Реализация

В основе стенда лежит lock-in amplifier, который захватывает мгновенное значение измеряемого сигнала при заданной фазе опорного сигнала.

Схема измерительного стенда показана на рис. На образец подаётся переменный ток, с заданной частотой и амплитудой. Сигнал с образца снимается 4-х-контактным методом, и подаётся lock-in amplifier-у в измерительный канал. При помощи шунта снимается информация о фазе, частоте, и амплитуде тока, протекающего через образец. Сигнал с шунта фильтруется и усиливается при помощи предусилителя, и подаётся lock-in amplifier-у в опорный канал. На основе данных о частоте сигнала и параметров шунта вычисляется необходимая фаза захвата, и производится измерение. Сигнал с предусилителя дублируется на вольтметр, при помощи которого контролируется коэффициент усиления предусилителя, и измеряется амплитуда сигнала с шунта.

Измерение производится в автоматическом режиме. Работа приборов управляется с компьютера.

Основные параметры стенда (в базовой конфигурации):

• Амплитуда тока: до 300 А с шагом 1 А.

• Диапазон частот: от 40 до 300 Гц.

• Оснастка с прижимными контактами на ленту позволяет промерять ВАХ лент длиной от 5 до 10 см и шириной до 1 см.

• Измерение проводится при температуре жидкого азота.

• Результаты измерений сохраняются в файл формата CSV.

В стенде использованы следующие приборы: источник переменного тока Cryotrade IT500; шунт градуированный 75 мВ на 300 А; предусилитель Stanford Research SR560; lock-in amplifier Ametek (Signal Recovery) 7265; мультиметр Agilent 34401A.

Рис. Функциональная схема стенда для измерения вольтамперных характеристик на переменном токе.

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).