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OE1022与SR830优势对比报告


OE1021与SR830光栅光谱测试应用对比报告;OE1022与SR830弱电流测试对比报告; OE1022-B(改进型)的SINE OUT测试对比报告。

1、OE1021与SR830光栅光谱测试应用对比

  在光谱测试方面:我们利用目前世界上最流行的SR830(斯坦福研究公司研制)和OE1021对某种光源光谱进行对比测试,结论为两台机器在光谱测量应用方面的测量结果是一致的。
      1)锁放参数设置:300ms, normal, 12dB, I(106), DC, FLOAT, 500nA;
      2)斩波器:1000Hz;
      3)出/入光缝:3mm;
      4)采集卡采样率:100S/s;
      5)光栅360°旋转。
      其中,蓝色曲线由SR830测得,红色曲线由OE1021测得,得到曲线如图10。从图10-1可得看出两台锁相放大器测量光谱得到的结果一致。将图10-1中光谱的细节放大,得到图10-2,可看出两台锁相放大器的光谱测量结果仍然十分吻合。

光谱测试结果对比图

图1. 光谱测量结果对比图1

汞灯光谱对比测试图

图2. 光谱测量结果对比图2


2、OE1022与SR830弱电流测试对比

(1)、测量平台

OE1022与SR830的电流档对比测量

图3. OE1022与SR830的电流档对比测量平台

OE1022与SR830的电流档对比测量连接方式

图4. 电流输入连接方式

 如图3所示测量平台,主要是对锁相放大器(下文简称锁放)的电流档进行对比测试。待测锁放包括SSI的OE1022和STANFORD RESEARCH SYSTEMS的SR830。使用的电流源为KEITHLEY的6221 DC AND AC CURRENT SOURCE。
      如图4所示,为电流输入连接方式,尽可能消除BNC同轴线引入的噪声影响。


(2)、测量配置

对于OE1022和SR830两台锁放,按照如下顺序进行配置:
     1)选择电流档“I”;
     2)选择电流增益,OE1022为“1M”,SR830为“I(10
6)”,两者增益相同;
     3)选择交流耦合方式“AC”,接地方式为浮地“Float”;
     4)选择内部参考信号“Internal”;
     5)时间常数Time Constant选择“300ms”,滤波器滚降为“12 dB/oct”;
     6)动态储备Reserve选择“Normal”;
     7)灵敏度Sensitivity根据实际测量进行适当修改;
     8)其他选择默认设置即可。

     对于6221电流源,按照如下顺序进行配置:
    1)三轴输出端配置为Triax inner shield = output low,Triax output low = earth ground;
    2)设置输出函数信号波形为正弦信号,频率为1000Hz;
    3)限制输出电压Compliance Voltage为1.00V;
    4)正弦信号幅值根据需要进行设置;
    5)其他选择默认设置即可。


(3)、测量结果

 设置6221电流源的输出正弦电流信号的幅值为有效值1.0000nA RMS,即峰值为1.4142nA PEAK,设置灵敏度Sensitivity为2nA。测量结果见附件1nA-OE1022.AVI和1nA-SR830.AVI。测得的幅值波动范围如表1所示。

表1.png

 同上,依次设置6221电流源的输出正弦电流信号的幅值为有效值0.1000nA RMS,0.0100nA RMS,依次设置灵敏度Sensitivity为200pA,20pA,测量结果见附件100pA-OE1022.AVI,100pA-SR830.AVI,10pA-OE1022.AVI和10pA-SR830.AVI。测得的幅值波动范围如所示。

表3.png

(4)、pA级小电流测量稳定性分析

 同样使用图3所示测量平台,按照第2部分所述内容进行配置,设置6221电流源的输出正弦电流信号的幅值为有效值0.0100nA RMS,将两台锁放分别通过USB连接到计算机,如下图5所示,通过LabVIEW程序连续读取测量得到的电流幅值,可以得到电流随时间的变化曲线,如图6、图7所示。

OE1022与SR830的电流档对比测量

图5. pA级小电流测量稳定性分析

  计算可得,OE1022测得的电流平均值是10.187pA,标准差是0.37458pA;SR830测得的电流平均值是10.202pA,标准差是0.95835pA,详细数据见附件“10pA-1kHz-OE1022.xls”和“10pA-1kHz-SR830.xls”。

10pA电流测量结果-OE1022.bmp

图6. OE1022测量10pA小电流

10pA电流测量结果-SR830.bmp

图7. SR830测量10pA小电流

  如图8、图9所示,使用OE1022和SR830对10pA小电流进行对此测量。可以看到,在同样的测量条件下,OE1022测得的结果相对于SR830测得的结果是更加稳定的。详细数据见附件“10pA-1kHz-OE1022-Test1.xls”,“10pA-1kHz-OE1022-Test2.xls”,“10pA-1kHz-OE1022-Test3.xls”,和“10pA-1kHz-SR830-Test1.xls”, “10pA-1kHz-SR830-Test2.xls”,“10pA-1kHz-SR830-Test3.xls”。

10pA多次电流测量-OE1022.bmp

图8. OE1022对10pA小电流进行多次测量

10pA-SR830-2.bmp

图9. SR830对10pA小电流进行多次测量


(5)、电流档的幅频特性对比测量

同样使用图5所示测量平台,按照第2部分所述内容进行配置,不同的地方在于:
      1)设置6221电流源的输出正弦电流信号的幅值为有效值1.0000nA RMS;
      2)设置6221电流源的输出正弦电流信号的频率依次为1kHz、5kHz、10kHz;
      3)设置锁放的时间常数为30ms,灵敏度为2nA。

      测量结果如图10、图11所示,可以看到,随着频率的增加,测得的电流幅值都有一定程度的衰减,具体结果见表4所示。详细数据见附件“1nA-1kHz-OE1022.xls”,“1nA-5kHz-OE1022.xls”,“1nA-10kHz-OE1022.xls”和“1nA-1kHz-SR830.xls”,“1nA-5kHz-SR830.xls”,“1nA-10kHz-SR830.xls”。


1nA电流不同频率测量结果-OE1022

图10. OE1022对不同频率下的1nA电流进行测量

1nA电流不同频率测量结果-SR830

图11. SR830对不同频率下的1nA电流进行测量


表4.png

1nA-50kHz-OE1022

图12. OE1022对50kHz的1nA电流进行测量

1nA-50kHz-SR830

图13. SR830对50kHz的1nA电流进行测量

  将6221电流源的输出正弦电流信号的频率修改为50kHz,锁放的灵敏度适当调大,得到如上图12、图13所示结果。可以看到两台锁放测得的结果都大于1nA,计算可得,OE1022测得的电流平均值是3.1343nA,标准差是78.716pA;SR830测得的电流平均值是4.5081nA,标准差是564.60pA,详细数据见附件“1nA-50kHz-OE1022.xls”和“1nA-50kHz-SR830.xls”。


(6)、 电流档低频段的幅频特性对比测量(低信噪比)

电流档对比测试平台.jpg

图14. pA级电流低频段幅频特性测试平台

 测试平台与上述平台相似,不同的是电流源换成了光电二极管。通过控制单色仪中光栅的角度,改变到达光电二极管的光的强度,就可以控制输入到锁相放大器的光电流大小。使用光电二极管代替电流源是为了得到低信噪比的电流信号。锁相放大器的设置与第2部分相似,但需要把参考信号改为External,同时打开同步滤波器,滤波器陡降改为24dB/oct,时间常数改为3s。
      分别向OE1022和SR830输入同等幅值的电流信号,通过斩波器改变信号的频率,从20Hz递增到190Hz,得到的测试结果如下表5所示:

表5.png


根据表5可以做出OE1022和SR830在低频段的幅频响应曲线,如下图15所示:

OE1022与SR830电流频率测试对比

图16. OE1022和SR830的幅频响应曲线

  由上图可以看出,锁放测量的电流值会随着输入信号频率的改变而改变。而且不同的锁相放大器会有不一样的频率响应特性,因此测量同样的输入信号时,得到的结果会因为使用不同的锁放而产生偏差。另外可以明显看出,在此低频范围内(0~200Hz),OE1022受频率的影响远小于SR830。


3、OE1022-B(改进型)的SINE OUT测试对比

  OE1022-B是OE1022的改进型,主要是对SINE OUT部分进行了一个全面的优化。该型号的SINE OUT输出范围由1mV RMS到5V RMS连续可调,输出信号的信噪比有了一个很大的提升,特别是在小幅值输出的情况下,仍然可以保持一个漂亮的波形。下面使用泰克的DPO 4104B示波器对OE1022-B锁放、SR830锁放以及Agilent 33250A函数发生器的输出波形做一个测量对比,得到下图24、图25、图26和图27。

 

有效值4mV,频率1kHz的波形对比

图17. 有效值4mV,频率1kHz的波形对比
有效值4mV,频率100kHz的波形对比
图18. 有效值4mV,频率100kHz的波形对比
有效值10mV,频率1kHz的波形对比
图19. 有效值10mV,频率1kHz的波形对比
有效值10mV,频率100kHz的波形对比
图20. 有效值10mV,频率100kHz的波形对比

 上图中黄色曲线为OE1022-B锁放的SINE OUT输出的波形,蓝色曲线为Agilent 33250A函数发生器输出的波形,紫色曲线为SR830锁放的SINE OUT输出的波形。从上图可以看出,即使在输出幅值很低的情况下,OE1022-B的波形都能够与Agilent 33250A相媲美,但SR830就会出现明显的噪声,尤其在频率较高时,SR830的波形还会有较大的毛刺。