用于同步、准确的材料特性测量的集成测量系统和方法与流程

用于同步、准确的材料特性测量的集成测量系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求授予fortney的于2020年7月28日提交的题为“synchronous source measure systems and methods”的美国临时专利申请no.63/057,745；授予fortney的于2020年4月28日提交的题为“advanced analog-to-digital conversion systems and methods”的美国临时专利申请no.63/016,747；以及授予fortney的于2020年6月3日提交的题为“advanced digital-to-analog signal generation systems and methods”的美国临时专利申请no.63/034,052的优先权，其中每一个通过引用全部并入本文。
技术领域
3.本公开涉及用于信号来源和信号测量的电子器件、分析仪器、软件和设施。更具体地，本公开涉及能够在可造成高水平噪声和干扰的挑战性实验条件下测量用于材料和器件表征和其他应用的信号的系统。


背景技术：

4.材料和器件特性测量(例如电子传输特性，诸如霍尔特性、迁移率和载流子浓度等)通常对噪声、干扰和杂散信号高度敏感。例如，通常在观察这些特性所必需的极低温度(例如，低于4k)下测量超导特性，而没有过大的噪声。这些测量还可能需要非常高的场强(例如，超过5t)，这可能使实验装置复杂化。在这些不利条件下处理噪声、干扰和杂散信号对于获得可靠、准确的数据是至关重要的。
5.用于测量这些特性的实验装置目前需要几种不同类型的设备(例如，锁定放大器、其他放大器、电流源、电压表、电流表、模数(a/d)转换器和其他器件)。例如，锁定放大器对于在高干扰/噪声条件下测量信号而言至关重要。它们用已知的载波提取测得信号，从而筛选出无关信号或干扰信号。锁定器通常作为被设计用于与以上提到的其他器件一起安装在实验室机架中的单独部件出售。事实上，每台设备都作为一个单独的独立式单元装入实验装置中。研究人员通过以物理和电气方式连接单元来创建实验装置。
6.用户由不同的设备单元创建实验装置，使得在全系统内降低噪声是困难且特殊的，如果并非不可能的话。每个单元独立地分别产生噪音。每个单元都有独特的且通常不可预测的干扰敏感性。每个单元都有不同的安稳效应或瞬态效应。这些不同的贡献和敏感性必须被独立解决。校准必须独立地进行。因此，干扰/噪声缓解和校准的复杂性随测量中涉及的器件的数量而定。即使对于相对适中的材料特性实验，该数量也可能轻松地快速增长。它对这种测量系统的精度设置了硬性限制。
7.由于设备单元常常来自不同的商业供应商，因此兼容性问题限制了全系统内的噪声和干扰缓解。涉及一个或更多个单元协同工作的缓解技术或许是不可能或不切实际的。例如，即使数字干扰混淆了敏感的测量，或许也不可能在全系统内屏蔽或关闭数字电子器件。由于每个单元通常都有自己的时钟，因此准确的同步可能是困难的或不可能的。标准连接(例如，通过bnc连接器和电缆以及使用传统的仪器机架)引入了问题。每个连接都会带来
额外的阻抗和/或噪声。导线增加了干扰。来自任何数量的源的杂散电容都阻碍测量。
8.这些问题使测量的可重复性和准确性下降。对于对同一样本的相同测量，不同的实验装置可产生不同的结果。因此，提供全系统内的噪声缓解、干扰抑制、源/测量同步以及校准的准确、一致和可靠的材料测量系统的需求没有得到满足。也未满足减少噪声和干扰源的数量的需求，包括因过量的连接件、导线和数字电子器件干扰而产生的噪声和干扰源。


技术实现要素：

9.本公开的方面包括一种测量系统，所述测量系统包括被配置为向样本提供源信号的源单元。该源单元包括电压源、电流源和被配置为存储源校准的存储器中的至少一个。所述系统包括测量单元，所述测量单元被配置为从所述样本获取可以响应于所述源信号的测量信号。测量单元包括电压测量单元、电流测量单元和电容测量单元中的至少一个以及被配置为存储测量校准的存储器。所述系统包括控制单元，所述控制单元包括：数字信号处理单元；源转换器，所述源转换器连接在所述数字信号处理单元和所述源单元之间。所述系统包括：测量转换器，所述测量转换器连接在所述数字信号处理单元和所述测量单元之间；同步单元，所述同步单元被配置为同步所述数字信号处理单元、所述源转换器和所述测量转换器的时钟；校准单元，所述校准单元用于校准包括所述控制单元的系统；以及参考电压源，所述参考电压源被配置为供应针对所述控制单元的公共参考电压。
10.所述控制单元可以被配置为获得以下中的至少一个：来自由所述源单元和所述测量单元执行的自校准的校准数据；来自存储的厂家校准的校准数据；经由互联网来自远程源的校准数据；来自用户输入的校准数据；来自所述源单元的源校准数据；以及来自所述测量单元的测量校准数据。所述控制单元可以被配置为周期性获得所述源校准和所述测量校准。所述控制单元可以被配置为获得以下中的至少一个：当所述源单元不能向所述样本提供所述源信号时来自所述源单元的存储器的源校准；以及当所述测量单元不能从所述样本获取测量信号时来自所述测量单元的所述存储器的测量校准。所述控制单元可以被配置为同时获得所述源校准和测量校准。所述数字信号处理单元可以存储所述控制单元、所述源单元和所述测量单元中的至少一个的校准数据。所述电流源单元可以被配置为经由感测电阻测量与所述源信号相关联的源电流，并根据所述源电流的幅度来改变所述感测电阻的电阻范围。所述系统可以包括电流源保护单元，所述电流源保护单元被配置为确定所述源电流是否超过阈值电流，并且当所述源电流超过所述阈值电流时，改变所述源单元和所述测量单元中的至少一个的反馈元素，使得所述源电流降至所述阈值电流以下。
11.所述同步单元可以被配置为相对于内部时钟信号同步所述数字信号处理单元、所述源转换器和所述测量转换器。所述数字信号处理单元可以被配置为提供源自所述测量单元和所述源单元中的至少一个的数据的时间戳。来自所述测量单元的数据可以包括所述测量信号。来自所述源单元的数据可以包括所述源信号。所述源单元可以被配置为在提供所述源信号时停用非模拟电路。所述测量单元可以被配置为在测量所述测量信号时停用非模拟电路。
12.所述数字信号处理单元可以被配置为相对于所述测量信号和所述源信号中的至少一个执行以下中的至少一个：锁定分析、交流/直流(ac/dc)测量、电感l、电容c和电阻r(lcr)测量、时间/范围域呈现、频域分析、噪声分析、ac/dc来源、控制循环以及提供来自不
止一个源的源信号。
13.所述源单元与所述控制单元之间的接口可以包括低阻抗缓冲的模拟信号和所述测量单元之间的接口。控制单元可以包括以下中的至少一个：具有低阻抗发送和高阻抗接收电路的电压模式模拟信号接口，和具有高输出阻抗发送和低阻抗接收电路的电流模式模拟信号接口。所述源单元、所述测量单元和所述控制单元中的至少一个之间的接口信号可以包括用于发送或接收电路的差分方法。
14.所述源单元与所述控制单元之间的接口中的至少一个可以包括低阻抗缓冲的模拟信号，并且所述测量单元与所述控制单元之间的接口可以包括低阻抗缓冲的模拟信号。所述测量单元和所述源单元可以相对于所述控制单元和所述数字信号处理单元远程地定位。所述系统可以包括到所述测量单元和所述源单元中的至少一个的电源滤波器。所述系统可以包括将所述控制单元连接到所述测量单元的第一线缆以及将所述控制单元连接到所述源单元的第二线缆。
15.所述测量单元和所述源单元中的至少一个中的数字信号可以与所述控制单元隔离。所述源转换器和所述测量转换器中的至少一个可以包括：增益链，所述增益链被配置为放大模拟输入信号；范围选择器，所述范围选择器被配置为选择所述模拟输入信号和多个模数转换器(adc)的输出之间的增益，其中，每个adc的输出具有路径，并且每条输出路径的增益可以由所述增益链中的增益级组成；以及混合器，所述混合器被配置为将所述多个adc的输出组合成单个混合输出。
16.所述adc输出路径可以包括：两条adc输出路径，所述两条adc输出路径可以被独立地配置为高范围或低范围路径，所述低范围路径具有用于转换所述模拟输入信号的第一增益，所述高范围路径具有用于转换所述模拟输入信号的第二增益，所述第二增益低于所述第一增益；混合器件，所述混合器件被配置为将所述较低范围的输出与所述较高范围的输出组合；以及器件，所述器件被配置为改变由所述高范围路径和所述低范围路径组合的增益的量。
17.所述源转换器可以包括被组合以生成两个或更多个频率分量的两个或更多个数模转换器(dac)。所述源转换器可以包括用于生成基本低频信号的第一路径，所述第一路径包括所述dac中的第一个。所述源转换器可以包括用于生成基本高频信号的第二路径，所述第二路径包括所述dac中的第二个。所述源转换器可以包括：用于处理输入信号的数据处理器；组合电路，所述组合电路被配置为将所述第一路径和所述第二路径的输出组合到源信号中；反馈部，所述反馈部被配置为感测所述源信号；以及伺服回路，所述伺服回路被配置为采用所述反馈部来基本上按照所述输入信号保持所述源信号。
18.所述系统可以包括多个源单元和多个测量单元中的至少一个。所述数字信号处理单元可以被配置为执行锁定信号处理。所述锁定信号处理可以与所述同步单元同步。所述锁定信号处理可以处理基频和谐波频率中的至少一个。所述控制单元可以被配置为设置所述源单元和所述测量单元之间的相位关系。所述锁定信号处理可以包括提供用于所述控制单元与所述源单元和所述测量单元中的至少一个之间的通信的锁定参考。所述源单元可以被配置为通过模拟信号向所述控制单元提供dc反馈。所述数字信号处理单元可以被配置为将所述dc反馈转换为数字，并根据所述数字dc反馈值来设置dc测量信号。
19.所述控制单元可以被配置为使用dc信号来测量所述源信号的参数。所述dc反馈信
号可以是低频ac信号。所述控制单元可以被配置为评估所述测量单元和所述源单元中的至少一个的类型，并根据所述类型来配置所述数字信号处理单元。所述控制单元可以被配置为输出dc偏置作为所述测量信号的一部分。所述源单元可以被配置为以下中的至少一个：将所述源信号的电压限制在电压阈值以下，以及将所述源信号的电流限制在电流阈值以下。所述系统可以包括用于所述源单元和所述测量单元中的至少一个的外罩，所述外罩包括静电屏蔽件和磁屏蔽件中的至少一个。
20.所述控制单元可以包括单个接口，所述单个接口传送所述源信号和测量信号以及控制信息。所述控制单元可以被配置为执行以下中的至少一个：通道校准、无缝变范围、频谱分析仪噪声分析以及用于谐波采集的方波或任意波解调中的至少一种。所述系统可以包括可配置的显示器。所述控制单元可以被配置为显示实时示波器读数。所述控制单元可以被配置为显示频谱读数。所述控制单元可以被配置为通过以下步骤来执行厂家校准和自身校准中的至少一个：向较准确的电阻范围施加信号；在所述较准确的范围内测量施加的信号；向不太准确的电阻范围施加信号；在所述不太准确的范围内测量施加的信号；以及使用在所述较准确的范围内测量的施加的信号和在所述不太准确的范围内测量的施加的信号来校准不太准确的电阻范围。
21.所述控制单元可以被配置为通过以下步骤对测量单元执行电压测量模式校准：在所述测量单元处测量偏移误差；将所述偏移误差存储在所述测量单元的所述存储器中；将与所述测量单元相关联的放大器连接到参考电压；经由所述控制单元测量来自将所述参考电压施加到所述放大器的增益误差；将测量的所述增益误差存储在所述测量单元的所述存储器中；经由所述控制单元从所述测量单元的所述存储器读取存储的所述增益误差中的至少一个；以及应用所述偏移误差和存储的增益误差中的至少一个来校正电压测量值。
22.所述控制单元可以被配置为通过以下步骤对所述测量单元执行电流测量模式校准：断开所述控制单元的输入连接器；将所述测量单元的所述输入连接器连接到地；将所述测量单元配置为电压测量模式；在所述电压测量模式下经由所述测量单元测量放大器的电压偏移误差；应用模拟校正将测量的所述电压偏移减小到近似零；将所述测量单元切换到电流测量模式并将到所述测量单元的输入端浮置；通过将所述测量单元配置在高电流范围内并在所述控制单元处测量所得电压来经由所述控制单元确定所述测量单元与所述控制单元之间的电压偏移误差；调整漏电流，直到所述测量单元的电流测量值为近似零；经由所述控制单元将经调整的所述漏电流和所述电压偏移误差中的至少一个存储在所述测量单元的所述存储器中；经由所述控制单元读取经调整的所述漏电流和所述电压偏移误差中的至少一个；以及施加经调整的所述漏电流和所述电压偏移误差中的至少一个，以校正所述测量单元的电流测量值。
23.所述源单元可以被配置为获取所述测量信号，并且所述测量单元可以被配置为提供所述源信号。所述系统可以包括矩阵开关控制单元，所述矩阵开关控制单元被配置为提供用于扫描所述源信号和所述测量信号的一组开关。所述电源可以被配置为参照公共地向所述控制单元、所述源单元和所述测量单元供应电力。
24.本公开的方面包括一种方法，所述方法包括经由包括电压源和电流源中的至少一个的源单元向样本提供源信号。所述源单元包括存储器，所述存储器被配置为存储源校准。所述方法包括经由测量单元从所述样本获取响应于所述源信号的测量信号。所述测量单元
包括电压测量单元、电流测量单元和电容测量单元中的至少一个以及被配置为存储测量校准的存储器。所述方法包括通过控制单元从所述测量单元接收所述测量信号。所述控制单元包括数字信号处理单元、连接在所述数字信号处理单元和所述源单元之间的源转换器以及连接在所述数字信号处理单元和所述测量单元之间的测量转换器。所述控制单元包括同步单元，所述同步单元被配置为同步所述数字信号处理单元、所述源转换器和所述测量转换器的时钟。所述控制单元包括校准单元，所述校准单元用于校准所述系统的方面，所述系统包括所述控制单元和被配置为供应针对所述控制单元的公共参考电压的参考电压源。
附图说明
25.图1示出了本公开的上下文内的一个示例性m81平台或系统100。
26.图2示出了本公开的上下文内的m81平台或系统200的另一变型。
27.图3a示出了本公开的上下文内的m81平台或系统300中的另一个。
28.图3b是示出了头102和盒(pod)104可以如何一起工作来校准被配置为测量电压的测量单元或盒的流程图330的第一部分。
29.图3c是图3b的流程图330的延续。
30.图3d是示出了头102和盒104可以如何一起工作来校准被配置为测量电流的测量单元或盒的流程图340的第一部分。
31.图3e是图3d的流程图340的延续。
32.图3f是示出了由头102驱动的源盒104(或处于源模式的盒104)的示例性校准例程360的流程图360的第一部分。
33.图3g是图3f的流程图360的第二部分。
34.图4图示了本公开的上下文内的源盒104的数个示例性特征。
35.图5a示出了系统100、200和300中1μa电流源的噪声与较常规的装置中的噪声的直接比较。
36.图5b示出了在本公开的上下文内的来自盒104的信号a的放大图。
37.图5c示出了图5a中的放大信号b。
38.图6a图示了常规仪器机架中的失配时基的影响，这可以通过使用本公开的共享同步时钟302来避免。
39.图6b图示了常规仪器机架中失配时基的其他效应。
40.图7图示了在系统100、200和300的变型中的示例性头单元102和示例性源盒104之间的源信号链700。
41.图8图示了在系统100、200和300的变型中通过混合器806将交流(ac)802和直流(dc)804输入以数字方式相加在一起的示例性源信号链800。
42.图9图示了在系统100、200和300的变型中ac 902和dc 904输入分别由dac 906和908单独转换的示例性源信号链900。
43.图10图示了在系统100、200和300的变型中防止ac电路(“ac配置”)影响dc电路的准确性的另一示例性源信号链1000。
44.图11图示了在本公开的上下文内的具有dc反馈回路的另一示例性源信号链1100。
45.图12图示了在本公开的上下文内的具有数字化反馈的另一示例性源信号链1200。
46.图13图示了在本公开的上下文内的数字合成的源通道1300的一个示例性变型。
47.图14示出了在本公开的上下文内的可以与数字源1300结合使用的源波表1400的示例性变型。
48.图15是在本公开的上下文内通过绘制可以与数字源1300结合使用的源波表1400而生成的波形1500。
49.图16a示出了对图15中的波形进行低通滤波而得到的阶跃波形。
50.图16b示出了图16a中的波形的平滑形式。
51.图17图示了本公开的上下文内的测量盒104的示例性特征。
52.图18图示了示例性头单元和示例性测量盒104之间的测量信号链。
53.图19在本公开的上下文内将具有无缝(连续)变范围1902的电压测量与由常规装置1904进行的相同测量进行比较。
54.图20是在本公开的上下文内的经由双放大链实现无缝变范围2000的一个变型的框图。
55.图21示出了在本公开的上下文内的用于无缝变范围的另一示例性放大链2100的框图。
56.图22a提供了在本公开的上下文内的可以与无缝变范围结合使用的自动变范围算法2200的示意性示例。
57.图22b示出了供自动变范围算法2200使用的示例性实验数据。
58.图22c是详述自动变范围算法2220的流程图的第一部分。
59.图22d是详述自动变范围算法2220的流程图的第二部分。
60.图23图示了在本公开的上下文内的用于将测量信号2302与已知参考源2306相乘2304以形成解调信号2308的锁定技术。
61.图24示出了相乘的信号之间的相位差(θ)。
62.图25示出了m81 100、200和300的变型如何也可以利用锁相环(pll)2500。
63.图26示出了在本公开的上下文内的示例性参考输出2600。
64.图27示出了m81 100、200和300的变型如何利用测量数字信号处理器(dsp)2700。
65.图28a图示了用于源/测量盒104的壳体。
66.图28b图示了用于源/测量盒104的壳体。
67.图29a图示了用于头102的示例性显示器。
68.图29b图示了用于头102的另一示例性显示器。
具体实施方式
69.本文公开的被称为“m81”的平台或系统使得系统性噪声和干扰能够缓解，这对于常规的自组织的基于机架的系统是不可能的。它提供了利用时间同步操作以及先进的来源和测量的多合一的实验平台，结合了源和/或测量放大器盒、锁定放大器功能、数字万用表(dmm)、dc/ac和其他信号发生器等。
70.术语“m81”与术语“系统”可互换地使用。因此，参考图1、图2和图3中示出的系统的短语“系统100、200和300”与术语“m81 100、200和300”同义。术语“m81”通常将用于描述本文公开的或者由总体发明构思涵盖的各种系统。
71.m81集成了众多创新的技术方案，以降低材料测量系统中的噪声和干扰。它包括用于减少噪声的全系统的远程、自动和定期校准。它校准整个全系统的测量和信号链，而非单独校准其各个组件中的每一个。与传统的基于机架的系统所能实现的校准相比，这提供了准确得多的校准。在测量期间其对于数字电子器件的全系统的控制关闭防止了干扰。其全系统时钟同步了来源、测量和分析。这提供了来自存储的数字信号模型的激励/输入信号。它经由包括ac和dc分量二者的混合信号链将这些模拟信号馈送到样本，该ac和dc分量均具有单独配置的增益。信号链可以基于来自样本台的反馈而稳定输出。该系统包括用于匹配进/出样本的输入和输出电流从而保护样本和系统以防大的波动的平衡电流源。其“无缝变范围”技术保护测量以防止其跨数量级而改变时的毛刺和瞬变。下面详述这些和其他解决方案。在一个m81变型的上下文中描述的特征和功能应用到m81的其他变型，无论是由本公开明确讨论的还是暗示的。
72.测量系统概况
73.图1示出了包括仪器“头”或控制单元102和数个示例性远程“盒”104的一个示例性m81平台或系统100。如图1中所示，盒104可以包括可以向样本台106上的样本(未示出)提供探测信号的源单元104a-104c。注意，词语“盒”和“单元”在本文中可互换地使用，使得对“源盒”的引用与对“源单元”的引用同义，并且对“测量盒”的引用与对“测量单元”的引用同义。类似地，词语“头”和“控制单元”被同义地使用。样本台106可以包括各种组件107，诸如低温恒温器、珀耳帖冷却器、电源、散热器、辅助电子器件和/或机械定位系统、平衡系统、气动台、重物等。
74.盒104可以包括被配置为测量来自样本的信号的测量单元104d。在该变型中，系统100包括用作信号源的三个远程盒104a-c以及用作信号测量的一个远程盒104d。要理解，该配置仅仅是示例性的。事实上，源盒104a-c可以用作测量盒(例如，104d)，反之亦然。在变型中，每个盒104可以具有某个类型或配置(例如，测量、源和/或下面的图4和图17中示出的特定特征集合)。在这些变型中，头102可以在连接时检测盒104的类型。在盒104类型检测时，头102可以接着以适合于检测的盒类型的方式配置自身和系统的其余部分。例如，头102可以自校准和/或执行适于检测的盒类型的全系统校准。头102可以根据检测的盒类型执行其他配置(例如，它可以配置数字信号处理单元326等)。
75.系统100可以包括任何合适数量的源和测量盒104。在其他变型中，m81可以包括头单元102，而不需要盒104。注意，系统100可以包括以下其他变型(例如，变型200和300)中描述的任何特征。这些包括例如在下面图3a的上下文中描述的共享同步时钟302。
76.尽管图1示出了具有多个连接件(例如，针对盒104的四个连接件102a和多个前面板连接件102b)的头102，但在变型中，其可以仅具有一个与外部世界的接口。例如，头102可以具有使得头能够发送和接收数据并控制进/出盒104的信息的单个通用串行总线(usb)连接。数据可以包括与经由盒104提供源信号、从盒104获取测量信号、处理那些信号、从测量获得其他反馈、向盒104提供包括已处理反馈的经处理数据相关的数据。控制信息可以包括本文公开的任何校准、诊断和配置信息。例如，控制信息可以包括向样本提供特定输入信号、提取特定输出、校准系统100中的设备和/或控制样本台106的一个方面(包括该台106的低温特性)的指令。它可以包括来自系统100中的任何单元的校准信息。
77.图1还示出了头102包括显示器102c。显示器102c可以是触摸屏。它可以被配置为
配置以显示本文描述的数据、信号、经处理信息和控制功能中的任一个。例如，显示器102c可以被配置为当系统100的方面用作示波器时显示示波器功能。这些示波器的读数可以被实时显示。例如，显示器102c还可以显示频谱。显示器102c可以被配置为显示包括由测量盒104收集的任何数据的其他数据。显示器102c还可以被配置为显示系统100中的任何单元的状态、进/出系统100中的任何单元的任何通信的状态、以及关于进/出样本106的任何测量或信号获得的诊断信息。显示器可以被配置为同时显示可以由用户或通过远程接口配置的多个参数。显示器102c还可以被配置为显示信号噪声、干扰和/或频谱分析，还有其他。显示器102c还可以被配置为显示用于与系统100的任何方面交互的图形用户界面(gui)的任何特征。
78.图1示出了头102可以包括外壳或外罩102d。外壳或外罩102d可以包括提供静电屏蔽的材料(例如，塑料或橡胶)。它还可以包括用于电磁屏蔽的金属材料。该外壳可以由任何合适的材料制成。它可以按需要包括任何机械或电气接口。例如，外壳102d可以包括钩、紧固件或凹槽，使得其与实验室机架兼容。它可以包括支脚、柱子或支架，使得它独立地立于桌子或桌面上。它可以包括墙壁安装座或天花板安装座等。
79.其他变型包括任何合适数量的头、源盒和测量盒104。例如，图2示出了头单元102可以具有可以支持三个测量类型盒104e和三个源类型盒104f的六个通道的另一示例性变型200。在该变型中，m81还被示出为连接到可选计算机108和样本台106中的三个示例性待测试器件(dut)110。同样，该配置仅仅是示例性的。测量盒104e和源盒104f的数量不需要相等。例如，一个源104f可以为所有三个dut 110提供激励信号。
80.本文中，缩写“dut”将与“样本”可互换地使用。要理解，dut或“样本”可以是器件或材料样本。通常，在本文公开的材料测量的背景下，出于测试所产生器件中的材料(例如，半导体材料)的明确目的而产生器件(例如，晶体管)。
81.图3a示出了作为高级别图的m81的另一变型300。图3a图示了变型300的组件之间的信息共享。例如，图3a示出了头或控制单元102可以如何处理模数信号转换(反之亦然)。图3a中示出的源和测量盒104不是唯一的。它们可以用于不同的应用。
82.图3a还示出了连接到源通道304和测量通道306中的每一个的共享同步时钟302。时钟302可以向从测量盒和源盒104、源通道304和测量通道306中的任何转换器或其他电子器件以及头102自身得到的信号中的每一个提供共享同步。具有共享时钟使系统300中的所有组件能够自动同步，从而避免由这些组件中的任一个之间的同步毛刺或故障产生的问题。共享同步时钟302可以被同步到头102的外部或内部时钟。源通道304和测量通道206还可以包括盒104和头102之间的接口，该接口具有不受线缆长度和外部rf噪声影响的模拟信号。下面将进一步详细讨论共享同步时钟302、源通道304和测量通道306的所有这些功能。
83.另外如图3a中所示，头102可以具有使得头102能够连接到其他硬件314的端口(例如，监视器输出、参考输入和参考输出端口308、数字i/o端口310和辅助i/o端口312)。其他硬件314可以包括任何适于从系统300收集和分析数据和/或供应输入的硬件。通过这些连接启用的其他硬件314的示例包括实验室示波器、可编程逻辑控制器(plc)、膝上型计算机或其他计算机、监视器、开关矩阵、参考信号输入端等。图3a还示出了头102可以如何通过包括usb、以太网、通用接口总线(gpib)、蜂窝数据和无线网络技术(wi-fi)的合适连接机构316连接到外部计算机108。可以在头102和盒104之间保持合适的距离318，使得头102(特别
是其数字电路)的操作对dut 110的位置处的测量造成极少的干扰或者没有干扰。
84.图3a还示出了头具有校准存储器320并且盒具有校准存储器322，用于存储系统的任何方面。例如，校准存储器320和322可以存储用于头部102自身和/或盒104中的每一个的校准信息。校准存储器320和322可以包括以下信息：主参考的实际电压、增益补偿因子(测量源)、偏移补偿因子(测量和源)、偏置电流补偿因子、电压补偿和共模减小因子。
85.可以通过任何合适的方式输入校准信息。例如，校准信息可以由厂家安装在校准存储器320和322上。它可以从互联网下载和/或经由用户输入提供。包括头102和盒104的组件中的每一个可以提供来自执行自校准过程的信息。头102可以向盒104提供校准，反之亦然。校准信息还可以被存储在连接到系统300但未示出的其他设备(例如，诊断设备、外部计算机、万用表等)中。关于校准存储器320和322中的任一个的校准信息可以被周期性更新。存储在任何设备(例如，头102或盒104)的存储器上的校准信息可以在该设备未使用时被更新(例如，经由校准)。针对头102和盒104的校准可以由数字信号处理单元324存储。校准可以包括用于校准不同范围的多个方法和组件。例如，可以利用具有高度不同的电阻准确度和温度依赖性的电阻器的优点来校准使用不太准确的电阻器或随着温度和时间而漂移更多的电阻器的范围。由于gω电阻器提供非常低的电流噪声，其可以有利地用于某些校准方面。然而，gω电阻器的电阻值并不总是精确地已知，并且随着时间的推移可能有些不稳定。mω范围电阻器随着时间的推移更加稳定，即使其校准遭受与更大电流相关联的更多噪声的影响。因此，利用gω的低噪声优势和mω的高稳定性优势，可以使用mω范围电阻(100mω)来校准gω的范围，反之亦然。对于较低值的电阻，同样可以如此。例如，与1ω电阻相比，典型的10ω电阻具有更好的准确性和漂移。通常，在测量较大的电流时使用1ω电阻是有利的，无论是作为外部感测元件还是作为源或测量电路的一部分。
86.如以上讨论的，系统100、200和300可以按多种不同方式来校准。尽管在图1中未示出，但每个盒104具有允许连接到精确信号源和测量设备(例如，外部电压表、电流表、电流源、电压源)的输入端/输出端。这些输入端/输出端使在盒104自身处能够进行本地校准，就像传统机架系统上的个体组件一样。
87.然而，m81系统100、200和300也提供总的内部校准。这使得能够在头102中使用敏感的电子器件来校准在整个系统100、200和300中的进/出盒104的测量偏移/误差/波动。即，总的内部校准是对从测量/源到分析电子器件以及从分析电子器件到测量/源的整个信号链中的所有特质进行校准。这提供了高得多的精度。执行也容易得多。可以经由屏幕102c上的gui和/或外壳102d上的按钮来启动整个系统的校准功能。它们可以被设置为自动地且周期性地运行。下面讨论总的内部校准的更具体的功能。
88.图3b和图3c是示出了头102和盒104可以如何一起工作来校准的流程图330，其中既进行测量、进行更新，又将校准存储在存储器320和322中。具体地，流程图、算法或例程(在本文中可互换地使用)330在盒104被配置为测量来自样本110的电压信号时校准在头102处从测量盒104接收的测量值。例程330主要由头102驱动。
89.转到图3b，在步骤333中，针对盒104的至少一个硬件输入配置在盒104处测量偏移误差。硬件配置通常与正在使用的测量盒的类型及其相关联的特征有关(参见例如图17中的特征列表)。通常，不同的硬件输入配置包含影响被校准的误差的不同组件。例如，不同的硬件配置可能要求使用不同的反馈电阻、增益/放大器配置或其他组件(例如，dac)来处理
信号。特定硬件配置的偏移误差是由硬件配置测量的电压与实际(已知)输入电压之间的差值。在步骤333中，盒104的输入可以与外部测量断开并连接到地，以确保实际的、已知的输入电压为零。可以使用其他已知的输入电压(例如，已知的、稳定的电压参考，诸如主参考mr)。那么偏移误差是在这些条件下测得的电压。偏移误差作为校准校正被存储在盒104的存储器中。在步骤334中，头102从盒104的存储器读取偏移误差校准。在步骤335中，头102可以基于在步骤334中测量的偏移误差，针对硬件配置的电压测量应用偏移校正。可替换地，可以跳过步骤334，并且直到步骤339才应用校正。在步骤336中，头102将来自主参考mr的参考电压连接到放大器输入端。主参考mr可以是例如稳定且可靠的电压参考，其可以在系统中的任何位置，例如，在头102中。例如，参考电压可以是正的全量程、负的全量程、正的中量程和负的中量程的电压。选定的参考电压适于盒104的硬件配置。
90.转到图3c，在步骤337中，头102通过在步骤336中向放大器输入端施加参考电压来测量硬件配置的增益误差。例如，通过取预计的、预期的或需要的增益与测量的增益之间的差值来测量增益误差。许多因素可能导致增益误差和增益误差的变化。例如，仪表放大器拓扑中的反馈电阻可能随着时间和温度的推移而略有变化。如果放大器出于下述原因而改变，则新的放大器将具有应该通过例程330进行补偿的不同的增益误差。
91.在步骤338中，头102将增益误差作为校准存储在盒104的存储器中。在步骤339中，头102读取存储在盒104的存储器中的增益误差，并针对盒104的至少一个硬件配置的电压测量应用增益校正。应用增益校正的一种常见技术是将电压测量预计结果乘以增益误差的倒数。可构想使用增益误差校正的任何其他合适的方法。在该增益校正或校准完成之后，将输入端重新连接到外部信号，并且可以开始测量。在该阶段中，头102还可以应用步骤334的偏移误差校准作为电压测量的校正。可以由盒104针对所有电压测量应用增益校正和偏移误差校正，直到头102通过重新运行算法330来重新启动校准。
92.图3d和图3e是示出了头102和盒104可以如何一起工作来校准被配置为测量来自样本110的电流信号的盒104的另一流程图340。例程340主要由头102驱动。
93.转到图3d，在步骤341中，盒104的输入与前端放大器断开并连接到地，以保护外部样本免于可能的开关瞬变。在步骤343中，测量盒104被配置为具有增益的电压测量模式(例如，电压放大器拓扑结构)，以在前端放大器的输入端接地时读取前端放大器的电压偏移误差。这类似于步骤333中详述的电压偏移误差测量。电压偏移误差是测量电压与零之间的差值(因为放大器输入端被设置为地)。这是“前端”放大器或将连接到样本的放大器的电压偏移。第一放大级或前端放大器连接到待测试器件，并常常是偏移和漏电流的主要原因。示例性的“前端”放大器是放大器720和810、912、1018和1114(图7、图8、图9、图10、图11和图18)。前端放大器可以包括一个或多个放大器。
94.在步骤344中，头102应用模拟校正，以减小在步骤343中测量的前端放大器的电压偏移误差，直到盒104测量到大致零电压(例如，仅十分之几伏、几毫伏或几微伏)。模拟偏移校正可以包括例如施加相等且相反的电压，以减小、最小化或消除电压偏移误差。在步骤345中，头102将测量盒104切换到当前测量模式。在步骤345中，盒104的输入端可以与地断开并保持浮置。在步骤346中，头102通过将测量盒104配置在高电流范围或甚至最高电流范围中(例如，通过切换到较低的反馈电阻)并测量头102处的所得电压来确定测量盒104与头102之间的电压偏移误差。由于前端放大器的电压偏移误差在步骤344被预先归零，并且前
端放大器被设置为给出最低的偏移电流。测量的剩余偏移是由于前端放大器和测量转换器之间的增益分量中的电压偏移导致的。由于偏移电流流过反馈电阻，因此将前端放大器设置为高电流范围导致电流偏移的小增益，从而在前端放大器的输出端处得到小电压。当需要大增益或滤波来放大测量的信号时，通常使用多级放大器配置。例如，这些包括专用于图7的系统700中的头102的放大器或图20和图21中的放大器中的任一个。在步骤346中，确定在步骤346中测量的测量盒104的前端放大器与头102之间的电压偏移误差。将使用该电压偏移误差来校准由于将测量的信号从盒104发送到头102而产生的误差。
95.现在转到图3e，在步骤347中，头102针对电流范围中的一个或多个调整漏电流(例如，通过前端放大器的反馈电阻)，直到盒104测量到近似为零的电流(例如，只有十分之几安培(a)，几毫安或几微安)。针对范围中的一个或多个，漏电流补偿是在测量的电流的相反方向上施加的电流，以在没有电流流入盒104中时使该测量的电流减小、最小化或归零。头102可以使用模拟技术来调整漏电流(例如，布设将补偿电流连接到电路中的转换器)，直到测量的净电流为零。可以针对硬件输入配置执行漏电流调整。在步骤348中，头102将步骤347的漏电流和/或步骤343的电压偏移误差作为校准校正存储在盒104上的存储器中。在步骤349中，头102在步骤348中读取存储到盒104的存储器的校准校正，并针对盒104的每个硬件配置的测量值，应用校准校正中的至少一个。注意，还可以通过使用从主电压参考mr或从位于盒104中的稳定电流源得到的准确电流源来校准出电流测量增益误差。可以由盒104针对所有电流测量应用步骤349的校准校正，直到头102通过重新运行算法340来重新启动校准。
96.图3f和图3g是示出了由头102驱动的源盒104(或处于源模式的盒104)的示例性校准例程360的另一流程图。与校准例程350不同，该校准将由头102经由完全校准的测量通道测量的源信号与实际源信号进行比较。
97.在步骤361中，头102对照主参考351a校准测量通道。这是对头102的内部校准，用于校准其自身的测量能力。
98.在步骤362中，头102命令源盒104施加完全的正的源信号。将使用该高幅度信号来校准来源准确性。在步骤363中，头102使用在步骤361中校准的测量通道来测量在步骤362中生成的完全的正的源信号。在步骤364中，头102命令源盒104施加负的全量程源信号。在步骤365中，头102使用在步骤361中校准的测量通道来测量在步骤364中生成的负的全量程源信号。在步骤366中，头102命令源盒104施加为零的源信号。然后，在步骤367中，由头102使用在步骤361中被校准的测量通道来测量该信号。
99.在步骤368中，头102将完全正、完全负和为零的源信号(即，在步骤363、365和367中测量的值)的测量值与对应的完全正、完全负和为零的源信号(分别地，在步骤362、364和366中)的命令值进行比较，以确定误差。最后，在步骤369中，头102使用在步骤368中确定的误差来生成并存储针对源盒104测量的信号校准。可以使用校准来精确地向样本供应信号。
100.返回到图3a，该图示出了头102如何具有数字信号处理单元324。虽然数字信号处理单元324在图3a中没有被示出为连接到系统300的其他方面，但它可以具有多个可变连接。例如，它可以连接到共享同步时钟302并与该时钟同步。它可以进一步接受和处理来自数字i/o 310、源通道304和测量通道306、辅助i/o、接口316的信号。通常，数字信号处理单元324可以处理来自这些组件中的任一个的信号，并将经处理的信号提供到这些组件中的
任一个。数字信号处理单元324可以使用与共享同步时钟302的同步来提供源自盒104和/或头102的数据的时间戳。
101.数字信号处理单元324可以为系统300提供各种功能。例如，它可以针对样本110测量信号提供锁定分析、交流/直流(ac/dc)测量、电感(l)、电容(c)和电阻(r)(lcr)测量、时间/范围域表示、频域分析和噪声分析中的任一个。下面将描述这些操作中的一些的细节。数字信号处理单元324还可以相对于样本110提供源信号：ac/dc来源、控制循环，并提供来自不止一个源的源信号。
102.图3a还示出了具有电源326的头102。电源326可以供应系统的其他组件，而不仅仅是头102。在一些应用中，例如，对于盒104和头102中的每一个以及可能的其他硬件314中的一些，都共享电源326是有利的。这对于缓解噪声和干扰以及防止毛刺可以是有利的。电源326可以包括参照系统(未示出)中的公共地，诸如头102和盒104的公共地。它还可以包括到盒104中的至少一个的电源滤波器。
103.尽管在图3a中未明确示出，但头102可以供应单个电压参考，以供系统100、200和300中的所有组件使用。可以使用参考电压来在本文中描述的校准中、在噪声确定和缓解中以及针对通过本公开明确描述或暗示的其他合适的应用来衡量测量值。还可以出于类似目的提供其他全系统的参考。
104.在m81平台/系统100、200和300之一的上下文中描述的任何特征应该被理解为应用其他特征中的任一个和/或与其兼容。这些特征为m81平台/系统100、200和300赋予优于常规实验室装置的数个优点，包括常规仪器机架方面。例如，它们可以表现出极低的噪声。这是因为盒104中敏感的模拟电路与头中的含噪声的数字电路分离(例如，参见图3a中的分离距离318)。m81平台/系统100、200和300可以是高度可配置/可重配置的。在变型中，连接到头102的盒104的组合可以被配置用于各种各样的实验。该系统被设计为使得数字和电源电路与敏感的模拟电路分离，并且其中，在盒104正在取测量值的同时，敏感的模拟电路中的数字功能被暂停或关闭，以便使噪声和干扰最小化。
105.m81系统100、200和300还可以支持在盒104、头102和系统中包括的任何其他设备之间进行通信的多种方式。这些通信方法包括使用可编程仪器标准命令(scpi)和查询。在各种变型中，通信方法可以包括：串行usb；以太网上的tcp或wi-fi；通用接口总线(gpib)；等等。关于数据流传输缓冲器，可以从m81的各种变型读出信息，例如，每秒读出高达10,000个样本。在各种变型中，对于任何通道，缓冲器可以包括以下各项的任何组合：源幅度；源偏移；源频率；源范围；源合规性；源感测误差；dc读数；rms读数；高峰；低峰；峰到峰；同相读数(i)；异相读数(q)；锁定幅度；锁定相位差；测量范围；过载状态；安稳状态；锁定；锁定参考频率等。
106.可以在各种应用中利用本文所述的m81系统100、200和300。例如，在固态电子器件中：dc和ac电阻率、二极管和晶体管的i/v曲线、pin(p型、本征和n型材料)二极管的操作方案、亚阈值mosfet表征、电容器介电吸收、深层瞬态光谱等。在量子和超导材料中：超导材料的i/v、薄膜动力学电感、自旋霍尔磁阻、反常霍尔效应、磁隧道结中的场和角度相关性、自旋转矩铁磁谐振等。
107.m81 100、200和300系统的变型具有能够实现混合来源的盒104。这意味着，在变型中，源盒104的输出端可以将dc配置的信号链与ac配置的信号链组合。信号链可以是独立
的，从而使高精度ac信号与dc偏移能够组合。m81 100、200和300的变型也能够在测量模式下进行无缝变范围。这意味着，在变型中，测量盒104可以具有两个或更多个变范围放大器和两个模数转换器。在测量的信号跨多个数量级的测量范围时，该布置可以抑制原本会影响测量值的毛刺。m81 100、200和300的变型还可以在每个源和测量盒104可以彼此参考或参考外部的意义上支持灵活的锁定。m81 100、200和300的变型也可以支持外部相位关系。这意味着，在变型中，可以在使用相同参考的同时独立地配置每个源盒104的相移。下面将更详细地描述这些优点中的每一个。
108.信号来源
109.特征概述
110.m81平台/系统100、200和300可以利用本文描述的任何类型的源盒104。图4图示了具有示例性特征的几个示例性源盒配置。例如，增强组合源/测量盒可以通过使用用于每一个的通道来组合源盒和测量盒的能力。精密源盒可以包括具有内置电流或电压回读的i(电流)或v(电压)源。这可以有助于降低原本会混淆具有严格的功率限制的低温实验的环境噪声。源盒104还可以包括如下进一步描述的平衡电流源(bcs)，bcs可以确保相同量的电流按提供的一样返回。这有助于保护敏感设备的浪涌。
111.要理解，图4图示了对于某些应用可能是实用的特征的组合。在某些情况下，包括比图4中示出的更多或更少的特征可能是有利的。例如，在某些情况下，对于增强组合源/测量盒和精密源盒提供共模噪声抑制可能是有利的。在某些情况下，平衡电流源盒容纳混合ad/dc源可能是有利的。所有这些变型都应该被考虑在当前公开的上下文内。
112.源信号的降噪
113.图5a示出了m81(例如，系统100、200和300)的信号噪声与较常规装置的直接比较。更具体地，图5a是示例性m81电流源盒104(在图5a中标记为“a”)和较常规的实验室电流源(在图5a中标记为“b”的常规商用电流源)的噪声的画面截图。两个源都在传送1μa范围内的电流。图5b示出了来自m81盒104的信号a的放大图。图5c示出了来自图5a的同一截面的信号b的放大图。图5b与图5c的比较示出了盒104信号a的有利的信噪比。特别地，信号a的1μa信号幅度502比信号a的示例性噪声幅度504大几倍。相比之下，信号b的1μa信号幅度基本上被埋藏在其噪声幅度506中，噪声幅度506比信号a的信号幅度502大几倍。它也是信号a的噪声幅度504的更多倍。
114.同步
115.m81系统100、200和300经由共享同步时钟302固有地同步(图3a)。特别地，同步使从源盒104发送到样本110的信号能够与测量盒104以及头102自身中的分析硬件(例如，数字信号处理器322)同步。
116.图6a和图6b描绘了常规仪器机架中的失配时基的影响，这可以通过使用共享同步时钟302来避免。对于传统的仪器机架，源信号602的时钟和时间戳以及样本测量信号时钟1 604和样本测量信号时钟2 606可能未对准，如图6a中所示。
117.此外，时钟604与606之间的错位可能随时间的推移而演变。比较例如不同的错位610、612和614和不同的时间t1、t3和t3。这些错位导致t1、t3和t3处的616、618和620处的图6b中示出的测量信号608有差异。这些频率和相位差可能在数据分析中产生重大问题。它们造成不精确和错误。由于时间变化可能使问题表现为非系统性，因此该问题可能是潜在的
且难以校正的。尽管图6a和图6b呈现了测量信号和源信号的上下文中的同步问题，但要理解，这仅仅是示例性的。缺乏同步可能造成除了实验测量值以外的麻烦。它还可能分不清和混淆全系统的指令、校准和数据分析。
118.通过在所有源和测量盒104和头102当中共享一个时钟采样时钟(例如，时钟302)的m81 100、200和300系统来避免同步问题。这固有地并自动地同步所有仪器，从而避免了图6a和图6b中示出的源信号与测量信号之间的不一致。
119.混合源
[0120]“混合源”根据ac和dc分量二者形成模拟输出源信号。该技术可以通过为ac和dc信号产生单独的增益路径来利用ac和dc来源电子器件二者的优点。与常规的单个转换器来源相比，它还可以构造具有较低噪声水平、更高分辨率和更大灵活性的源信号。m81 100、200和300的变型具有混合来源能力，如下面讨论的并在通过引用并入本文中的共同未决的美国临时专利申请no.63/034,052中更详细地讨论的。
[0121]
图7图示了在系统100、200和300的变型中的示例性头单元102和示例性源盒104之间的源信号链1700。在图7中被示出为头102的一部分的组件(即，组件702、706-714、722和726-730)可以是在图3a中示出的数字信号处理单元324的一部分。
[0122]
如图7中所示，m81包括源通道702。在图7中示出的示例性情况下，存在三个源通道702，然而要理解，任何合适数量的源通道都是可能的。源通道702经由锁相环(pll)706被馈送参考信号704。源通道702还可以包括来自其他源通道708的信号以及来自其他盒104的测量通道710。然后，可以通过参考选择712来选择输入信号708、710和704作为来源。然后，可以将所选择的信号的各个方面(包括波形形状、幅度、频率和相位)发送到ac配置数模转换器(dac)714。将在下面进一步讨论ac配置dac 714的操作。可以经由合适的放大来将ac配置的源信号与dc配置的信号组合到样本110。
[0123][0124]
ac和dc配置信号二者可以通过其各自的dac具有独立的配置以及单独的放大。从来自组合信号的dc反馈得到dc配置信号，以便调整样本源信号。在混合来源中结合反馈和独立的ac和dc配置可以提高源信号的分辨率和更新速率。实时反馈和独立配置可以避免或最小化误差源，诸如偏移误差、增益误差、差分非线性误差、积分非线性误差、校准误差、输出噪声、动态范围、输出带宽、源阻抗、输出驱动能力、开关噪声、相位误差、漂移与时间和漂移与温度等。
[0125]
图7示出了示例性混合源700配置。样本源信号(即，由链700发送到dut 110的信号)是ac信号(“ac配置的信号”)与dc信号(“dc配置的信号”)的组合。这些信号被组合，以经由可变增益720产生样本源信号，可变增益720可以被动态地改变以避免信号中的毛刺。基于来自ac配置的信号与dc配置的信号的组合的dc反馈来生成dc配置信号。
[0126]
更具体地，ac配置的dac 714将ac配置的源信号提供到源盒104中的放大器716，在放大器716处通过718将其与dc配置的源信号组合并提供到变范围放大器720，然后提供到样本(dut)110。提供到ac配置的dac 714的源的波形形状、幅度、频率和相位可以根据用户偏好和/或协议(例如，测量或诊断)被预先编程、由用户选择和/或由头102从选项当中选择。718的输出还作为dc反馈经由放大器724提供到头102的dc配置的adc 726。然后，dc反馈信号经由偏压728发送到dc配置的dac 730，然后经由放大器732路由到718。
[0127]
如图7中所示，可以通过借助经由头102的范围和其他设置元件722发送的“范围和其他设置”信号来选择变范围放大器720的范围连同其他设置。范围和其他设置可以根据用户偏好和/或协议(例如，测量或诊断)被预先编程、由用户选择和/或由头102从选项当中选择。
[0128]
源盒104还可以包括能够执行各种功能的数字(非模拟)电路，该功能包括分析、数据通信、命令信息、功率调节、定时以及与外部设备的通信。在变型中，源盒104具有在提供其源信号或者执行测量时去激活该非模拟电路的能力。这样做减少了信号或测量中的干扰和噪声的量。出于同样的原因，源盒104中的数字信号可以与测量盒104和头102隔离。
[0129]
在更详细地深入研究混合源之前，考虑更常规的非混合源是有用的。图8图示了ac 802和dc 804的输入通过806以数字方式相加在一起的一个这样的非混合源信号链800。当ac 802和dc 804的输入通常在相同或相近范围内时，链800是合适的。在该配置中，相对于dc信号而言小的ac信号只有几位的分辨率。dac 808将ac/dc组合的信号转换为模拟信号，将其提供给可变放大器720、放大器810，然后提供给样本110。尽管图8没有明确示出如图7中所示的dc反馈机制，但要理解，它可以包括例如通过dc输入端804的这种反馈。
[0130]
尽管链800可以包括在系统100、200和300中，但它具有一些缺点。链800必须同时向ac和dc输入信号提供增益。因此，没有机会独立地配置ac和dc信号链。另外，增益配置的选择自由度极小。链800的唯一灵活性来自于必须同时针对ac和dc二者配置的可变增益720。
[0131]
相比之下，图9至图12示出了提供更加灵活和准确的混合源的示例性替代方法。这些系统中的每一个可以独立地配置dc和ac信号路径。它们可以与源信号链700和系统100、200和300结合使用。在美国临时专利申请no.63/034,052中阐述了可以用于混合源的其他方法。
[0132]
图9图示了在ac和dc配置并行发生时分别在组合配置(“必须配置二者”)中分别由dac 906和908单独转换ac 902和dc 904输入的示例性源信号链900。这使ac 902和dc 904输入能够被单独和独立地配置和改变，从而在限定ac 902和dc 904对最终发送到样本110的信号的贡献的范围方面提供更大的灵活性。每个ac 902和dc 904输入也分别被单独应用到可变增益720a和720b。可变增益720a和720b可以通过范围和其他设置722(图7)来设置，或者按用户偏好、协议设置，或者可以被预先设置。dc增益720b可以取决于或可以不取决于到样本110的输出，如在系统700和图7的上下文中公开的。在可变放大之后，将ac和dc信号二者相加910，发送到放大器912并发送到样本110。
[0133]
图10图示了其中ac和dc配置单独且平行的另一示例性源信号链1000。在链1000中，防止ac电路(“ac配置”)影响dc电路的准确性。在这种情况下，ac和dc路径的带宽与过渡频率基本上不同以在它们被求和并发送到样本110时获得平坦的频率响应是有利的。
[0134]
如图10中所示，首先，在1006处将ac 1002与dc 1004输入的和发送到dc配置路径中的dac 1008。ac 1002输入被发送到ac配置路径中的dac 1010。然后，ac和dc信号二者由可变放大器(分别地，720a和720b)放大。dc和ac配置电路的增益720a和720b是不同的，并可以针对每一个进行配置。在图9的上下文内，它们可以以与以上针对增益720a和720b描述的相同方式来设置。接下来，ac配置信号被高通滤波1012，以去除低频分量。dc配置信号被低通滤波1014，以去除高频分量。然后，在1016处将经滤波的ac和dc信号求和。求和的信号在
1018处被放大并发送到样本110。
[0135]
图11图示了具有dc反馈回路的另一示例性源信号链1100。ac输入1102和dc输入1104被求和1106，并经由dac 1108被发送到dc配置路径。ac输入1102经由dac 1110被馈送到ac配置路径。然后，ac配置路径在与来自dc配置路径的被720b放大之后的信号求和1112之前，经过可变放大器720a。可以在图9和图10的背景下，如以上讨论地设置增益720a和720b。然后，和1112经由放大器1114被馈送到样本110。
[0136]
如下地实现dc反馈。来自dac 1108的dc配置路径与dac 1108处理之后的dc输入信号被求和1116，然后经由1118到达可变放大器720c。增益720c可以如以上针对720a和720b讨论地设置。随后，在1112，dc配置信号与ac配置信号被求和。该反馈回路基本将ac路径视为对dc路径的干扰，从而使得能够有对样本110的平坦频率输出。
[0137]
图12图示了其中dc反馈是使用adc的数字化反馈的另一示例性源信号链1200。它引入了较少的dc不准确性，增强了dc dac分辨率。链1200还利用了以下事实：与dac相比，adc通常更准确并提供更好的控制。
[0138]
链1200中的ac配置路径与图11中的链1100中的ac配置路径相同。链1200的dc配置路径与链1100的dc配置路径的不同之处主要在于，在dc反馈中包括adc 1202。然而，存在一些其他细微的差异。具体地，来自样本110的dc反馈经由可变放大器720c被馈送到adc 1202，在adc 1202处它被转换为模拟信号。然后，该信号被与来自1106的组合dc输入/ac输入信号dc相加1204。随后，组合信号被馈送到dac 1108，经由1206、放大器720b，然后在1112处与ac配置信号相加。增益720a、720b和720c全都可以如以上相对于图11描述地设置。
[0139]
平衡电流源
[0140]
转回到图7，源盒104还可以包括平衡电流源(bcs)能力732。在授予pomeroy的于2001年10月4日提交的标题为“differential current source with active common mode reduction”的美国专利no.6,501,255(’255专利)中更详细地说明了bcs 732，该专利的全部内容通过引用并入本文。
[0141]
简言之，测量系统(例如，系统100、200和300)可能容易受到不一致负载的影响，从而造成电流尖峰和/或输入/输出之间的不对称。这些尖峰可能损害这些系统的组件。单端电流源的另一个问题在于，如果负载接地到源返回，则输出电流返回不受控制。单端电流源还会在负载上产生共模电压。在这样的电流源中，输出和返回具有不同的阻抗，这产生了不平衡的负载。耦合到具有不同阻抗的引线中的共模噪声起反应以产生正常模式噪声，这对期望的电流激励可产生负面影响。需要在可以在基本不改变也不重新布线电路的情况下在应对浮动负载和接地负载二者的材料测量背景下实现电流平衡。bcs 732应对了这一需要。
[0142]
如在’255专利中讨论的，bcs 732用两个修改的豪兰德(howland)电流源驱动负载，两个修改的howland电流源向负载的每一侧输送方向相反的相等的电流。在系统100、200和300的背景下，bcs 732使用感测电阻测量与从源盒104发送到样本的源信号(图7中的“样本源信号”)相关联的源电流。然后，它根据测量的源电流的幅度来改变感测电阻的电阻范围。bcs 732还可以通过基于该源信号测量而改变源盒和测量盒104中的任一者(或二者)的电阻来平衡负载。例如，当测量的源电流超过阈值时，bcs 732可以增大或减小一个或两个盒104的电阻，以将电流降低至阈值以下。阈值电流可以表示例如超过其将对系统100、200和300的一个或更多个组件造成损害的电流。
[0143]
数字源合成
[0144]
m81 100、200和300的变型可以使用直接数字合成来产生源信号。直接数字信号提供了更大的一致性和对源信号的控制。数字信号也往往会具有较少的可变性和漂移。由于这些问题最终导致输出信号中的噪声或模糊，因此使用直接数字合成可以提高测量的准确性和再现性。尽管下面描述了某些特定示例，但要理解，用于提供数字源信号的任何适当机制可以与本文描述的任何变型结合使用。
[0145]
图13图示了数字合成的源通道1300的一个示例性变型。数字合成的源通道1300可以是图3a中示出的数字信号处理单元324的一部分。
[0146]
源可以主要从波形表1302得到。表1302可以是基于多个输入1304来生成波形的算法(软件或固件)。输入1304可以指导表1302选择到源的特定波形。输入1304可以选择频率、相移和滞后，还有其他。这些输入1304中的每一个不必在每个变型中使用。输入1304可以被本地存储，可以由用户直接输入，可以由其他软件和/或根据测量或诊断协议生成。
[0147]
参考信号1306也可以作为输入被纳入表1302。参考1306包括来自锁相放大器的源参考(例如，来自通道1-3的源锁相参考)和锁相环(pll)参考。参考1306可以由多路复用器1308选择并被发送到多路复用器(mux)1310，在mux 1310处它们与波形设置1304和附加参考1316结合。参考1306可以由用户、其他软件和/或根据测量或诊断协议选择。然后，它们被发送到表1302，以选择要作为源信号输出的特定波形。然后，来自表1302的输出波形可以通过本文描述的任何信号处理方法进一步处理1302并被提供到源盒104。通道1300还可以使用具有可选相移1304的锁相参考，而非直接经由输入1304选择。在这种情况下，源的频率和相位可以由锁相参考信号(例如，参考1312)确定。可选相移1304可以设置与参考1312的相位关系。对于每个通道，可以不同地配置外部相位关系。
[0148]
图14和图15示出了可以由数字源1300的元件1302提供的源波表1400的示例性变型。图15中的波形1500是通过绘制表1400中的数据来生成的。图15以相对单位绘制了波形1500的单个周期。
[0149]
在一个变型中，源信号供应算法可以在表示波形的一个或更多个周期的表1400中重复递增。表1400以归一化单位提供了波形幅度(输出)与时间(位置)的关系。不是必须使用归一化单位。基于输入1304换算波形的电压或时间相关性是方便的。以这种方式，表1400确定波形1500的形状。被称为相位增量(元件1304，图13)的算法通过表1400循环的速率确定了波形1500的频率。
[0150]
表1400的“位置”不需要以整数改变。在某些变型中，例如，可以使用较高分辨率的相位累加器(元件1304，图13)来跟踪波形1500的相位。相位累加器1304可以递增非整数量，以将该相位转换为表1400中的位置。
[0151]
图15中的波形1500可以通过表1302自身或者在源处理1302中平滑和/或连续。对于低通平滑，在时间tw中具有非零宽度的离散输出值可以替换图14的表中的值。如图16a中所示，这产生了“阶梯状”输出波形1602。将模拟低通滤波器应用于1602产生了图16b中示出的平滑波形1604。ac波形1604可以与dc偏压设置(未示出)组合，并在源处理1302中被馈送到闭环dc来源系统中。这可以是以上在图8至图13的背景下讨论的混合来源变型的一部分。
[0152]
先进的测量技术
[0153]
m81平台/系统100、200和300可以利用具有许多不同特征的测量盒104。使用的盒
104的特定类型及其测量特征可以取决于应用和/或实际考虑。图17呈现了具有其特征集的数个示例性测量盒104的变型。“增强组合源/测量盒”可以通过使用每一个的通道来组合源盒和测量盒的能力。“电压测量盒”可以是单端的，或者可以具有拥有在多个数量级内的连续性的差分电压测量值。“电流测量盒”可以包括测量进入虚拟地的电流的跨阻放大器。要理解，虽然图17图示了对于某些应用可能实用的特征的组合，但在某些情况下，包括比图17中示出的更多的特征可能是有利的。例如，在某些情况下，增强组合源/测量盒测量电压、电流、具有最低噪声、模拟滤波器、无缝和无缝变范围可以是有利的。所有这些变型都应该被考虑在当前公开的上下文内。
[0154]
图18图示了在系统100、200和300的变型中的在示例性头单元102和示例性测量盒104之间的测量信号链1800。头102中的信号链1800的一部分(即，1802、1806-1816)可以是图3a中示出的数字信号处理单元324的一部分。
[0155]
如图18中所示，头102包括测量通道1802。在示例性情况下，存在两个输入测量通道，一个用于范围a并且一个用于范围b，每个通道都具有其相关联的adc。要理解，根据特定测量和所涉及的范围的数量(可以显著大于两个(例如，三个、四个或更多个))，任何合适数量的测量通道都是可能的。可以经由多个可变放大器720和模拟滤波器1804从测量盒104获得测量通道1802，如图18中所示。可以如图10至图12中的增益720a-720c的上下文中描述地设置放大器720上的增益。通道1802可以与范围混合信号1808组合1806，并经由锁定被发送以进行解调1810，如下面关于图23更详细描述的。解调可以获知参考信号(例如，参考(锁定)和参考+90度(锁定)1812)，并且经受数字滤波器1814进行的信号细化。数字滤波器1814可以是例如有限脉冲响应和无限脉冲响应。
[0156]
如图18中所示，范围混合器1808还可以提供范围和设置1816的输出，其最终被反馈到放大器720和模拟滤波器1804以具体地针对范围a和b中的每一个调整测量的样本信号的增益和处理。该过程被称为连续测量变范围和/或范围混合。其目的是确保防止在测量盒104必须改变其采集参数以针对测量的样本信号的范围改变进行调整时原本会出现的毛刺或测量不一致。下面将进一步讨论范围混合器1808的操作以及范围a和b之间的连续变范围。
[0157]
测量盒104还可以包括能够执行各种功能的数字(非模拟)电路，该功能包括分析、数据通信、命令信息、功率调节、定时以及与外部设备的通信。在变型中，测量盒104具有在执行测量或提供源信号时使该非模拟电路失效的能力。这样做减少了信号或测量中的干扰和噪声的量。出于同样的原因，测量盒104中的数字信号可以与源盒104和头102隔离。
[0158]
连续测量范围
[0159]
材料测量(特别是在低温下执行以及涉及与电子结构相关的特性的材料测量)的范围可跨数十倍和多个数量级。这些广泛的范围可使传统的测量设备承受压力。常常需要不同的设备来测量不同范围的值。在单个实验中，在不同设备之间切换以覆盖多个范围可造成测量的数据中的毛刺。许多因素造成这些毛刺，例如，不同范围测量系统之间的准确性和增益差异。另外，范围的变化可导致测量值随着时间的推移而不连续，从而造成收集到的数据中有间隙。这两种情况都不是期望的。这二者都使整体测量准确性下降。为了应对这些问题，m81 100、200和300的变型具有“无缝变范围”能力，如下面讨论的并在共同未决的美国临时专利申请no.63/016,745中更详细地讨论的。
[0160]
图19将m81 100、200和300中的具有无缝(连续)变范围1902的电压测量与由缺乏无缝变范围能力的常规装置1904进行的相同测量进行比较。图19示出了常规变范围1904如何在范围过渡δt内的测量数据1904中产生不连续d。这是因为，使用具有不同测量特性(例如，精度、增益等)的不同组的设备来测量范围r1和r2中的数据。另外，范围r1和r2之间的切换可能引入由“预热”或开始使用专用于在过渡到的范围(在图19中示出的示例性情况下，r2)内进行测量的设备导致的瞬态信号、噪声或毛刺。
[0161]
图19还示出了如何通过m81平台/系统100、200和300中包括的无缝变范围能力来平滑过渡δt(连续变范围测量数据1902)。该平滑效应在图19中被示意性表示为通过连续变范围数据1902避免不连续d。虽然在图19的背景下仅讨论了两个示例性范围r1和r2，但要理解，连续变范围技术可以应用于与特定测量相关的任何适当数量的范围。例如，在某些情况下，范围的数量可以是三个、四个或更多个。在这些情况中的每一种下，可以配置连续变范围，以确保每个范围变化之间的平滑过渡，而不管范围变化的方向如何(即，不管范围变化是涉及测量值的如图19中所示的增大还是减小(未示出))。
[0162]
连续变范围使用可以独立和/或同时应用的单独的信号放大/增益链来处理两个范围r1和r2。下面将在图20和图21的上下文中讨论具体的实现方式。单独地和/或同时地处理每个范围r1和r2允许基于通过活动的放大范围收集的数据来配置非活动范围(即，目前在测量中没有采用的范围，例如，当t《t
tr
时的范围r2或当t》t
tr
时的范围r1)的放大链。在活动范围测量的同时保持非活动范围的放大链在线可以避免非活动范围最终接合时的启动瞬变。它还允许“范围混合”，其中组合地应用针对每个范围的增益链以便在从范围r1到r2(反之亦然)的过渡δt内的数据平滑变化。即，来自这两个范围的放大链可以被同时应用，以平滑范围过渡δt内的数据。例如，这可以经由软件混合器来完成，和/或然后可以从r1平滑过渡到r2，反之亦然。
[0163]
图20是经由双放大链实现无缝变范围的一个变型2000。变型2000可以由例如图18中示出的范围混合器1808来实现。
[0164]
如图20中所示，除了1)不同的adc(分别为2008a和2008b)和2)较高增益链2004中的附加放大器2006(为它赋予比较低增益链2002高的增益)之外，较低增益链2002和较高增益链2004是相同的。来自adc 2008a和2008b的输出由混合器2010组合，并用在用于范围测量的测量盒104的获取例程中。在链2000中，组合可以通过因子α加权。可以动态地选择α，以便确保在变范围过渡δt内的平滑过渡(例如，使用范围混合来避免图19中的不连续d)。α可以由用户设置，但常常通过变范围算法来设置(例如，图22a中示出的算法2200)。
[0165]
图21示出了用于无缝变范围的另一示例性放大链2100。变型2100可以由例如图18中示出的范围混合器1808来实现。
[0166]
链2100包括较低增益部2102和较高增益部2104，其除了1)不同的adc(分别为2108a和2108b)；2)较高增益部2104中的附加放大器2106(为它赋予比较低增益部2102高的增益)；以及3)较低增益部2102和较高增益部2104分别经由多路复用器2114a和2114b连接到增益级2112之外相同。
[0167]
如图21中所示，可以分别经由多路复用器2114a和2114b选择从增益级2112a和2112b供应到较低增益部2102和较高增益部2104的放大。以这种方式，链2100可以使用比链2000更少的专用放大器来向混合器2110提供组合。对较低增益部2102和较高增益部2104使
用相同的增益级2112a和2112b(以及放大器)不仅仅是更有效。它还可以在系统中引入较少的可由于不同放大器之间的毛刺或不兼容而引起的噪声。例如，每个放大器都可能有瞬变，当它们持续使用时，无论应用的范围是什么，都可以避免该瞬变。
[0168]
如在链2000的情况下，链2100中的组合可以通过因子α加权。可以动态地选择因子α，以便确保在变范围过渡δt内的平滑过渡(例如，使用距离混合来避免图19中的不连续d)。α可以由用户设置，但常常通过变范围算法(例如，图22a中示出的算法2200)来设置。
[0169]
在包括链2000和2100以及其他的变型中，无缝变范围可以包括自动变范围。图22a提供了可以与无缝变范围结合使用的自动变范围算法2200的示意性示例。图22c以流程图的形式示出了算法2200。除了数字信号处理单元324中的其他组件之外，它可以由图18中的范围混频器1808来实现。
[0170]
在图22b中示出的测量信号2250从范围r1、r2和r3增加时，算法2200改变范围。信号2250在t＝t
tr(1-2)
从范围r1过渡到r2并且在t
tr(3-4)
从范围r2过渡到r3。图22a示出了在这些过渡内算法2200在应用专用于范围r1、r2和r3的增益链的方面的响应。
[0171]
如图22a和图22c中所示，在从r1过渡到r2(t
tr(1-2)
)之前的时段2202期间，算法2200提供针对100％r1配置的增益(例如，从图20的链2000中的较高增益部2004提取以向两个范围中的较低范围提供较高增益)。图22a和图22c还示出了在测量信号接近过渡t
tr(1-2)
时，算法2200混合针对r1和r2的增益特性(例如，从较高增益部2004和较低增益部2004提取)。该预过渡r1/r2混合时段被标记为2204。如以上讨论的，混合避免了r1/r2范围过渡期间数据中的毛刺和/或间隙。在t
tr(1-2)
处的r1/r2过渡之后，算法2200在不混合的情况下应用r2增益(例如，从图20的链2000中的较低增益部2002提取)。图22a、22b和22c示出，算法以相同的方式(即，首先通过在时段2208期间混合针对r2和r3的增益特性，然后通过仅在时段2210期间提供r3配置的增益)在t
tr(3-4)
从r2变为r3。
[0172]
图22a还示出了时段2206(仅r2)期间的滞后2212的区域。在滞后2212期间，没有预期的变范围(即，增益链的仅一个增益部是活动的，在这种情况下，是针对r2的增益链)。这避免了由于噪声或信号变化而在范围之间来回切换。一旦测量信号2250的边缘接近r3，滞后时段2212就结束。时段2214表示通过接合针对r3的增益链(未示出)而预期的从r2到r3的范围变化的时段。与r3对应的增益链在2214期间被接合，既是出于校准的目的又是为了避免瞬变，如以上讨论的。尽管没有针对r1/r2过渡示出滞后或范围升高部分的预期，但要理解，它们也可以应用于该过渡。
[0173]
尽管图22a示出了在测量的信号增大时算法2200的操作，但要理解，随着测量的信号减小(例如，从较高范围r3到较低范围r2，然后到最低范围r1)，算法应用相同的方式。这是经由图22d中的流程图2220示出的。在这种情况下，算法2200将具有预期范围降低时段，而非预期范围升高时段(例如，在t
tr(2-3)
从r3向下过渡到r2(图2220中的步骤2224)等)。尽管图22a、22b和22c示出了处理三个示例性范围r1、r2和r3之间的范围变化的算法2200和2220，但要理解，它可以以相同的方式处理适于实验的任意数量的范围之间的范围变化。算法2200和2220的其他变型可以包括许多其他算法和/或范围/参数设置以及任何合适数量的范围过渡。
[0174]
锁定测量
[0175]
m81100、200和300变型可以包括具有锁定测量能力的头102，以精确地从噪声测量
信号中提取测量值，还有其他。图23示出了可以由数字信号处理单元324实现的一个示例性变型2300。在变型2300中，测量的信号2302可以与已知的参考源2306相乘2304，以产生解调信号2308。在解调之后，低通滤波器2310可以去除噪声并产生读数2312。
[0176]
在一个示例性实现方式中，可以通过获得ac电流和测量电压2302来测量样本110的电阻r1。将测量的电压读数2302与作为参考信号2306的电流源104的输出相乘2304可以允许经由图23的锁定技术提取仅由通过电阻r1的电流产生的电压。
[0177]
锁定技术2300利用了下面的信号处理构思。在这种情况下，信号相乘有助于信号提取，因为具有不同频率(ωr≠ωm)的两个重复信号的乘积平均为零：
[0178]
∫sin(ωrt）*sin(ωmt)＝o，ωr≠ωm[0179]
然而，当相乘的信号具有相同的频率(ωr＝ωm)时，信号的乘积将平均为信号幅度的一半：
[0180][0181]
因此，可以使用图23的锁定技术2300将测量信号2302与不包括参考2306信号的干扰和噪声隔离。
[0182]
m81100、200和300的变型还可以解调谐波(即，参考频率的倍数)以进行信号提取。当如图24中针对信号1902和1904示出的，信号之间存在相位差(θ)时，这是特别有用的。
[0183]
如果在参考信号与测量的信号之间存在相位差θ(图24)，单个锁定读数的值取决于θ：
[0184][0185]
m81 100、200和300的变型可以通过使用匹配θ的解调相移来解释这种相位相关性。解调相移如下地进行。首先，两相测量确定了相位差的量。可以将测量的信号与参考和90度相移的参考二者相乘。这产生同相(i)和异相(q)信号部分：
[0186][0187][0188]
然后，可以使用(1)和(2)来计算相位差的量：
[0189][0190]
经由(3)计算的相位差可以作为解调相位应用到参考信号。这带来了同相的读数并使异相分量归零：
[0191][0192]
m81 100、200和300的变型可以自动地计算和应用解调相。
[0193]
图25示出了头102如何也可以使用锁相环(pll)2500来获得要供应到2300的参考。pll 2500可以是数字信号处理单元324的一部分。
[0194]
经由多路复用器2502从外部信号2504、电力线频率2506和/或三个测量通道信号2508之一(由用户或通过算法)选择参考。在一些变型中，用户可以旁路2510高通滤波器2512，以施加低频信号。用户可以选择将输入信号反相(180
°
偏移)。
[0195]
在pll 2500的变型中，可以使用一个信号在给定时间产生参考。pll 2500可以确保参考的频率和相位与输入信号的频率和相位相匹配。独立频率(kf)和相位控制回路(k
p
)可以跟踪输入信号的变化。高通滤波器2512可以使得能够锁定参考方波或ac信号+/-5v。多路复用器2502可以选择测量通道中的一个作为参考。
[0196]
m81 100、200和300的变型可以利用参考输出。图26中示出了一个示例性参考输出2600。参考输出2600可以由数字信号处理单元324实现。
[0197]
用户可以经由多路复用器2608选择输出源参考2602或pll参考2604中的一个。定时器外围2610(例如，在一定量的时间或时钟周期之后的触发)或其他定时器件可以生成与采样时钟(例如，图3a中的共享同步时钟302)同步的信号。在一些变型中，用户还可以选择经由可选的反相器2612将信号反相。在变型中，一次可以发出一个参考信号。
[0198]
m81 100、200和300的变型可以利用由数字信号处理单元324实现的测量数字信号处理器/处理(dsp)。在图27中示出了一个示例性变型2700。例如，关于信号输入，a和b测量通道可以分别由两个独立的adc 2552和2554读取。发送到adc 2552和2554的信号可以被内插以进行无缝变范围，如以上在图19至图22c的上下文中详细描述的。
[0199]
两个信号和b中的较大者可以被发送到pll，诸如在图25的上下文中描述的pll 2500。可以使用峰值检测，以在诸如图22a和22c中描述的算法2200和/或图22c中的算法2220的无缝变范围算法中做出自动变范围决策。可以将可选/可配置的数字滤波器2756应用于测量。在一个变型中，滤波器是可以被配置用于低通、高通、带通或陷波滤波的级联的双二阶滤波器。在一些变型中，当进行ac/dc测量时，开关2758和2760可以分别选择它们的上部信号2758a和2760a。这造成在乘法器2762中将测量值与其自身相乘，并在乘法器2764中与1相乘(即，不变)。在求平均之后，顶部信号2768是来自a和b的rms测量读数。底部信号2770是dc读数。无论进行何种类型的测量，峰值检测2766都可以保持相同。可以根据盒的类型及其范围将测量值转换为适当的单位。
[0200]
关于pll 2500的变型，用户可以选择使用哪个参考信号并且还可以设置解调谐波和相位。可以从参考产生两个波形。例如，如图24中所示，波形1902和1904为90
°
异相。在锁定测量的变型中，开关2758和2760选择它们的较低信号，即2758b和2760b。在求平均之后，顶部信号2768是q(正交)指示，并且底部信号2770是i(同相)指示(分别为以上式2和式1)。分组产生器2772可以同步时间戳信号，经由共享同步时钟302进行同步，并将其缓冲到头102的其余部分。
[0201]
m81 100、200和300系统集成
[0202]
作为集成系统，m81 100、200和300的变型可以包括盒安装座，诸如分别在图28a和图28b中示出的安装座2802和2804。图28a示出了安装座2802和2804可以如何具有两个半部(例如，半部2802a和2802b)并以蛤壳构造装配在一起。其他配置也是可能的，并在本发明的上下文内。安装座2802和2804可以包括用于静电屏蔽的材料(例如，塑料、树脂、橡胶等)。安
装座2802和2804可以包括用于磁屏蔽的材料，诸如钢、高导磁合金(mu metal)或其他磁性合金。盒104可以经由壳体2802和2804堆叠在一起并被机架安装。
[0203]
这些安装座通常包括多个穿通连接，诸如图28b中的bnc连接件2806a。尽管仅示出了bnc连接件2806a，但要理解，任何数量的合适连接件都是可用的。图28b示出了可以容纳这种连接件的多个附加通孔2806b。通孔2806b可以被连接件占据。它们也可能是空置的，并具有用于防止内部暴露的顶盖，如图28b中所示。合适的连接件包括同轴线缆型、三轴型等。如图28b中所示，安装座2802和2804还可以包括用于安装到夹具上的滑动安装座2808，夹具诸如样本台(例如，图1中的样本台106)的机架或片段。尽管在图中示出了滑动安装座2808，但要理解，可以使用合适的安装系统(例如，螺栓、卡扣配合、导轨、螺钉等)。图28a和图28b还示出了可供安装座2802和2804立在其上的支脚(2802c、2802d、2804c和2804d)。
[0204]
图29a和29b示出了源配置(图29a)和测量配置(图29b)中的触摸屏102c的细节。要理解，虽然在图29a和29b中分别示出了源配置和测量配置，但它们不需要是分开的。源配置和测量配置可以彼此同时在同一屏幕102c上示出，并且还与本文公开的其他指示符、诊断或信息一起示出。作为示例，头102可以包括示波器功能并在与图29a和图29b的测量显示和源显示相同的屏幕102c上显示波形。
[0205]
由于102c是触摸屏，因此可以通过触摸输入来调整图29a和29b上的各种元件。例如，图29a示出了如何可以通过触摸调整源模式2902(例如，从i(电流)调整为v(电压))。图29a示出了如何可以通过触摸调整源范围2904、源级别2906、合规限制2908、感测线2910和测量模式2912中的全部。图29b示出了测量模式2914、平均时间2916和范围2918如何。另外，屏幕102c可以允许输入电流和电压(图29a和图29b中示出)。通常，本文描述的任何测量值和设置都可以经由前面板触摸屏102c来查看和配置，无论是否在图29a和图29b中明确示出。
[0206]
虽然本发明的各种发明方面、构思和特征可以在本文被描述和例示为在示例性实施例中组合地实施，但这些不同方面、构思和特征可以要么独立地要么以其各种组合和子组合用于许多替代实施例中。除非在本文明确排除，否则所有这种组合和子组合旨在在本发明的范围内。进一步地，虽然可以在本文描述关于本发明的各个方面、构思和特征的各种替代实施例——诸如，替代材料、结构、配置、方法、电路、设备和组件、软件、硬件、控制逻辑、关于形式、配合和功能的替代等，但这种描述并不旨在是可用替代实施例的完整或详尽列表，无论是目前已知的还是以后开发的。本领域的技术人员可以容易地将本发明的方面、构思或特征中的一个或更多个用到本发明范围内的附加实施例和用途中，即使这样的实施例在本文没有明确公开。另外，即使本发明的某些特征、构思或方面可以在本文被描述为优选布置或方法，这种描述也并不旨在暗示需要或必须有这种特征，除非明确说明。另外，可以包括示例性或代表性的值和范围，以帮助理解本公开，然而，这种值和范围将不以限制含义解释，只有在明确说明时，才旨在成为临界的值或范围。另外，可以包括示例性或代表性的值和范围，以帮助理解本公开，然而，这种值和范围将不以限制含义解释，只有在明确说明时，才旨在成为临界的值或范围。标识为“大致”或“约”指定值的参数旨在包括指定值和在指定值的10％内的值二者，除非另有明确说明。另外，要理解，本技术所附的附图可以但不需要按比例，因此可以被理解为教导附图中明显的各种比率和比例。此外，虽然各个方面、特征和构思可以在本文被明确标识为发明或形成发明的一部分，但这种标识不旨在是
排他性的，而是可以存在本文中完全描述而没有明确标识为此或特定发明的一部分的发明方面、构思和特征，替代地，本发明在所附权利要求中阐述。示例性方法或过程的描述不限于包括在所有情况下需要的所有步骤，步骤呈现的次序也将不被解释为必须或必要的，除非明确说明。