może realizować zaawansowaną analizę wieloczęstotliwościową (multi-frequency analysis), w której każdy demodulator może pracować z inną, dowolnie wybraną częstotliwością oraz zostać przypisany do dowolnego wejścia pomiarowego. Zapewnia to dużą elastyczność konfiguracji zarówno podczas prowadzenia pomiarów, jak i generowania sygnałów.

Możliwość niezależnego ustawienia częstotliwości dla wszystkich ośmiu demodulatorów pozwala ponadto na generowanie sygnałów wielotonowych (multi-tone signals), dla których częstotliwość, faza oraz amplituda każdego tonu mogą być definiowane niezależnie. Funkcjonalność ta jest szczególnie przydatna w zaawansowanych eksperymentach wymagających jednoczesnej analizy wielu składowych częstotliwościowych, badania odpowiedzi układów na sygnały wielotonowe oraz realizacji złożonych procedur pomiarowych.

Opcja VHF-MOD Modulation Analysis umożliwia prowadzenie spójnej fazowo analizy sygnałów modulowanych zarówno na częstotliwości nośnej, jak i na częstotliwościach wstęg bocznych (sidebands), wykorzystując technikę detekcji synchronicznej (lock-in detection). Rozszerzenie to pozwala na generowanie częstotliwości odpowiadających wstęgom bocznym oraz realizację różnych analogowych metod modulacji, w tym przede wszystkim modulacji amplitudy (AM) oraz modulacji częstotliwości (FM).

Funkcjonalność opcji nie ogranicza się jednak wyłącznie do klasycznych technik modulacji. Umożliwia ona również realizację mieszania częstotliwości (frequency mixing), otwierając możliwość implementacji zaawansowanych układów heterodynowych oraz systemów wykorzystujących modulację parametryczną. Wszystkie funkcje dostępne w ramach opcji VHF-MOD mogą być konfigurowane w prosty i intuicyjny sposób z poziomu środowiska LabOne®, bez konieczności stosowania dodatkowego oprogramowania lub zewnętrznych narzędzi.

Opcja VHF-PID rozszerza funkcjonalność wzmacniacza synchronicznego VHFLI o możliwość tworzenia zaawansowanych układów regulacji z wykorzystaniem maksymalnie czterech niezależnych regulatorów PID. Praca pętli sprzężenia zwrotnego może być na bieżąco obserwowana, analizowana oraz optymalizowana z poziomu w pełni zintegrowanego środowiska LabOne®, które udostępnia narzędzia do strojenia parametrów regulatorów i monitorowania ich działania w czasie rzeczywistym.

Cztery regulatory PID są zaimplementowane bezpośrednio w urządzeniu i mogą wykorzystywać jako sygnały wejściowe wszystkie dostępne wielkości pomiarowe w całym zakresie częstotliwości pracy przyrządu, tj. od DC do 50 MHz, a po aktywacji opcji VHF-F200M – do 200 MHz. Równie szerokie są możliwości wyboru sygnałów wyjściowych sterowanych przez regulatory. Mogą one kontrolować między innymi amplitudę, częstotliwość, fazę oraz inne parametry sygnału, umożliwiając realizację złożonych układów automatycznej regulacji i stabilizacji w wymagających aplikacjach pomiarowych.

Opcja VHF-AWG (Arbitrary Waveform Generator) wyposaża wzmacniacz synchroniczny VHFLI w zaawansowane funkcje generacji dowolnych przebiegów (Arbitrary Waveform Generation), umożliwiając tworzenie i odtwarzanie złożonych sygnałów testowych o precyzyjnie zdefiniowanych parametrach. Rozszerzenie to integruje możliwości generowania sygnałów z funkcjami ich analizy, tworząc kompleksowe środowisko pomiarowe zarządzane z poziomu oprogramowania LabOne®.

Nowatorska koncepcja programowania generatora AWG pozwala na szybkie tworzenie i modyfikowanie przebiegów dostosowanych do indywidualnych wymagań aplikacji. Generowane sygnały mogą być wyprowadzane przez dwa kanały wyjściowe o paśmie 200 MHz, zapewniające 14-bitową rozdzielczość pionową, co umożliwia wierne odwzorowanie zarówno prostych, jak i bardzo złożonych przebiegów. Dzięki ścisłej integracji generatora AWG z pozostałymi funkcjami wzmacniacza synchronicznego możliwa jest realizacja zaawansowanych eksperymentów, w których generacja, synchronizacja i analiza sygnałów odbywają się w ramach jednego, spójnego środowiska pomiarowego.

Opcja VHF-BOX (Boxcar Averager) rozszerza funkcjonalność wzmacniacza synchronicznego VHFLI o dwa moduły uśredniania typu boxcar pracujące w paśmie 50 MHz lub, po aktywacji opcji VHF-F200M, 200 MHz. Rozwiązanie to pozwala znacząco zwiększyć szybkość wykonywania pomiarów oraz poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR – Signal-to-Noise Ratio) w aplikacjach wykorzystujących sygnały niesinusoidalne lub przebiegi o małym współczynniku wypełnienia (low duty-cycle waveforms). W przeciwieństwie do klasycznych metod opartych na digitizerach lub oscyloskopach, wyniki uzyskane z modułu boxcar są przesyłane w sposób ciągły zarówno w postaci danych cyfrowych, jak i analogowych sygnałów wyjściowych, dla których użytkownik może niezależnie definiować przesunięcie (offset) oraz współczynniki skalowania.

Konfiguracja pomiaru z wykorzystaniem modułu Boxcar Averager została zintegrowana z oprogramowaniem LabOne®, dzięki czemu proces konfiguracji jest intuicyjny i nie wymaga dodatkowych narzędzi. Położenie początku okna pomiarowego (gate start) oraz jego szerokość (gate width) mogą być łatwo określone poprzez bezpośrednią obserwację sygnału wejściowego z wykorzystaniem modułów Scope lub Sweeper. Dodatkowo możliwe jest zdefiniowanie drugiego okna odniesienia (baseline window), które służy do kompensacji zmian poziomu tła, ograniczenia wpływu dryftu sygnału oraz realizacji pomiarów różnicowych. W celu uzyskania optymalnego kompromisu pomiędzy szybkością pomiaru a stosunkiem sygnału do szumu wyniki mogą być uśredniane w zakresie od 1 do 1 000 000 kolejnych okresów, co pozwala dostosować parametry pomiarowe do wymagań konkretnej aplikacji.

Cyfrowy moduł VHF-BOX Boxcar Averager oferuje szereg istotnych zalet w porównaniu z klasycznymi analogowymi układami uśredniającymi typu boxcar. Zastosowanie cyfrowego przetwarzania sygnałów zapewnia wyższą dokładność i stabilność pomiarów, większą odporność na dryft parametrów oraz możliwość łatwej konfiguracji i automatyzacji procesu pomiarowego. Dzięki pełnej integracji z platformą LabOne® użytkownik może w prosty sposób definiować parametry okien pomiarowych, monitorować przebieg pomiarów w czasie rzeczywistym oraz wykorzystywać wyniki bezpośrednio w dalszych etapach cyfrowej analizy sygnałów. Cyfrowa architektura modułu umożliwia również elastyczne dostosowanie parametrów pomiarowych do wymagań konkretnej aplikacji, zapewniając wysoką powtarzalność wyników oraz łatwą integrację z pozostałymi funkcjami wzmacniacza synchronicznego VHFLI.