JP2023524216A - 同期的な正確な材料性質測定のための統合された測定システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

測定システムは、源信号をサンプルに提供するための源ユニットと、電圧源および／または電流源と、メモリとを含む。本システムはまた、サンプルから、源信号に応答し得る測定信号を入手するように構成される、測定ユニットと、電圧測定ユニット、電流測定ユニット、および／または静電容量測定ユニットと、メモリとを含む。本システムはまた、デジタル信号処理ユニット、源コンバータ、測定コンバータを含む、制御ユニットを含む。本システムはさらに、デジタル信号処理ユニット、源コンバータ、測定コンバータ、源ユニット、および測定ユニットのクロックを同期させるように構成される、同期ユニットと、制御ユニットを含む本システムの側面を較正するための較正ユニットと、制御ユニットに関する共通基準電圧を供給するように構成される、基準電圧供給源とを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、そのそれぞれが、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０２０年７月２８日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０５７，７４５号「ＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳ ＳＯＵＲＣＥ ＭＥＡＳＵＲＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」、２０２０年４月２８に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０１６，７４７号「ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＡＮＡＬＯＧ－ＴＯ－ＤＩＧＩＴＡＬ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」、および２０２０年６月３日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０３４，０５２号「ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＤＩＧＩＴＡＬ－ＴＯ－ＡＮＡＬＯＧ ＳＩＧＮＡＬ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」の優先権を主張する。

本開示は、信号供給および信号測定のための電子機器、分析器具類、ソフトウェア、およびインフラストラクチャに関する。より具体的には、本開示は、高レベルの雑音および干渉を引き起こし得る困難な実験条件下で材料およびデバイス特性評価および他の用途のために信号を測定し得るシステムに関する。

材料およびデバイス性質測定（例えば、ホール、移動度、およびキャリア濃度等の電子輸送性質等）は、多くの場合、雑音、干渉、および迷走信号に非常に敏感である。例えば、超伝導性質は、典型的には、過剰な雑音を伴わずにそれらの性質を観察するために必要な極めて低い温度（例えば、４Ｋよりも低い）において測定される。これらの測定はまた、非常に高い磁場強度（例えば、５Ｔを超える）を要求し得、これは、実験設定を複雑にし得る。これらの損なわせる条件下で雑音、干渉、および迷走信号を取り扱うことが、信頼性のある正確なデータを取得するために重要である。

これらの性質を測定するための実験設定は、現在、いくつかの異なるタイプの機器（例えば、ロックイン増幅器、他の増幅器、電流源、電圧計、電流計、アナログ－デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、および他のデバイス）を要求する。例えば、ロックイン増幅器は、高干渉／雑音条件下で信号を測定するために不可欠である。それらは、既知の搬送波を用いて測定信号を抽出し、不要または干渉信号を遮断する。ロックインは、典型的には、上記に言及される他のデバイスと一緒に実験室ラック内に配設するために設計される別個のコンポーネントとして販売されている。実際には、各機器は、別個の独立したユニットとして実験設定に組み込まれる。研究者は、ユニットを物理的かつ電気的に接続することによって、実験設定を作成する。

異種の機器のユニットからの実験設定のユーザ作成は、システム全体の雑音軽減を、不可能ではないにしても、困難かつアドホックにする。各ユニットは、独立して、かつ別個に雑音に寄与する。各ユニットは、一意の、多くの場合予測不能な干渉感受性を有する。各ユニットは、異なる安定化または過渡的効果に寄与する。これらの異なる寄与および感受性は、個々に対処されなければならない。較正は、個々に行われなければならない。したがって、干渉／雑音軽減および較正の複雑さは、測定に関与するデバイスの数に対応する。その数は、比較的に控えめな材料性質実験に関しても、容易かつ急速に大きくなり得る。これは、そのような測定システムの正確度に対するハード限界を設定する。

機器ユニットは、多くの場合、異なる商業的供給業者からのものであるため、互換性問題は、システム全体の雑音および干渉軽減を限定する。協調して機能する１つまたはそれを上回るユニットを伴う軽減技法は、不可能または非実践的であり得る。例えば、デジタル干渉が敏感な測定を混乱させるとしても、デジタル電子機器をシステム全体で区切る、またはシャットダウンすることは、不可能であり得る。各ユニットは、典型的には、その独自のクロックを有するため、精密な同期は、困難または不可能であり得る。標準的な接続（例えば、ＢＮＣコネクタおよびケーブルおよび従来的な器具ラックの使用による）は、問題を導入する。各接続は、付加的インピーダンスおよび／または雑音をもたらす。ワイヤは、干渉を追加する。任意の数の源からの迷容量は、測定に支障をきたす。

これらの問題は、測定の再現性および正確度を低下させる。異なる実験設定は、同一のサンプルに対する同一の測定に関して異なる結果を生成し得る。したがって、システム全体の雑音軽減、干渉拒絶、源／測定同期、および較正を提供する、正確で一貫性があり、信頼性のある材料測定システムの満たされていない必要性が、存在する。また、過剰な接続、ワイヤ、およびデジタル電子機器の干渉によって生成されるものを含む、雑音および干渉源の数を低減させることの満たされていない必要性が、存在する。

本開示の側面は、源信号をサンプルに提供するように構成される、源ユニットを備える、測定システムを含む。源ユニットは、電圧源および電流源のうちの少なくとも１つと、源較正を記憶するように構成される、メモリとを備える。本システムは、サンプルから、源信号に応答し得る測定信号を入手するように構成される、測定ユニットを備える。測定ユニットは、電圧測定ユニット、電流測定ユニット、および静電容量測定ユニットのうちの少なくとも１つと、測定較正を記憶するように構成される、メモリとを備える。本システムは、デジタル信号処理ユニットと、デジタル信号処理ユニットと源ユニットとの間に接続される、源コンバータとを備える、制御ユニットを備える。本システムは、デジタル信号処理ユニットと測定ユニットとの間に接続される、測定コンバータと、デジタル信号処理ユニット、源コンバータ、および測定コンバータのクロックを同期させるように構成される、同期ユニットと、制御ユニットを含む本システムを較正するための較正ユニットと、制御ユニットに関する共通基準電圧を供給するように構成される、基準電圧供給源とを備える。

制御ユニットは、源ユニットおよび測定ユニットによって実施される自己較正からの較正データと、記憶される工場較正からの較正データと、インターネットを介した遠隔源からの較正データと、ユーザ入力からの較正データと、源ユニットからの源較正データと、測定ユニットからの測定較正データとのうちの少なくとも１つを取得するように構成されてもよい。制御ユニットは、周期的に源較正および測定較正を取得するように構成されてもよい。制御ユニットは、源ユニットが源信号をサンプルに提供していない可能性があるときに源ユニットのメモリからの源較正と、測定ユニットがサンプルから測定信号を入手していない可能性があるときに測定ユニットのメモリからの測定較正とのうちの少なくとも１つを取得するように構成されてもよい。制御ユニットは、並行して源較正および測定較正を取得するように構成されてもよい。デジタル信号処理ユニットは、制御ユニット、源ユニット、および測定ユニットのうちの少なくとも１つに関する較正データを記憶してもよい。電流源ユニットは、感知抵抗器を介して源信号と関連付けられる源電流を測定し、源電流の大きさに従って、感知抵抗器の抵抗範囲を変動させるように構成されてもよい。本システムは、源電流が閾値電流を超えるかどうかを決定し、源電流が閾値電流を超えるとき、源電流が閾値電流を下回るように、源ユニットおよび測定ユニットのうちの少なくとも１つのフィードバック要素を改変するように構成される、電流源保護ユニットを備えてもよい。

同期ユニットは、内部クロック信号に対してデジタル信号処理ユニット、源コンバータ、および測定コンバータを同期させるように構成されてもよい。デジタル信号処理ユニットは、測定ユニットおよび源ユニットのうちの少なくとも１つから発するデータに関するタイムスタンプを提供するように構成されてもよい。測定ユニットからのデータは、測定信号を備えてもよい。源ユニットからのデータは、源信号を備えてもよい。源ユニットは、源信号を提供するとき、非アナログ回路を非アクティブ化するように構成されてもよい。測定ユニットは、測定信号を測定するとき、非アナログ回路を非アクティブ化するように構成されてもよい。

デジタル信号処理ユニットは、測定信号および源信号のうちの少なくとも１つに対して、以下、すなわち、ロックイン分析と、交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）測定と、インダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）、および抵抗（Ｒ）（ＬＣＲ）測定と、時間／範囲ドメイン提示と、周波数ドメイン分析と、雑音分析と、ＡＣ／ＤＣ供給と、制御ルーピングと、１つを上回る源から源信号を提供するステップとのうちの少なくとも１つを実施するように構成されてもよい。

源ユニットと制御ユニットとの間のインターフェースは、低インピーダンス緩衝アナログ信号を備えてもよい。測定ユニットと制御ユニットとの間のインターフェースは、低インピーダンス伝送および高インピーダンス受信回路を伴う電圧モードアナログ信号インターフェースと、高出力インピーダンス伝送および低インピーダンス受信回路を伴う電流モードアナログ信号インターフェースとのうちの少なくとも１つを備えてもよい。源ユニット、測定ユニット、および制御ユニットのうちの少なくとも１つの間のインターフェース信号は、伝送回路または受信回路のいずれかのための微分アプローチを備えてもよい。

源ユニットと制御ユニットとの間のインターフェースのうちの少なくとも１つは、低インピーダンス緩衝アナログ信号を備えてもよく、測定ユニットと制御ユニットとの間のインターフェースは、低インピーダンス緩衝アナログ信号を備えてもよい。測定ユニットおよび源ユニットは、制御ユニットおよびデジタル信号処理ユニットから遠隔に位置してもよい。本システムは、測定ユニットおよび源ユニットのうちの少なくとも１つに対する電力供給源フィルタを備えてもよい。本システムは、制御ユニットを測定ユニットに接続する、第１のケーブルと、制御ユニットを源ユニットに接続する、第２のケーブルとを備えてもよい。

測定ユニットおよび源ユニットのうちの少なくとも１つにおけるデジタル信号は、制御ユニットから分離されてもよい。源コンバータおよび測定コンバータのうちの少なくとも１つは、アナログ入力信号を増幅するように構成される、利得チェーンと、アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）出力との間の利得を選択するように構成される、範囲セレクタであって、各ＡＤＣ出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、利得チェーンにおける利得段から構成され得る、範囲セレクタと、複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成される、ミキサとを備えてもよい。

ＡＤＣ出力経路は、高範囲または低範囲経路のいずれかに独立して構成され得る、２つのＡＤＣ出力経路であって、低範囲経路は、アナログ入力信号を変換するための第１の利得を有し、高範囲経路は、アナログ入力信号を変換するための第２の利得を有し、第２の利得は、第１の利得よりも低い、２つのＡＤＣ出力経路と、より低い範囲の出力をより高い範囲の出力と組み合わせるように構成される、混合デバイスと、高範囲経路および低範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させるように構成される、デバイスとを備えてもよい。

源コンバータは、２つまたはそれを上回る周波数成分を発生させるように組み合わせられる、２つまたはそれを上回るデジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）を備えてもよい。源コンバータは、実質的低周波数信号を発生させるための第１の経路を備え、第１の経路は、ＤＡＣのうちの第１のものを備えてもよい。源コンバータは、実質的高周波数信号を発生させるための第２の経路を備え、第２の経路は、ＤＡＣのうちの第２のものを備えてもよい。源コンバータは、入力信号を処理するためのデータプロセッサと、第１および第２の経路の出力を源信号に組み合わせるように構成される、組み合わせ回路と、源信号を感知するように構成される、フィードバック部分と、フィードバック部分を採用し、実質的に入力信号に従って源信号を維持するように構成される、サーボループとを備えてもよい。

本システムは、複数の源ユニットおよび複数の測定ユニットのうちの少なくとも１つを備えてもよい。デジタル信号処理ユニットは、ロックイン信号処理を実施するように構成されてもよい。ロックイン信号処理は、同期ユニットと同期されてもよい。ロックイン信号処理は、基本周波数および高調波周波数のうちの少なくとも１つを処理してもよい。制御ユニットは、源ユニットと測定ユニットとの間の位相関係を設定するように構成されてもよい。ロックイン信号処理は、制御ユニットと源ユニットおよび測定ユニットのうちの少なくとも１つとの間の通信のためにロックイン基準を提供するステップを含んでもよい。源ユニットは、アナログ信号を通して制御ユニットにＤＣフィードバックを提供するように構成されてもよい。デジタル信号処理ユニットは、ＤＣフィードバックをデジタルに変換し、デジタルＤＣフィードバック値に応じて、ＤＣ測定信号を設定するように構成されてもよい。

制御ユニットは、ＤＣ信号を使用して、源信号のパラメータを測定するように構成されてもよい。ＤＣフィードバック信号は、低周波数ＡＣ信号であってもよい。制御ユニットは、測定ユニットおよび源ユニットのうちの少なくとも１つのタイプを査定し、タイプに従ってデジタル信号処理ユニットを構成するように構成されてもよい。制御ユニットは、測定信号の一部としてＤＣバイアスを出力するように構成されてもよい。源ユニットは、源信号の電圧を電圧閾値を下回るまで限定することと、源信号の電流を電流閾値を下回るまで限定することとのうちの少なくとも１つを行うように構成されてもよい。本システムは、源ユニットおよび測定ユニットのうちの少なくとも１つのための封入体を備え、封入体は、静電遮蔽および磁気遮蔽のうちの少なくとも１つを備えてもよい。

制御ユニットは、源信号および測定信号および制御情報を伝える単一のインターフェースを備えてもよい。制御ユニットは、チャネル較正、シームレスなレンジング、スペクトル分析器雑音分析、および高調波採取のための方形波または恣意的波復調のうちの少なくとも１つのうちの少なくとも１つを実施するように構成されてもよい。本システムは、構成可能ディスプレイを備えてもよい。制御ユニットは、リアルタイムオシロスコープ読取値を表示するように構成されてもよい。制御ユニットは、周波数スペクトル読取値を表示するように構成されてもよい。制御ユニットは、信号をより正確な抵抗器範囲に印加するステップと、より正確な範囲を横断して印加信号を測定するステップと、信号をより正確度が低い抵抗器範囲に印加するステップと、より正確度が低い範囲を横断して印加信号を測定するステップと、より正確な範囲を横断する測定された印加信号およびより正確度が低い範囲を横断する測定された印加信号を使用して、より正確度が低い抵抗器範囲を較正するステップとによって工場較正および自己較正のうちの少なくとも１つを実施するように構成されてもよい。

制御ユニットは、測定ユニットにおけるオフセット誤差を測定するステップと、測定ユニットのメモリ内にオフセット誤差を記憶するステップと、測定ユニットと関連付けられる増幅器を基準電圧に接続するステップと、制御ユニットを介して、基準電圧を増幅器に印加することからの利得誤差を測定するステップと、測定ユニットのメモリ内に測定された利得誤差を記憶するステップと、制御ユニットを介して、測定ユニットのメモリから記憶される利得誤差のうちの少なくとも１つを読み取るステップと、オフセット誤差および記憶される利得誤差のうちの少なくとも１つを適用し、電圧測定を補正するステップとによって測定ユニットに関する電圧測定モード較正を実施するように構成されてもよい。

制御ユニットは、制御ユニットの入力コネクタを接続解除するステップと、測定ユニットの入力コネクタを接地に接続するステップと、測定ユニットを電圧測定モードにおいて構成するステップと、電圧測定モードにおける測定ユニットを介して増幅器の電圧オフセット誤差を測定するステップと、アナログ補正を適用し、測定された電圧オフセットをほぼゼロまで減少させるステップと、測定ユニットを電流測定モードに切り替え、測定ユニットへの入力を浮遊させるステップと、制御ユニットを介して、測定ユニットを高電流範囲において構成し、制御ユニットにおいて結果として生じる電圧を測定することによって、測定ユニットと制御ユニットとの間の電圧オフセット誤差を決定するステップと、測定ユニットの電流測定がほぼゼロになるまで、漏出電流を調節するステップと、制御ユニットを介して、測定ユニットのメモリ内に調節された漏出電流および電圧オフセット誤差を記憶するステップと、制御ユニットを介して、調節された漏出電流および電圧オフセット誤差のうちの少なくとも１つを読み取るステップと、調節された漏出電流および電圧オフセット誤差のうちの少なくとも１つを適用し、測定ユニットの電流測定を補正するステップとによって測定ユニットに関する電流モード測定較正を実施するように構成されてもよい。

源ユニットは、測定信号を入手するように構成されてもよく、測定ユニットは、源信号を提供するように構成されてもよい。本システムは、源信号および測定信号を走査するために、スイッチのセットを提供するように構成される、マトリクススイッチング制御ユニットを備えてもよい。電力供給源は、共通接地を基準とする制御ユニット、源ユニット、および測定ユニットに電力を供給するように構成されてもよい。

本開示の側面は、電圧源および電流源のうちの少なくとも１つを備える源ユニットを介して、源信号をサンプルに提供するステップを含む、方法を含む。源ユニットは、源較正を記憶するように構成される、メモリを備える。本方法は、測定ユニットを介して、サンプルから、源信号に応答する測定信号を入手するステップを含む。測定ユニットは、電圧測定ユニット、電流測定ユニット、および静電容量測定ユニットのうちの少なくとも１つと、測定較正を記憶するように構成される、メモリとを備える。本方法は、制御ユニットによって測定ユニットから測定信号を受信するステップを含む。制御ユニットは、デジタル信号処理ユニットと、デジタル信号処理ユニットと源ユニットとの間に接続される、源コンバータと、デジタル信号処理ユニットと測定ユニットとの間に接続される、測定コンバータとを備える。制御ユニットは、デジタル信号処理ユニット、源コンバータ、および測定コンバータのクロックを同期させるように構成される、同期ユニットを備える。制御ユニットは、制御ユニットを含む本システムの側面を較正するための較正ユニットと、制御ユニットに関する共通基準電圧を供給するように構成される、基準電圧供給源とを備える。

図１は、本開示の文脈内の一例示的Ｍ８１プラットフォームまたはシステム１００を示す。

図２は、本開示の文脈内のＭ８１プラットフォームまたはシステム２００の別の変形例を示す。

図３Ａは、本開示の文脈内のＭ８１プラットフォームまたはシステム３００の別のものを示す。

図３Ｂは、ヘッド１０２およびポッド１０４が電圧を測定するように構成される測定ユニットまたはポッドの較正のために協働し得る方法を示す、フローチャート３３０の第１の部分である。

図３Ｃは、図３Ｂのフローチャート３３０の継続である。

図３Ｄは、ヘッド１０２およびポッド１０４が電流を測定するように構成される測定ユニットまたはポッドの較正のために協働し得る方法を示す、フローチャート３４０の第１の部分である。

図３Ｅは、図３Ｄのフローチャート３４０の継続である。

図３Ｆは、ヘッド１０２によって駆動される源ポッド１０４（または源モードにおけるポッド１０４）の例示的較正ルーチン３６０を示す、フローチャート３６０の第１の部分である。

図３Ｇは、図３Ｆのフローチャート３６０の第２の部分である。

図４は、本開示の文脈内の源ポッド１０４のいくつかの例示的特徴を図示する。

図５Ａは、システム１００、２００、および３００における１μＡ電流源に関する雑音とより従来の設定における雑音との直接比較を示す。

図５Ｂは、本開示の文脈内のポッド１０４からの信号Ａの引き伸ばしを示す。

図５Ｃは、図５Ａからの引き伸ばし信号Ｂを示す。

図６Ａは、本開示の共有同期クロック３０２を使用することによって回避され得るものである、従来の器具ラックにおける不整合の時間ベースの効果を図示する。

図６Ｂは、従来の器具ラックにおける不整合の時間ベースの他の効果を図示する。

図７は、システム１００、２００、および３００の変形例における、例示的ヘッドユニット１０２と例示的源ポッド１０４との間の源信号チェーン７００を図示する。

図８は、システム１００、２００、および３００の変形例における、交流（ＡＣ）８０２および直流（ＤＣ）８０４入力がミキサ８０６によってデジタル的にともに加算される、例示的源信号チェーン８００を図示する。

図９は、システム１００、２００、および３００の変形例における、それぞれ、ＡＣ９０２およびＤＣ９０４入力がＤＡＣ９０６および９０８によって別個に変換される、例示的源信号チェーン９００を図示する。

図１０は、システム１００、２００、および３００の変形例における、ＡＣ回路（「ＡＣ構成」）がＤＣ回路の正確度に影響を及ぼすことを防止される、別の例示的源信号チェーン１０００を図示する。

図１１は、本開示の文脈内のＤＣフィードバックループを有する、別の例示的源信号チェーン１１００を図示する。

図１２は、本開示の文脈内のデジタル化フィードバックを伴う、別の例示的源信号チェーン１２００を図示する。

図１３は、本開示の文脈内のデジタル的に合成された源チャネル１３００の一例示的変形例を図示する。

図１４は、本開示の文脈内のデジタル源１３００と併せて使用され得る、源波表１４００の例示的変形例を示す。

図１５は、本開示の文脈内のデジタル源１３００と併せて使用され得る、源波表１４００をプロットすることによって発生される波形１５００である。

図１６Ａは、図１５の波形をローパスフィルタリングすることからの段階的波形を示す。

図１６Ｂは、図１６Ａの波形の平滑化バージョンを示す。

図１７は、本開示の文脈内の測定ポッド１０４の例示的特徴を説明する。

図１８は、例示的ヘッドユニットと例示的測定ポッド１０４との間の測定信号チェーンを図示する。

図１９は、本開示の文脈内でシームレス（連続的）なレンジング１９０２を伴う電圧測定を、従来の設定１９０４によって行われた同一の測定と比較する。

図２０は、本開示の文脈内の二重増幅チェーンを介してシームレスなレンジング２０００を実装する一変形例のブロック図である。

図２１は、本開示の文脈内のシームレスなレンジングにおいて使用される、別の例示的増幅チェーン２１００のブロック図を示す。

図２２Ａは、本開示の文脈内のシームレスなレンジングと併せて使用され得る、自動レンジングアルゴリズム２２００の概略実施例を提供する。図２２Ｂは、自動レンジングアルゴリズム２２００によって使用される、例示的実験データを示す。

図２２Ｃは、自動レンジングアルゴリズム２２２０を詳述する、フローチャートの第１の部分である。

図２２Ｄは、自動レンジングアルゴリズム２２２０を詳述する、フローチャートの第２の部分である。

図２３は、本開示の文脈内の測定信号２３０２を既知の基準源２３０６と乗算し（２３０４）、復調信号２３０８を生成するためのロックイン技法を図示する。

図２４は、乗算された信号の間の位相差（θ）を示す。

図２５は、Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例がまた、位相固定ループ（ＰＬＬ）２５００を利用し得る方法を示す。

図２６は、本開示の文脈内の例示的基準アウト２６００を示す。

図２７は、Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例が測定デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２７００を利用し得る方法を示す。

図２８Ａは、源／測定ポッド１０４のための筐体を図示する。

図２８Ｂは、源／測定ポッド１０４のための筐体を図示する。

図２９Ａは、ヘッド１０２のための例示的ディスプレイである。 図２９Ｂは、ヘッド１０２のための別の例示的ディスプレイである。

詳細な説明
本明細書に開示される「Ｍ８１」と称されるプラットフォームまたはシステムは、従来のアドホックなラックベースのシステムでは可能ではない、系統的雑音および干渉軽減を可能にする。これは、時間同期動作および高度な供給および測定を伴う、源および／または測定増幅器ポッド、ロックイン増幅器能力、デジタルマルチメータ（ＤＭＭ）、ＤＣ／ＡＣおよび他の信号発生器等を組み合わせるオールインワン実験プラットフォームを提供する。

用語「Ｍ８１」は、用語「システム」と同義的に使用される。したがって、図１、２、および３に示されるシステムを指す語句「システム１００、２００、および３００」は、用語「Ｍ８１ １００、２００、および３００」と同義である。用語「Ｍ８１」は、概して、本明細書に開示される、または一般的な発明的概念によって別様に包含される、種々のシステムを説明するために使用されるであろう。

Ｍ８１は、材料測定システムにおける雑音および干渉を軽減するための多数の革新的な解決策を組み込む。これは、雑音低減のためのシステム全体の遠隔、自動的、および周期的較正を含む。これは、その個々のコンポーネントのそれぞれを別個に較正するのではなく、システム全体の測定および信号チェーン全体を較正する。これは、従来的なラックベースのシステムにおいて達成され得るものよりもはるかに正確な較正を提供する。測定の間のデジタル電子機器のそのシステム全体の制御されたシャットダウンは、干渉を防止する。そのシステム全体のクロックは、供給、測定、および分析を同期する。これは、記憶されるデジタル信号モデルから励起／入力信号を提供する。これは、両方とも別個に構成される利得を有する、ＡＣおよびＤＣ成分の両方を含むハイブリッド信号チェーンを介して、これらのアナログ信号をサンプルにフィードする。信号チェーンは、サンプルステージからのフィードバックに基づいて、出力を安定させることができる。本システムは、サンプルへの／からの入力および出力電流と合致する平衡化電流供給を含み、サンプルおよびシステムを大きい変動から保護する。その「シームレスなレンジング」技法は、それらが桁にわたって変化する際、グリッチおよび過渡事象から測定を保護する。これらおよび他の解決策が、下記に詳述される。１つのＭ８１変形例の文脈において説明される特徴および能力は、本開示によって明示的に議論または暗示されるかどうかにかかわらず、Ｍ８１の他の変形例に適用される。

測定システム概観

図１は、器具「ヘッド」または制御ユニット１０２と、いくつかの例示的遠隔「ポッド」１０４とを含む、一例示的Ｍ８１プラットフォームまたはシステム１００を示す。図１に示されるように、ポッド１０４は、プローブ信号をサンプルステージ１０６上のサンプル（図示せず）に提供し得る、源ユニット１０４ａ－１０４ｃであってもよい。「源ポッド」の言及が、「源ユニット」の言及と同義であり、「測定ポッド」の言及が、「測定ユニット」の言及と同義であるように、単語「ポッド」および「ユニット」が、本明細書で同義的に使用されることに留意されたい。同様に、単語「ヘッド」および「制御ユニット」は、同義的に使用される。サンプルステージ１０６は、クライオスタット、ペルチェ冷却器、電力供給源、ヒートシンク、補助電子機器、および／または機械的位置付けシステム、平衡化システム、空気テーブル、重り等の種々のコンポーネント１０７を含んでもよい。

ポッド１０４は、サンプルからの信号を測定するように構成される、測定ユニット１０４ｄを含んでもよい。本変形例では、システム１００は、信号源として作用する３つの遠隔ポッド１０４ａ－ｃと、信号測定器として作用する１つの遠隔ポッド１０４ｄとを含む。本構成が、単に例示的であることを理解されたい。実際には、源ポッド１０４ａ－ｃは、測定ポッド（例えば、１０４ｄ）として機能してもよく、逆もまた同様である。変形例では、各ポッド１０４は、あるタイプまたは構成（例えば、下記の図４および１７に示される測定、源、および／または具体的特徴セット）を有してもよい。これらの変形例では、ヘッド１０２は、接続に応じて、ポッド１０４のタイプを検出することが可能であり得る。ポッド１０４タイプ検出に応じて、ヘッド１０２は、検出されたポッドタイプに関して適切な様式でそれ自体および本システムの残りの部分を構成してもよい。例えば、ヘッド１０２は、自己較正する、および／または検出されたポッドタイプに関して適切なシステム全体の較正を実施してもよい。ヘッド１０２は、検出されたポッドタイプに従って、他の構成を実施してもよい（例えば、これは、デジタル信号処理ユニット３２６等を構成してもよい）。

システム１００は、任意の好適な数の源および測定ポッド１０４を含んでもよい。他の変形例では、Ｍ８１は、ポッド１０４を要求することなく、ヘッドユニット１０２を含んでもよい。システム１００が、下記の他の変形例（例えば、変形例２００および３００）に説明される特徴のうちのいずれかを含み得ることに留意されたい。これらは、例えば、下記の図３Ａの文脈において説明される、共有同期クロック３０２を含む。

図１は、複数の接続（例えば、ポッド１０４への４つの接続１０２ａおよび複数の前部パネル接続１０２ｂ）を伴うヘッド１０２を示すが、変形例では、これは、外界との１つのみのインターフェースを有してもよい。例えば、ヘッド１０２は、ヘッドがポッド１０４に／からデータおよび制御情報を伝送および受信することを可能にする、単一のユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）接続を有してもよい。データは、ポッド１０４を介して源信号を提供するステップ、ポッド１０４から測定信号を読み出すステップ、それらの信号を処理するステップ、測定から他のフィードバックを取得するステップ、処理されたフィードバックを含む処理されたデータをポッド１０４に提供するステップに関するデータを含んでもよい。制御情報は、本明細書に開示される任意の較正、診断、および構成情報を含んでもよい。例えば、制御情報は、具体的入力信号をサンプルに提供する命令、特定の出力を抽出する命令、システム１００におけるデバイスを較正する命令、および／またはそのステージ１０６の極低温性質を含む、サンプルステージ１０６の側面を制御する命令を含んでもよい。これは、システム１００における任意のユニットからの較正情報を含んでもよい。

図１はさらに、ヘッド１０２がディスプレイ１０２ｃを含むことを示す。ディスプレイ１０２ｃは、タッチスクリーンであってもよい。これは、これが本明細書に説明されるデータ、信号、処理された情報、および制御機能のうちのいずれかを表示するように構成され得る意味で、構成可能であってもよい。ディスプレイ１０２ｃは、例えば、システム１００の側面がオシロスコープとして使用されるとき、オシロスコープ機能を表示するように構成されてもよい。これらのオシロスコープ読取値は、リアルタイムで表示されてもよい。ディスプレイ１０２ｃはまた、例えば、周波数スペクトルを表示してもよい。ディスプレイ１０２ｃは、測定ポッド１０４によって収集された任意のデータを含む、他のデータを表示するように構成されてもよい。ディスプレイ１０２ｃはさらに、システム１００における任意のユニットのステータス、システム１００における任意のユニットへの、およびそれからの任意の通信のステータス、およびサンプル１０６への／からの任意の測定または信号供給に関する診断情報を表示するように構成されてもよい。ディスプレイは、ユーザによって、または遠隔インターフェースを通して構成され得る、複数のパラメータを同時に表示するように構成されてもよい。ディスプレイ１０２ｃはまた、とりわけ、信号雑音、干渉、および／またはスペクトル分析を表示するように構成されてもよい。ディスプレイ１０２ｃはさらに、システム１００の任意の側面と相互作用するためのグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）の任意の特徴を表示するように構成されてもよい。

図１は、ヘッド１０２がケースまたは封入体１０２ｄを含み得ることを示す。ケースまたは封入体１０２ｄは、静電遮蔽を提供する材料（例えば、プラスチックまたはゴム）から成ってもよい。これはさらに、電磁遮蔽のための金属材料を含んでもよい。ケースは、任意の好適な材料から作製されてもよい。これは、必要に応じて、任意の機械的または電気的インターフェースを含んでもよい。例えば、ケース１０２ｄは、これが実験室ラックと適合するように、フック、締結具、または溝を含んでもよい。これは、これがテーブルまたはデスクトップ上に単独で立つように、脚部、支柱、またはスタンドを含んでもよい。これは、壁または天井マウント等を含んでもよい。

他の変形例は、任意の好適な数のヘッド、源ポッド、および測定ポッド１０４を含む。例えば、図２は、ヘッドユニット１０２が３つの測定タイプポッド１０４ｅおよび３つの源タイプポッド１０４ｆをサポートし得る６つのチャネルを有し得る、別の例示的変形例２００を示す。本変形例では、Ｍ８１はまた、随意のコンピュータ１０８およびサンプルステージ１０６における３つの例示的な試験中のデバイス（ＤＵＴ）１１０に接続されて示される。再び、本構成は、単に例示的である。等しい数の測定ポッド１０４ｅおよび源ポッド１０４ｆに関するいかなる要件も、存在しない。１つの源１０４ｆが、例えば、全ての３つのＤＵＴ１１０に関する励起信号を提供し得る。

本明細書では、頭字語「ＤＵＴ」は、「サンプル」と同義的に使用されるであろう。ＤＵＴまたは「サンプル」のいずれかが、デバイスまたは材料のサンプルであり得ることを理解されたい。多くの場合、本明細書に開示される材料測定の文脈では、デバイス（例えば、トランジスタ）は、作成されたデバイスにおける材料（例えば、半導体材料）を試験する明確な目的のために作成される。

図３Ａは、高レベル図としてＭ８１の別の変形例３００を示す。図３Ａは、変形例３００のコンポーネントの間で共有される情報を図示する。例えば、図３Ａは、ヘッドまたは制御ユニット１０２がアナログからデジタルへの（逆もまた同様である）信号変換を取り扱い得る方法を示す。図３Ａに示される源および測定ポッド１０４は、一意ではない。それらは、異なる用途のために使用されることができる。

図３Ａはまた、源チャネル３０４および測定チャネル３０６のそれぞれに接続される、共有同期クロック３０２を示す。クロック３０２は、共有される同期を、測定および源ポッド１０４、源チャネル３０４および測定チャネル３０６における任意のコンバータまたは他の電子機器、およびヘッド１０２自体から導出される信号のそれぞれに提供してもよい。共有クロックを有することは、システム３００における全てのコンポーネントの自動的同期を可能にし、これらのコンポーネントのうちのいずれか１つの間の同期グリッチまたは欠陥によって生じる問題を回避する。共有同期クロック３０２は、ヘッド１０２の外部または内部クロックに同期されてもよい。源チャネル３０４および測定チャネル２０６はまた、ケーブル長および外部ＲＦ雑音の影響を受けないアナログ信号を伴うポッド１０４とヘッド１０２との間のインターフェースを備えてもよい。共有同期クロック３０２、源チャネル３０４、および測定チャネル３０６のこれらの機能は全て、下記にさらに詳細に議論されるであろう。

また、図３Ａに示されるように、ヘッド１０２は、ヘッド１０２が他のハードウェア３１４に接続することを可能にする、ポート（例えば、モニタアウト、基準入力、および基準出力ポート３０８、デジタルＩ／Ｏポート３１０、および補助Ｉ／Ｏポート３１２）を有してもよい。他のハードウェア３１４は、システム３００からのデータを収集および分析する、および／または入力を供給するために好適な任意のものを含んでもよい。これらの接続によって可能にされる他のハードウェア３１４の実施例は、実験室オシロスコープ、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、ラップトップまたは他のコンピュータ、モニタ、スイッチのマトリクス、基準信号入力等を含む。図３Ａはまた、ヘッド１０２が、ＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、汎用インターフェースバス（ＧＰＩＢ）、セルラーデータ、および無線ネットワーキング技術（Ｗｉ－Ｆｉ）を含む、好適な接続機構３１６によって外部コンピュータ１０８に接続され得る方法を示す。好適な距離３１８が、ヘッド１０２、特に、そのデジタル回路の動作が、ＤＵＴ１１０の場所における測定に殆どまたは全く干渉を引き起こさないように、ヘッド１０２とポッド１０４との間に維持されることができる。

図３Ａはまた、本システムの任意の側面の較正を記憶するために、ヘッドが較正メモリ３２０を有し、ポッドが較正メモリ３２２を有することを示す。例えば、較正メモリ３２０および３２２は、ヘッド１０２自体および／またはポッド１０４のそれぞれに関する較正情報を記憶してもよい。較正メモリ３２０および３２２は、以下の情報、すなわち、マスタ基準の実際の電圧、利得補償係数（測定源）、オフセット補償係数（測定および源）、バイアス電流補償係数、電圧補償、および共通モード低減係数を含んでもよい。

較正情報は、任意の好適な手段によって入力されてもよい。例えば、較正情報は、較正メモリ３２０および３２２上に工場でインストールされてもよい。これは、インターネットからダウンロードされる、および／またはユーザ打ち込みを介して提供されてもよい。ヘッド１０２およびポッド１０４を含むコンポーネントはそれぞれ、自己較正手順を実施することから情報を提供してもよい。ヘッド１０２は、較正をポッド１０４に提供してもよく、逆もまた同様である。較正情報はさらに、示されないが、システム３００に接続される他のデバイス（例えば、診断機器、外部コンピュータ、マルチメータ等）内に記憶されてもよい。較正メモリ３２０および３２２のうちのいずれかの上の較正情報は、周期的に更新されてもよい。任意のデバイス（例えば、ヘッド１０２またはポッド１０４）のメモリ上に記憶される較正情報は、そのデバイスが使用されていないときに（例えば、較正を介して）更新されてもよい。ヘッド１０２およびポッド１０４に関する較正は、デジタル信号処理ユニット３２４によって記憶されてもよい。較正は、異なる範囲の較正のための複数の方法およびコンポーネントを含んでもよい。例えば、非常に異なる抵抗正確度および温度依存性を伴う抵抗器の利点が、より正確度が低い抵抗器または温度および時間に伴ってよりドリフトする抵抗器を使用する範囲を較正するために活用されることができる。ＧΩ抵抗器は、それらが非常に低い電流雑音を提供するため、ある較正側面のために有利に使用されることができる。しかしながら、ＧΩ抵抗器の抵抗値は、常に精密に把握されるわけではなく、経時的に若干不安定になり得る。ＭΩ範囲抵抗器は、それらの較正がより大きい電流と関連付けられるより多くの雑音に悩まされるが、経時的により安定している。したがって、ＭΩ範囲抵抗器（１００ＭΩ）が、ＧΩの低雑音利点およびＭΩの高安定性利点を使用して、ＧΩの範囲を較正するために使用されることができ、逆もまた同様である。同じことが、より低い値の抵抗器に当てはまり得る。例えば、典型的な１０Ω抵抗器は、１Ω抵抗器と比較して、より良好な正確度およびドリフトを有する。多くの場合、１Ω抵抗器の使用は、外部感知要素として、または源または測定回路の一部としてのいずれかでより大きい電流を測定する際に有利である。

上記に議論されるように、システム１００、２００、および３００は、いくつかの異なる方法で較正されることができる。図１に示されないが、各ポッド１０４は、精密信号源および測定デバイス（例えば、外部電圧計、電流計、電流源、電圧源）への接続を可能にする、入力／出力を有する。これらの入力／出力は、これが従来的なラックシステム上の個々のコンポーネントに関して行われるように、ポッド１０４自体における局所的較正を可能にする。

しかしながら、Ｍ８１システム１００、２００、および３００はまた、全内部較正をもたらす。これは、システム１００、２００、および３００全体を通して、ポッド１０４への／からの測定オフセット／誤差／変動を較正するために、ヘッド１０２における敏感な電子機器の使用を可能にする。すなわち、全内部較正は、測定／源から分析電子機器まで、およびその逆の信号チェーン全体における全ての特異性を較正する。これは、はるかに高い精度をもたらす。これはまた、実施することがはるかに容易である。システム全体に関する較正機能は、スクリーン１０２ｃ上のＧＵＩおよび／またはケース１０２ｄ上のボタンを介して開始されることができる。それらは、自動的かつ周期的に実行されるように設定されることができる。全内部較正のより具体的な機能が、下記に議論される。

図３Ｂおよび３Ｃは、ヘッド１０２およびポッド１０４が較正のために協働し、両方が較正を測定し、更新し、メモリ３２０および３２２内に記憶し得る方法を示す、フローチャート３３０である。具体的には、フローチャート、アルゴリズム、またはルーチン（本明細書では同義的に使用される）３３０は、ポッド１０４がサンプル１１０からの電圧信号を測定するように構成されるとき、測定ポッド１０４からヘッド１０２において受信された測定を較正する。ルーチン３３０は、主として、ヘッド１０２によって駆動される。

図３Ｂに目を向けると、ステップ３３３において、オフセット誤差が、ポッド１０４の少なくとも１つのハードウェア入力構成に関してポッド１０４において測定される。ハードウェア構成は、概して、使用されている測定ポッドのタイプおよびその関連付けられる特徴（例えば、図１７の特徴リスト参照）に関連する。典型的には、異なるハードウェア入力構成は、較正されている誤差に影響を及ぼす異なるコンポーネントを含有する。例えば、異なるハードウェア構成は、異なるフィードバック抵抗器、利得／増幅器構成、または信号を処理するための他のコンポーネント（例えば、ＤＡＣ）の使用を要求し得る。特定のハードウェア構成に関するオフセット誤差は、ハードウェア構成によって測定された電圧と実際の（既知の）入力電圧との間の差異である。ステップ３３３において、ポッド１０４への入力は、外部測定から接続解除され、接地に接続され、実際の既知の入力電圧がゼロであることを確実にすることができる。他の既知の入力電圧（例えば、マスタ基準ＭＲ等の既知の安定した電圧基準）も、使用されることができる。オフセット誤差は、次いで、これらの条件下の測定電圧である。オフセット誤差は、ポッド１０４のメモリ内に較正補正として記憶される。ステップ３３４において、ヘッド１０２は、ポッド１０４のメモリからオフセット誤差較正を読み取る。ステップ３３５において、ヘッド１０２は、ステップ３３４において測定されたオフセット誤差に基づくオフセット補正を、ハードウェア構成のための電圧測定に適用してもよい。代替として、ステップ３３４は、省略され、補正は、ステップ３３９まで適用されない場合がある。ステップ３３６において、ヘッド１０２は、マスタ基準ＭＲからの基準電圧を増幅器入力に接続する。マスタ基準ＭＲは、例えば、本システム内の任意の場所、例えば、ヘッド１０２内にあり得る安定した信頼性のある電圧基準であり得る。基準電圧は、例えば、正のフルスケール、負のフルスケール、正のミッドスケール、および負のミッドスケールの電圧であってもよい。選定される電圧基準は、ポッド１０４のハードウェア構成に関して適切である。

図３Ｃに目を向けると、ステップ３３７において、ヘッド１０２は、ステップ３３６において増幅器入力に基準電圧を印加することによって、ハードウェア構成に関する利得誤差を測定する。利得誤差は、例えば、予測される、予想される、または必要とされる利得と測定された利得との間の差異をとることによって測定される。多くの因子が、利得誤差および利得誤差の変化に寄与し得る。例えば、計装用増幅器トポロジにおけるフィードバック抵抗器は、時間および温度に伴ってわずかに変化し得る。増幅器が、下記に説明される理由から変更される場合、新しい増幅器は、ルーチン３３０によって補償されるべき異なる利得誤差を有するであろう。

ヘッド１０２は、ステップ３３８においてポッド１０４のメモリ内に利得誤差を較正として記憶する。ステップ３３９において、ヘッド１０２は、ポッド１０４のメモリ内に記憶される利得誤差を読み取り、ポッド１０４の少なくとも１つのハードウェア構成に関する電圧測定に利得補正を適用する。利得補正を適用するための１つの一般的な技法は、電圧測定の予測される結果に利得誤差の逆数を乗算することである。利得誤差補正を使用する任意の他の好適な方法が、想定される。本利得補正または較正が完了された後、入力は、外部信号に再接続され、測定が、開始されてもよい。本段階において、ヘッド１０２はまた、電圧測定に関する補正としてステップ３３４のオフセット誤差較正を適用してもよい。利得補正およびオフセット誤差補正は、ヘッド１０２がアルゴリズム３３０を再実行することによって較正を再開するまで、ポッド１０４によって全ての電圧測定に適用されることができる。

図３Ｄおよび３Ｅは、ヘッド１０２およびポッド１０４がサンプル１１０からの電流信号を測定するように構成されるポッド１０４較正するために協働し得る方法を示す、別のフローチャート３４０である。ルーチン３４０は、主として、ヘッド１０２によって駆動される。

図３Ｄに目を向けると、ステップ３４１において、ポッド１０４の入力は、フロントエンド増幅器から接続解除され、可能性として考えられるスイッチング過渡事象から外部サンプルを保護するために接地に接続される。ステップ３４３において、測定ポッド１０４は、フロントエンド増幅器入力が接地に接続されるとき、フロントエンド増幅器に関する電圧オフセット誤差を読み取るために、利得を伴う電圧測定モード（例えば、電圧増幅器トポロジ）に構成される。これは、ステップ３３３に詳述される電圧オフセット誤差測定に類似する。電圧オフセット誤差は、測定電圧とゼロとの間の差異である（増幅器入力が接地に設定されるため）。これは、「フロントエンド」増幅器またはサンプルに接続するであろう増幅器の電圧オフセットである。第１の増幅段またはフロントエンド増幅器は、試験中のデバイスに接続され、多くの場合、オフセットおよび漏出電流の主要な原因となる。例示的「フロントエンド」増幅器は、増幅器７２０および８１０、９１２、１０１８、および１１１４（図７、８、９、１０、１１、および１８）である。フロントエンド増幅器は、１つまたはそれを上回る増幅器を含んでもよい。

ステップ３４４において、ヘッド１０２は、ポッド１０４がほぼゼロの電圧（例えば、十分の数ボルト、数ｍＶ、または数μＶのみ）を測定するまで、ステップ３４３において測定されたフロントエンド増幅器電圧オフセット誤差を減少させるために、アナログ補正を適用する。アナログオフセット補正は、例えば、等しく反対の電圧を印加し、電圧オフセット誤差を減少させる、最小限にする、または排除するステップを含んでもよい。ステップ３４５において、ヘッド１０２は、測定ポッド１０４を電流測定モードに切り替える。ステップ３４５において、ポッド１０４入力は、接地から接続解除され、浮遊状態に保たれてもよい。ステップ３４６において、ヘッド１０２は、測定ポッド１０４を高電流範囲またはさらには最も高い電流範囲において構成し（例えば、より低いフィードバック抵抗器に切り替えることによって）、ヘッド１０２において結果として生じる電圧を測定することによって、測定ポッド１０４とヘッド１０２との間の電圧オフセット誤差を決定する。フロントエンド増幅器の電圧オフセット誤差は、ステップ３４４において以前にゼロにされているため、フロントエンド増幅器は、最も低いオフセット電流を与えるように設定される。測定された残りのオフセットは、フロントエンド増幅器と測定コンバータとの間の利得成分における電圧オフセットに起因する。オフセット電流は、フィードバック抵抗器を通して流動し、フロントエンド増幅器の出力において小さい電圧をもたらすため、フロントエンド増幅器を高電流範囲に設定することは、電流オフセット上に小さい利得をもたらす。多段増幅器構成は、典型的には、大きい利得またはフィルタリングが測定されている信号を増幅するために要求されるときに使用される。これらは、例えば、図７のシステム７００または図２０および２１におけるヘッド１０２専用の増幅器のうちのいずれかを含む。ステップ３４６において、測定ポッド１０４のフロントエンド増幅器とステップ３４６において測定されたヘッド１０２との間の電圧オフセット誤差が、決定される。本電圧オフセット誤差は、ポッド１０４からヘッド１０２に測定信号を伝送することから生じる誤差を較正するために使用されるであろう。

ここで図３Ｅに目を向けると、ステップ３４７において、ヘッド１０２は、ポッド１０４がほぼゼロの電流（例えば、十分の数アンペア（Ａ）、数ｍＡ、または数μＡのみ）を測定するまで、電流範囲のうちの１つまたはそれを上回るものに関して、漏出電流を（例えば、フロントエンド増幅器のフィードバック抵抗器を通して）調節する。範囲のうちの１つまたはそれを上回るものに関する漏出電流補償は、いかなる電流もポッド１０４の中に流動していないとき、その測定電流を減少させる、最小限にする、またはゼロにするために、測定電流の反対方向に印加される電流である。ヘッド１０２は、アナログ技法を使用し、漏出電流を調節し、例えば、正味測定電流がゼロになるまで、補償電流を回路に接続するコンバータを設置してもよい。漏出電流調節は、ハードウェア入力構成のために実施されてもよい。ステップ３４８において、ヘッド１０２は、較正補正としてポッド１０４上のメモリ内にステップ３４７の漏出電流および／またはステップ３４３の電圧オフセット誤差を記憶する。ステップ３４９において、ヘッド１０２は、ステップ３４８においてポッド１０４のメモリに記憶された較正補正を読み取り、較正補正のうちの少なくとも１つをポッド１０４のハードウェア構成毎の測定に適用する。電流測定利得誤差がまた、マスタ電圧基準ＭＲに、またはポッド１０４内に位置する安定した電流源に由来する正確な電流源を使用することによって較正され得ることに留意されたい。ステップ３４９の較正補正は、ヘッド１０２がアルゴリズム３４０を再実行することによって較正を再開するまで、ポッド１０４によって全ての電流測定に適用されることができる。

図３Ｆおよび３Ｇは、ヘッド１０２によって駆動される源ポッド１０４（または源モードにおけるポッド１０４）の例示的較正ルーチン３６０を示す、別のフローチャートを提示する。較正ルーチン３５０と異なり、本較正は、完全に較正された測定チャネルを介してヘッド１０２によって測定された源信号を実際の源信号と比較する。

ステップ３６１において、ヘッド１０２は、マスタ基準３５１ａに対して測定チャネルを較正する。これは、その独自の測定能力を較正する、ヘッド１０２に対する内部較正である。

ステップ３６２において、ヘッド１０２は、完全な正の源信号を印加するように源ポッド１０４にコマンドする。本高振幅信号は、供給正確度を較正するために使用されるであろう。ステップ３６３において、ヘッド１０２は、ステップ３６１において較正された測定チャネルを使用して、ステップ３６２において発生された完全な正の源信号を測定する。ステップ３６４において、ヘッド１０２は、負のフルスケールの源信号を印加するように源ポッド１０４にコマンドする。ステップ３６５において、ヘッド１０２は、ステップ３６１において較正された測定チャネルを使用し、ステップ３６４において発生された負のフルスケールの源信号を測定する。ステップ３６６において、ヘッド１０２は、ゼロにされた源信号を印加するように源ポッド１０４にコマンドする。本信号は、次いで、ステップ３６１において較正された測定チャネルを使用して、ステップ３６７においてヘッド１０２によって測定される。

ステップ３６８において、ヘッド１０２は、完全に正、完全に負、およびゼロにされた源信号の測定（すなわち、ステップ３６３、３６５、および３６７において測定された値）を、完全に正、完全に負、およびゼロにされた源信号の対応するコマンドされた値（それぞれ、ステップ３６２、３６４、および３６６における）と比較し、誤差を決定する。最後に、ステップ３６９において、ヘッド１０２は、ステップ３６８において決定された誤差を使用し、源ポッド１０４に関する測定された信号較正を発生させ、記憶する。較正は、信号をサンプルに精密に供給するために使用されることができる。

図３Ａに再び目を向けると、図は、ヘッド１０２がデジタル信号処理ユニット３２４を有する様子を示す。デジタル信号処理ユニット３２４は、システム３００の他の側面に接続されるものとして図３Ａに示されないが、これは、複数の可変接続を有してもよい。例えば、これは、共有同期クロック３０２に接続され、そのクロックと同期されてもよい。これはさらに、デジタルＩ／Ｏ３１０、源チャネル３０４および測定チャネル３０６、補助Ｉ／Ｏ、インターフェース３１６から信号を受け取り、処理してもよい。概して、デジタル信号処理ユニット３２４は、これらのコンポーネントのうちのいずれかからの信号を処理し、処理された信号をそれに提供してもよい。デジタル信号処理ユニット３２４は、ポッド１０４および／またはヘッド１０２から発するデータに関して、共有同期クロック３０２を用いた同期を使用して、タイムスタンプを提供してもよい。

デジタル信号処理ユニット３２４は、種々の機能をシステム３００に提供してもよい。例えば、これは、サンプル１１０測定信号に対して、ロックイン分析、交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）測定、インダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）、および抵抗（Ｒ）（ＬＣＲ）測定、時間／範囲ドメイン提示、周波数ドメイン分析、および雑音分析のうちのいずれか１つを提供してもよい。これらの動作のうちのいくつかの詳細が、下記に説明されるであろう。デジタル信号処理ユニット３２４はまた、サンプル１１０源信号に対して、ＡＣ／ＤＣ供給、制御ルーピング、および１つを上回る源から源信号を提供するステップを提供してもよい。

図３Ａはまた、電力供給源３２６を伴うヘッド１０２を示す。電力供給源３２６は、ヘッド１０２だけではなく、本システムの他のコンポーネントに供給してもよい。いくつかの用途では、例えば、ポッド１０４およびヘッド１０２のそれぞれ、および可能性として他のハードウェア３１４のうちのいくつかが全て、電力供給源３２６を共有することが有利である。これは、雑音および干渉軽減、およびグリッチ防止のために有利であり得る。電力供給源３２６は、ヘッド１０２およびポッド１０４に関する共通接地等、本システムにおける共通接地（図示せず）を基準とすることを含んでもよい。これはまた、ポッド１０４のうちの少なくとも１つに対する電力供給源フィルタを含んでもよい。

図３Ａに明示的に示されないが、ヘッド１０２は、システム１００、２００、および３００における全てのコンポーネントによって使用されるべき単一の電圧基準を供給してもよい。基準電圧は、本明細書に説明される較正において、雑音決定および軽減において、および本開示によって明示的に説明される、または暗示されるかどうかにかかわらず、他の好適な用途のために、測定をスケーリングするために使用されてもよい。他のシステム全体の基準もまた、類似する目的のために提供されてもよい。

Ｍ８１プラットフォーム／システム１００、２００、および３００のうちの１つの文脈において説明される任意の特徴は、その他のうちのいずれかに適用される、および／またはそれと適合するように理解されるべきである。これらの特徴は、Ｍ８１プラットフォーム／システム１００、２００、および３００に、従来の器具ラックの観点からのものを含む、従来の実験室設定に優るいくつかの利点を付与する。例えば、それらは、極めて低い雑音を呈することができる。これは、ポッド１０４における敏感なアナログ回路が、ヘッドにおける雑音が多いデジタル回路から分離されるためである（例えば、図３Ａの分離距離３１８参照）。Ｍ８１プラットフォーム／システム１００、２００、および３００は、高度に構成可能／再構成可能であり得る。変形例では、ヘッド１０２に接続されるポッド１０４の組み合わせは、多種多様な実験のために構成されることができる。本システムは、雑音および干渉を最小限にするために、デジタルおよび電力供給源回路が、敏感なアナログ回路から分離され、ポッド１０４が測定を行っている間、敏感なアナログ回路におけるデジタル機能が、一時中止またはシャットダウンされるように設計される。

Ｍ８１システム１００、２００、および３００はまた、ポッド１０４と、ヘッド１０２と、本システム内に含まれる任意の他のデバイスとの間で通信する複数の方法をサポートすることができる。これらの通信方法は、プログラマブル器具に関する標準的コマンド（ＳＣＰＩ）およびクエリを使用するステップを含む。種々の変形例では、通信方法は、ＵＳＢシリアル、イーサネット（登録商標）またはＷｉ－Ｆｉを経由するＴＣＰ、汎用インターフェースバス（ＧＰＩＢ）等を含むことができる。データストリーミングバッファに関して、情報は、例えば、最大１秒あたり１０，０００サンプルにおいて、Ｍ８１の種々の変形例から読み出されることができる。種々の変形例では、任意のチャネルに関して、バッファは、以下、すなわち、源振幅、源オフセット、源周波数、源範囲、源コンプライアンス、源感知誤差、ＤＣ読取、ＲＭＳ読取、高ピーク、低ピーク、ピーク間、同位相読取（Ｉ）、位相外れ読取（Ｑ）、ロックイン大きさ、ロックイン位相差、測定範囲、過負荷ステータス、安定化ステータス、ロック、ロックイン基準周波数等の任意の組み合わせを含むことができる。

本明細書に説明されるＭ８１システム１００、２００、および３００は、種々の用途において利用されることができる。例えば、固体電子工学において、ＤＣおよびＡＣ抵抗率、ダイオードおよびトランジスタＩ／Ｖ曲線、ＰＩＮ（Ｐ型、固有、およびＮ型材料）ダイオード動作領域、閾値下ＭＯＳＦＥＴ特性評価、コンデンサ誘電吸収、深準位過渡分光法等である。量子および超伝導材料では、超伝導材料のＩ／Ｖ、薄膜運動インダクタンス、スピンホール磁気抵抗、異常ホール効果、磁気トンネル接合における磁場および角度依存性、スピントルク強磁性共鳴等である。

Ｍ８１ １００、２００、および３００システムの変形例は、ハイブリッド供給が可能なポッド１０４を有する。これは、変形例において、源ポッド１０４出力が、ＤＣ構成信号チェーンをＡＣ構成信号チェーンと組み合わせ得ることを意味する。信号チェーンは、独立し、高精度ＡＣ信号およびＤＣオフセットの組み合わせを可能にすることができる。Ｍ８１ １００、２００、および３００の変形例はまた、測定モードである間にシームレスなレンジングが可能である。これは、変形例において、測定ポッド１０４が、２つまたはそれを上回るレンジング増幅器と、２つのアナログ－デジタルコンバータとを有し得ることを意味する。本配列は、そうでなければ測定信号が複数の桁を横断する測定範囲を横断する際に測定に影響を及ぼすであろうグリッチを抑制することができる。Ｍ８１ １００、２００、および３００の変形例はまた、各源および測定ポッド１０４が相互を、または外部基準を基準とし得る意味で、柔軟なロックインをサポートすることができる。Ｍ８１ １００、２００、および３００の変形例はまた、外部位相関係をサポートすることができる。これは、変形例において、各源ポッド１０４の位相偏移が、同一の基準を使用しながら独立して構成され得ることを意味する。
これらの利点はそれぞれ、下記により詳細に説明されるであろう。

信号供給

特徴の概観

Ｍ８１プラットフォーム／システム１００、２００、および３００は、本明細書に説明される任意のタイプの源ポッド１０４を利用することができる。図４は、例示的特徴を伴ういくつかの例示的源ポッド構成を図示する。例えば、強化された組み合わせの源／測定ポッドは、それぞれチャネルを使用することによって、源および測定ポッドの能力を組み合わせることができる。精密源ポッドは、組み込みの電流または電圧リードバックを伴うＩ（電流）またはＶ（電圧）源を含むことができる。これは、そうでなければ厳しい電力限界を伴う極低温実験を混乱させるであろう環境雑音を拒絶することを支援することができる。源ポッド１０４はさらに、提供されるものと同一の量の電流が返されることを確実にし得る、下記にさらに説明されるような平衡化電流供給（ＢＣＳ）を含んでもよい。これは、サージに対して敏感な機器を保護することに役立つ。

図４が、ある用途に関して実践的であり得る特徴の組み合わせを図示することを理解されたい。ある場合には、図４に示されるものよりも多い、または少ない特徴を含むことが、有利であり得る。例えば、ある場合には、強化された組み合わせの源／測定ポッドおよび精密源ポッドが、共通モード雑音拒絶を提供することが有利であり得る。ある場合には、平衡化電流源ポッドが、ハイブリッドＡＤ／ＤＣ供給に適応することが有利であり得る。これらの変形例は全て、本開示の文脈内で考慮されるべきである。

源信号における雑音低減

図５Ａは、Ｍ８１（例えば、システム１００、２００、および３００）のシグナリング雑音とより従来の設定との直接比較を示す。より具体的には、図５Ａは、例示的Ｍ８１電流源ポッド１０４（図５Ａに「Ａ」と標識化される）およびより従来の実験室電流源（図５Ａに「Ｂ」と標識化される従来の商業的電流源）の雑音のスクリーンキャプチャである。両方の源は、１μＡ範囲内の電流を送達している。図５Ｂは、Ｍ８１ポッド１０４からの信号Ａの引き伸ばしを示す。図５Ｃは、図５Ａの同一の区分からの信号Ｂの引き伸ばしを示す。図５Ｂおよび５Ｃの比較は、ポッド１０４信号Ａに関する好都合な信号対雑音比を示す。特に、信号Ａの１μＡ信号振幅５０２は、信号Ａの例示的雑音振幅５０４よりも数倍大きい。対照的に、信号Ｂの１μＡ信号振幅は、本質的にその雑音振幅５０６内に埋もれ、信号Ａの信号振幅５０２よりも数倍大きい。これはまた、信号Ａの雑音振幅５０４の何倍もある。

同期

Ｍ８１システム１００、２００、および３００は、本質的に、共有同期クロック３０２（図３Ａ）を介して同期される。特に、同期は、源ポッド１０４からサンプル１１０に送信される信号が、測定ポッド１０４およびヘッド１０２自体における分析ハードウェア（例えば、デジタル信号プロセッサ３２２）と同期されることを可能にする。

図６Ａおよび６Ｂは、共有同期クロック３０２を使用することによって回避され得るものである、従来の器具ラックにおける不整合の時間ベースの効果を描写する。従来的な器具ラックでは、源信号６０２のクロックおよびタイムスタンプ、およびサンプル測定信号クロック１ ６０４およびサンプリングされた測定信号クロック２ ６０６は、図６Ａに示されるように不整合であり得る。

また、クロック６０４と６０６との間の不整合は、時間に伴って発展し得る。例えば、異なる不整合６１０、６１２、および６１４および異なる時間ｔ１、ｔ２、およびｔ３を比較する。これらの不整合は、図６Ｂにおいて、ｔ１、ｔ２、およびｔ３における６１６、６１８、および６２０に示される測定信号６０８の差異をもたらす。これらの周波数および位相差は、データ分析において有意な問題を生じさせ得る。それらは、不正確さおよび誤差につながる。問題は、時間変動によってこれが非系統的に見え得るため、目立たず、補正することが困難であり得る。図６Ａおよび６Ｂは、測定信号および源信号の文脈における同期問題を提示するが、これが、単に例示的であることを理解されたい。同期の欠如は、実験測定以上のものを悩ませ得る。これはまた、システム全体の命令、較正、およびデータ分析を混同および混乱させ得る。

同期問題は、Ｍ８１ １００、２００、および３００システムが全ての源および測定ポッド１０４およびヘッド１０２間で１つのクロックサンプルクロック（例えば、クロック３０２）を共有することによって回避される。これは、全ての器具類を本質的かつ自動的に同期させ、図６Ａおよび６Ｂに示される源信号と測定信号との間の不一致を回避する。

ハイブリッド供給

「ハイブリッド供給」は、ＡＣおよびＤＣ成分の両方からアナログ出力源信号を生成する。本技法は、ＡＣおよびＤＣ信号に関する別個の利得経路を生成することによって、ＡＣおよびＤＣ供給電子機器の両方の利点を活用することができる。これはまた、従来の単一のコンバータ供給よりも低いレベルの雑音、より高い分解能、およびより高い柔軟性を伴う源信号を構築することができる。Ｍ８１ １００、２００、および３００の変形例は、下記に、および同時係属中の米国仮特許出願第６３／０３４，０５２号（参照することによって本明細書に組み込まれる）により詳細に議論されるように、ハイブリッド供給能力を有する。

図７は、システム１００、２００、および３００の変形例における、例示的ヘッドユニット１０２と例示的源ポッド１０４との間の源信号チェーン^１７００を図示する。図７のヘッド１０２の一部として示されるコンポーネント（すなわち、コンポーネント７０２、７０６－７１４、７２２、および７２６－７３０）は、図３Ａに示されるデジタル信号処理ユニット３２４の一部であってもよい。
[1]信号ルーティングに関する用語「チェーン」および「経路」は、本明細書に同義的に使用される。

図７に示されるように、Ｍ８１は、源チャネル７０２を含む。図７に示される例示的事例では、３つの源チャネル７０２が、存在するが、しかしながら、任意の好適な数の源チャネルが、可能性として考えられることを理解されたい。源チャネル７０２は、位相固定ループ（ＰＬＬ）７０６を介して基準信号７０４をフィードされる。源チャネル７０２はまた、他の源チャネル７０８および他のポッド１０４からの測定チャネル７１０からの信号を含んでもよい。入力信号７０８、７１０、および７０４は、次いで、基準選択７１２によって供給に関して選択されることができる。波形形状、振幅、周波数、および位相を含む、選択された信号の種々の側面は、次いで、ＡＣ構成デジタル－アナログコンバータ（ＤＡ１）７１４に送信されることができる。ＡＣ構成ＤＡＣ７１４の動作は、下記にさらに議論されるであろう。ＡＣ構成源信号は、ＤＣ構成信号と組み合わせられ、好適な増幅を介してサンプル１１０に送られることができる。

ＡＣおよびＤＣ構成信号は両方とも、それらの個別のＤＡＣおよび別個の増幅を通して独立した構成を有することができる。ＤＣ構成信号は、サンプル源信号を調節するために、組み合わせ信号からのＤＣフィードバックから導出される。ハイブリッド供給にフィードバックおよび独立したＡＣおよびＤＣ構成を組み込むことは、源信号の分解能および更新レートを改良することができる。リアルタイムフィードバックおよび独立した構成は、オフセット誤差、利得誤差、微分非線形性誤差、積分非線形性誤差、較正誤差、出力雑音、動的範囲、出力帯域幅、源インピーダンス、出力駆動能力、スイッチング雑音、位相誤差、ドリフト対時間およびドリフト対温度等の誤差源を回避する、または最小限にすることができる。

図７は、例示的ハイブリッド源７００構成を示す。サンプル源信号（すなわち、チェーン７００によってＤＵＴ１１０に送信される信号）は、ＡＣ信号（「ＡＣ構成信号」）およびＤＣ信号（「ＤＣ構成信号」）の組み合わせである。これらの信号は、信号におけるグリッチングを回避するために、動的にレンジングされ得る可変利得７２０を介して、サンプル源信号を生成するように組み合わせられる。ＤＣ構成信号は、ＡＣ構成信号およびＤＣ構成信号の組み合わせからのＤＣフィードバックに基づいて発生される。

より具体的には、ＡＣ構成ＤＡＣ７１４は、ＡＣ構成源信号を源ポッド１０４における増幅器７１６に提供し、そこで、これは、７１８によってＤＣ構成源信号と組み合わせられ、レンジングされる増幅器７２０に、次いで、サンプル（ＤＵＴ）１１０上に提供される。ＡＣ構成ＤＡＣ７１４に提供される源の波形形状、振幅、周波数、および位相は、事前プログラムされる、ユーザによって選択される、および／またはユーザ選好および／またはプロトコル（例えば、測定または診断）に従って、ヘッド１０２によって選択肢の中から選択されてもよい。７１８の出力はまた、増幅器７２４を介してＤＣフィードバックとしてヘッド１０２のＤＣ構成ＡＤＣ７２６に提供される。ＤＣフィードバック信号は、次いで、オフセット７２８を介してＤＣ構成ＤＡＣ７３０に送信され、次いで、増幅器７３２を介して７１８にルーティングされる。

図７に示されるように、レンジングされる増幅器７２０の範囲は、他の設定とともに、ヘッド１０２の範囲および他の設定要素７２２を介して送信される「範囲および他の設定」信号を介して選択されることができる。範囲および他の設定は、事前プログラムされる、ユーザによって選択される、および／またはユーザ選好および／またはプロトコル（例えば、測定または診断）に従って、ヘッド１０２によって選択肢の中から選択されてもよい。

源ポッド１０４はさらに、分析、データの通信、コマンド情報、電力調整、計時、および外部デバイスとの通信を含む、種々の機能を実施することが可能なデジタル（非アナログ）回路を含んでもよい。変形例では、源ポッド１０４は、その源信号を提供する、または測定を実施する間に本非アナログ回路を非アクティブ化する能力を有する。そうすることは、信号または測定における干渉および雑音の量を減少させる。同一の理由から、源ポッド１０４におけるデジタル信号は、測定ポッド１０４およびヘッド１０２から分離されてもよい。

ハイブリッド供給をより詳細に掘り下げる前に、より従来の非ハイブリッド源を考慮することが、有用である。図８は、ＡＣ８０２およびＤＣ８０４入力が８０６によってともにデジタル的に加算される、１つのそのような非ハイブリッド源信号チェーン８００を図示する。チェーン８００は、ＡＣ８０２およびＤＣ８０４入力が、概して、同一または類似する範囲内にあるときに好適である。本構成では、ＤＣ信号に対して小さいＡＣ信号は、数ビットのみの分解能を有する。ＤＡＣ８０８は、ＡＣ／ＤＣ組み合わせ信号をアナログに変換し、これを可変増幅器７２０、増幅器８１０、次いで、サンプル１１０に提供する。図８は、図７に示されるようなＤＣフィードバック機構を明示的に示さないが、これが、例えば、ＤＣ入力８０４を通してそのようなフィードバックを含み得ることを理解されたい。

チェーン８００は、システム１００、２００、および３００に含まれ得るが、これは、いくつかの欠点を有する。チェーン８００は、利得をＡＣおよびＤＣ入力信号に同時に提供しなければならない。したがって、ＡＣおよびＤＣ信号チェーンの独立した構成に関するいかなる機会も、存在しない。加えて、利得構成に関する自由度が、殆ど存在しない。チェーン８００における唯一の柔軟性は、可変利得７２０に由来し、これは、ＡＣおよびＤＣの両方のために同時に構成されなければならない。

対照的に、図９－１２は、はるかに高い柔軟性および正確度をもたらす、ハイブリッド供給に対する例示的代替アプローチを示す。これらのシステムはそれぞれ、ＤＣおよびＡＣ信号経路を独立して構成することができる。それらは、源信号チェーン７００およびシステム１００、２００、および３００と併せて使用されることができる。ハイブリッド供給のために使用され得る他のアプローチが、米国仮特許出願第６３／０３４，０５２号にレイアウトされている。

図９は、ＡＣおよびＤＣ構成が並行して行われる間、ＡＣ９０２およびＤＣ９０４入力が、それぞれ、組み合わせ構成（「両方を構成しなければならない」）においてＤＡＣ９０６および９０８によって別個に変換される、例示的源信号チェーン９００を図示する。これは、ＡＣ９０２およびＤＣ９０４入力が別個かつ独立して構成およびレンジングされることを可能にし、最終的にサンプル１１０に送信される信号へのＡＣ９０２およびＤＣ９０４寄与に関する範囲を定義する際にさらなる柔軟性を与える。各ＡＣ９０２およびＤＣ９０４入力はまた、それぞれ、可変利得７２０ａおよび７２０ｂに別個に適用される。可変利得７２０ａおよび７２０ｂは、範囲および他の設定７２２（図７）によって、またはユーザ選好、プロトコルによって設定されてもよい、またはプリセットされてもよい。ＤＣ利得７２０ｂは、システム７００および図７の文脈において開示されるように、サンプル１１０への出力に依存する場合とそうではない場合がある。可変増幅後、ＡＣおよびＤＣ信号の両方は、合計され（９１０）、増幅器９１２に送信され、サンプル１１０上に送信される。

図１０は、ＡＣおよびＤＣ構成が別個かつ並列である、別の例示的源信号チェーン１０００を図示する。チェーン１０００において、ＡＣ回路（「ＡＣ構成」）は、ＤＣ回路の正確度に影響を及ぼすことを防止される。この場合では、ＡＣおよびＤＣ経路の帯域幅が、それらが合計され、サンプル１１０に送信されるとき、平坦な周波数応答を取得するために、遷移周波数と実質的に異なることが有利である。

図１０に示されるように、最初に、１００６におけるＡＣ１００２およびＤＣ１００４入力の合計が、ＤＣ構成経路においてＤＡＣ１００８に送信される。ＡＣ１００２入力は、ＡＣ構成経路においてＤＡＣ１０１０に送信される。ＡＣおよびＤＣ信号の両方は、次いで、可変増幅器（それぞれ、７２０ａおよび７２０ｂ）によって増幅される。ＤＣおよびＡＣ構成回路に関する利得７２０ａおよび７２０ｂは、異なり、それぞれ構成されることができる。それらは、図９の文脈における利得７２０ａおよび７２０ｂに関して上記に説明される同一の様式で設定されてもよい。次に、ＡＣ構成信号は、低周波数成分を除去するために、ハイパスフィルタリングされる（１０１２）。ＤＣ構成信号は、高周波数成分を除去するために、ローパスフィルタリングされる（１０１４）。フィルタリングされたＡＣおよびＤＣ信号は、次いで、１０１６において合計される。合計された信号は、１０１８において増幅され、サンプル１１０に送信される。

図１１は、ＤＣフィードバックループを有する、別の例示的源信号チェーン１１００を図示する。それぞれ、ＡＣおよびＤＣ入力１１０２および１１０４は、合計され（１１０６）、ＤＡＣ１１０８を介してＤＣ構成経路に送信される。ＡＣ入力１１０２は、ＤＡＣ１１１０を介してＡＣ構成経路にフィードされる。ＡＣ構成経路は、次いで、可変増幅器７２０ａを通して通過し、その後、これは、これが７２０ｂによって増幅された後、ＤＣ構成経路からの信号と合計される（１１１２）。利得７２０ａおよび７２０ｂは、図９および１０の文脈において、上記に議論されるように設定されてもよい。合計１１１２は、次いで、増幅器１１１４を介してサンプル１１０にフィードされる。

ＤＣフィードバックは、以下のように遂行される。ＤＡＣ１１０８からのＤＣ構成経路は、ＤＡＣ１１０８処理後にＤＣ入力信号と合計され（１１１６）、次いで、１１１８を介して可変増幅器７２０ｃに送られる。利得７２０ｃは、７２０ａおよび７２０ｂに関して上記に議論されるように設定されてもよい。続けて、ＤＣ構成信号は、１１１２においてＡＣ構成信号と合計される。本フィードバックループは、本質的に、ＡＣ経路をＤＣ経路への擾乱として取り扱い、サンプル１１０への平坦な周波数出力を可能にする。

図１２は、ＤＣフィードバックがＡＤＣを使用するデジタル化フィードバックである、別の例示的源信号チェーン１２００を図示する。これは、より少ないＤＣ不正確度を導入し、ＤＣ ＤＡＣ分解能を強化する。チェーン１２００はまた、ＡＤＣが、典型的には、ＤＡＣよりも正確であり、より良好な制御をもたらす事実を活用する。

チェーン１２００におけるＡＣ構成経路は、図１１のチェーン１１００におけるものと同じである。チェーン１２００のＤＣ構成経路は、主として、ＤＣフィードバック内にＡＤＣ１２０２を含めることによって、チェーン１１００のものと異なる。しかしながら、いくつかの他の微妙な差異が、存在する。具体的には、サンプル１１０からのＤＣフィードバックは、可変増幅器７２０ｃを介してＡＤＣ１２０２にフィードされ、そこで、これは、アナログ信号に変換される。その信号は、次いで、１１０６からの組み合わせられたＤＣ入力／ＡＣ入力信号であるＤＣと合計される（１２０４）。続けて、組み合わせ信号は、ＤＡＣ１１０８、１２０６を介して、増幅器７２０ｂにフィードされ、次いで、１１１２においてＡＣ構成信号と合計される。利得７２０ａ、７２０ｂ、および７２０ｃは全て、図１１に関して上記に説明されるように設定されることができる。

平衡化電流源

図７に再び目を向けると、源ポッド１０４はさらに、平衡化電流供給（ＢＣＳ）能力７３２を含んでもよい。ＢＣＳ７３２は、「ＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬ ＣＵＲＲＥＮＴ ＳＯＵＲＣＥ ＷＩＴＨ ＡＣＴＩＶＥ ＣＯＭＭＯＮ ＭＯＤＥ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」と題され、２００１年１０月４日に出願された、Ｐｏｍｅｒｏｙへの米国特許第６，５０１，２５５号（第’２５５号特許）（その全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）により詳細に解説されている。

簡潔に言えば、測定システム（例えば、システム１００、２００、および３００）は、電流スパイクおよび／または入力／出力の間の非対称性を引き起こす一貫していない負荷に脆弱であり得る。これらのスパイクは、それらのシステムのコンポーネントに害を及ぼし得る。シングルエンド電流源に関する別の問題は、負荷が源リターンに接地されている場合、出力電流リターンが制御されないことである。シングルエンド電流源はまた、負荷に対して共通モード電圧を生成する。そのような電流源では、出力およびリターンは、異なるインピーダンスを有し、これは、不平衡な負荷を生成する。異なるインピーダンスを伴うリード線に結合する共通モード雑音は、通常モード雑音を引き起こすように反応し、これは、所望の電流励起に悪影響を及ぼし得る。浮遊負荷および接地負荷の両方が、回路を実質的に改変または再配線することなく対処され得る、材料測定文脈における電流平衡化の必要性が、存在する。ＢＣＳ７３２は、本必要性に対処する。

第’２５５号特許に議論されるように、ＢＣＳ７３２は、負荷の各側へ反対方向に等しい電流を送達する２つの修正されたＨｏｗｌａｎｄ電流源を用いて負荷を駆動する。システム１００、２００、および３００の文脈では、ＢＣＳ７３２は、感知抵抗器を使用し、源ポッド１０４からサンプルに送信される源信号（図７の「サンプル源信号」）と関連付けられる源電流を測定する。これは、次いで、測定された源電流の大きさに従って、感知抵抗器の抵抗範囲を変動させる。ＢＣＳ７３２はまた、本源信号測定値に基づいて、源および測定ポッド１０４の一方（または両方）の抵抗を改変することによって、負荷を平衡化させることができる。例えば、測定された源電流が、ある閾値を超えるとき、ＢＣＳ７３２は、一方または両方のポッド１０４の抵抗を増加または減少させ、電流をその閾値を下回るまで低下させることができる。閾値電流は、例えば、それを上回ると損傷がシステム１００、２００、および３００のコンポーネントのうちの１つまたはそれを上回るものに生じるであろう電流を表し得る。

デジタル源合成

Ｍ８１ １００、２００、および３００の変形例は、直接デジタル合成を使用して源信号を生成することができる。直接デジタル信号は、源信号に対するさらなる一貫性および制御を与える。デジタル信号はまた、より少ない変動性およびドリフトを有する傾向がある。これらの問題は、最終的に、出力信号における雑音または曖昧性をもたらすため、直接デジタル合成を使用することは、測定の正確度および再現性を改良することができる。ある具体的実施例が、下記に説明されるが、デジタル源信号を提供するための任意の好適な機構が、本明細書に説明される変形例のうちのいずれかと併せて使用され得ることを理解されたい。

図１３は、デジタル的に合成された源チャネル１３００の一例示的変形例を図示する。デジタル的に合成された源チャネル１３００は、図３Ａに示されるデジタル信号処理ユニット３２４の一部であってもよい。

源は、主として、波形表１３０２から導出されてもよい。表１３０２は、いくつかの入力１３０４に基づいて波形を発生させるアルゴリズム（ソフトウェアまたはファームウェア）であり得る。入力１３０４は、供給するべき特定の波形を選択するように表１３０２に指示してもよい。入力１３０４は、とりわけ、周波数、位相偏移、およびラグを選択してもよい。これらの入力１３０４はそれぞれ、必ずしも全ての変形例において使用されるわけではない。入力１３０４は、ローカルで記憶されてもよく、ユーザによって直接入力されてもよく、他のソフトウェアによって、および／または測定または診断プロトコルに従って発生されてもよい。

基準信号１３０６もまた、表１３０２への入力として含まれてもよい。基準１３０６は、ロックイン増幅器（例えば、チャネル１－３からの源ロックイン基準）および位相固定ループ（ＰＬＬ）基準からの源基準を含む。基準１３０６は、マックス１３０８によって選択され、マルチプレクサ（マックス）１３１０に送信されてもよく、そこで、それらは、波形設定１３０４および付加的基準１３１６と組み合わせられる。基準１３０６は、ユーザ、他のソフトウェアによって、および／または測定または診断プロトコルに従って選定されてもよい。それらは、次いで、源信号として出力するべき具体的波形の選択のために、表１３０２に送信される。表１３０２からの出力波形は、次いで、本明細書に説明される任意の信号処理方法によってさらに処理され（１３０２）、源ポッド１０４に提供されてもよい。チャネル１３００はまた、入力１３０４を介して直接選定されるのではなく、随意の位相偏移１３０４を伴うロックイン基準を使用することができる。この場合では、源の周波数および位相は、ロックイン基準信号（例えば、基準１３１２）によって決定されることができる。随意の位相偏移１３０４は、基準１３１２との位相関係を設定することができる。外部位相関係は、チャネル毎に異なるように構成されることができる。

図１４および１５は、デジタル源１３００の要素１３０２によって提供され得る、源波表１４００の例示的変形例を示す。図１５の波形１５００は、表１４００におけるデータをプロットすることによって発生される。図１５は、相対的単位において波形１５００の単一の周期をプロットする。

一変形例では、源信号供給アルゴリズムは、波形の１つまたはそれを上回る周期を表す表１４００を通して反復的に増分することができる。表１４００は、両方とも正規化された単位において波形振幅（出力）対時間（位置）を提供する。正規化された単位を使用することは、要件ではない。これは、入力１３０４に基づいて、波形の電圧または時間依存性のいずれかをスケーリングするために便宜的である。このように、表１４００は、波形１５００の形状を決定する。位相増分（要素１３０４、図１３）と呼ばれる、アルゴリズムが表１４００を通して循環する率は、波形１５００の周波数を決定する。

表１４００の「位置」は、整数だけ変化する必要はない。ある変形例では、例えば、より高い分解能の位相アキュムレータ（要素１３０４、図１３）が、波形１５００の位相を追跡するために使用されることができる。位相アキュムレータ１３０４は、非整数量だけ増分し、本位相を表１４００における位置に変換することができる。

図１５の波形１５００は、表１３０２自体によって、または源処理１３０２においてのいずれかで、平滑化される、および／または連続的にされることができる。ローパス平滑化に関して、時間ｔ_ｗにおける非ゼロ幅を伴う離散的出力値が、図１４の表における値に取って代わることができる。図１６Ａに示されるように、これは、「段階的」出力波形１６０２を生成する。アナログローパスフィルタを１６０２に適用することは、図１６Ｂに示される平滑な波形１６０４を生成する。ＡＣ波形１６０４は、ＤＣオフセット設定（図示せず）と組み合わせられ、源処理１３０２における閉ループＤＣ供給システムにフィードされることができる。これは、図８－１３の文脈において上記に議論されるハイブリッド供給変形例の一部であり得る。

高度な測定技術

Ｍ８１プラットフォーム／システム１００、２００、および３００は、いくつかの異なる特徴を伴う測定ポッド１０４を利用することができる。使用されるポッド１０４の具体的タイプおよびその測定特徴は、用途および／または実践的考慮事項に依存し得る。図１７は、それらの特徴セットを伴ういくつかの例示的測定ポッド１０４変形例を提示する。「強化された組み合わせの源／測定ポッド」は、それぞれチャネルを使用することによって、源および測定ポッドの能力を組み合わせることができる。「電圧測定ポッド」は、シングルエンドである、または複数の桁を通した連続性を伴う差動電圧測定を有することができる。「電流測定ポッド」は、仮想接地への電流を測定するトランスインピーダンス増幅器を含むことができる。図１７は、ある用途に関して実践的であり得る特徴の組み合わせを図示するが、ある場合には、図１７に示されるものよりも多くの特徴を含むことが、有利であり得ることを理解されたい。例えば、ある場合には、強化された組み合わせの源／測定ポッドが、電圧、電流を測定し、最も低い雑音、アナログフィルタ、シームレスかつシームレスなレンジングを有することが、有利であり得る。これらの変形例は全て、本開示の文脈内で考慮されるべきである。

図１８は、システム１００、２００、および３００の変形例における、例示的ヘッドユニット１０２と例示的測定ポッド１０４との間の測定信号チェーン１８００を図示する。ヘッド１０２における信号チェーン１８００の部分（すなわち、１８０２、１８０６－１８１６）は、図３Ａに示されるデジタル信号処理ユニット３２４の一部であってもよい。

図１８に示されるように、ヘッド１０２は、測定チャネル１８０２を含む。例示的事例では、２つの入力測定チャネルが、存在し、１つは、範囲Ａに関するものであり、１つは、範囲Ｂに関するものであり、それぞれ、その関連付けられるＡＤＣを伴う。任意の好適な数の測定チャネルが、特定の測定および関与する範囲の数に応じて、可能性として考えられ、これが、実質的に２つを上回り得る（例えば、３つ、４つ、またはそれを上回る）ことを理解されたい。測定チャネル１８０２は、図１８に示されるように、いくつかの可変増幅器７２０およびアナログフィルタ１８０４を介して測定ポッド１０４から取得されてもよい。増幅器７２０上の利得は、図１０－１２の利得７２０ａ－７２０ｃの文脈において説明されるように設定されてもよい。図２３に関して下記により詳細に説明されるように、チャネル１８０２は、範囲混合信号１８０８と組み合わせられ（１８０６）、ロックインを介して復調１８１０のために送信されてもよい。復調は、基準信号（例えば、基準（ロックイン）および基準＋９０度（ロックイン）１８１２）によって通知され、信号精緻化のためにデジタルフィルタ１８１４を受けてもよい。デジタルフィルタ１８１４は、例えば、有限インパルス応答および無限インパルス応答であり得る。

図１８に示されるように、範囲ミキサ１８０８はさらに、最終的に増幅器７２０およびアナログフィルタ１８０４にフィードバックされる範囲および設定１８１６に関する出力を提供し、具体的には、範囲ＡおよびＢのそれぞれに関して測定されたサンプル信号の利得および処理を調節してもよい。本プロセスは、連続的測定レンジングおよび／または範囲混合と称される。その目的は、測定ポッド１０４が、測定されたサンプル信号の範囲の変化を調節するためにその入手パラメータを変更しなければならないとき、そうでなければ生じ得るグリッチまたは測定不一致がないことを保証することである。範囲ミキサ１８０８の動作および範囲ＡとＢとの間の連続的レンジングが、下記にさらに議論されるであろう。

測定ポッド１０４はさらに、分析、データの通信、コマンド情報、電力調整、計時、および外部デバイスとの通信を含む、種々の機能を実施することが可能なデジタル（非アナログ）回路を含んでもよい。変形例では、測定ポッド１０４は、測定を実施する、または源信号を提供する間に本非アナログ回路を非アクティブ化する能力を有する。そうすることは、信号または測定における干渉および雑音の量を減少させる。同一の理由から、測定ポッド１０４におけるデジタル信号は、源ポッド１０４およびヘッド１０２から分離されてもよい。

連続的測定レンジング

材料測定、特に、極低温において実施され、電子構造に関連する性質を伴うものは、数ディケードおよび数桁に及び得る。これらの広い範囲は、従来的な測定機器に負担をかけ得る。多くの場合、異なる機器が、異なる範囲において値を測定するために必要とされる。単一の実験において複数の範囲を網羅するために異なる機器に切り替えることは、測定データにおいてグリッチを引き起こし得る。いくつかの因子、例えば、異なる範囲測定システムの間の正確度および利得差が、これらのグリッチを引き起こす。また、範囲変化は、時間に伴う測定不連続性をもたらし、収集されたデータにおけるギャップにつながり得る。いずれの場合も、望ましくない。両方とも、測定の全体的正確度を低下させる。これらの問題に対処するために、Ｍ８１ １００、２００、および３００の変形例は、下記に、および同時係属中の米国仮特許出願第６３／０１６，７４５号により詳細に議論されるように、「シームレスなレンジング」能力を有する。

図１９は、Ｍ８１ １００、２００、および３００におけるシームレス（連続的）なレンジング１９０２を伴う電圧測定を、シームレスなレンジング能力が欠如する従来の設定１９０４によって行われた同一の測定と比較する。図１９は、従来のレンジング１９０４が範囲遷移Δｔにわたる測定データ１９０４における不連続性Ｄを生成する様子を示す。これは、異なる測定プロファイル（例えば、正確度、利得等）を伴うデバイスの異なるセットが、範囲ｒ１およびｒ２においてデータを測定するために使用されるためである。加えて、範囲ｒ１とｒ２との間の切替は、遷移先の範囲（図１９に示される例示的事例におけるｒ２）にわたって測定すること専用の機器の「ウォームアップ」または使用開始からもたらされる過渡信号、雑音、またはグリッチを伴い得る。

図１９はまた、遷移ΔｔがＭ８１プラットフォーム／システム１００、２００、および３００内に含まれるシームレスなレンジング能力によって平滑化され得る（連続的レンジング測定データ１９０２）方法を示す。
本平滑化効果は、連続的レンジングデータ１９０２による不連続性Ｄの回避として図１９に図式的に表される。２つのみの例示的範囲ｒ１およびｒ２が、図１９の文脈において議論されるが、連続的レンジング技法が、特定の測定に関連する任意の好適な数の範囲に適用され得ることを理解されたい。例えば、範囲の数は、ある場合には、３つ、４つ、またはそれを上回るものであってもよい。これらの場合のそれぞれでは、連続的レンジングは、範囲変化の方向にかかわらず（すなわち、範囲変化が図１９に示されるような増加または測定値の減少（図示せず）を伴うかどうかにかかわらず）、各範囲変化の間の平滑な遷移を確実にするように構成されることができる。

連続的レンジングは、独立して、および／または並行して適用され得る別個の信号増幅／利得チェーンを使用して、２つの範囲ｒ１およびｒ２に対処する。具体的実装が、図２０および２１の文脈において下記に議論されるであろう。各範囲ｒ１およびｒ２に別個に、および／または並行して対処することは、データがアクティブな増幅変化によって収集されることに基づいて、非アクティブ範囲（すなわち、測定において現在採用されていない範囲、例えば、ｔ＜ｔ_ＴＲであるときの範囲ｒ２またはｔ＞ｔ_ＴＲであるときの範囲ｒ１）に関する増幅チェーンの構成を可能にする。非アクティブ範囲に関する増幅チェーンをアクティブ範囲測定と並行してオンラインに保つことは、非アクティブ範囲が最終的に従事されるときの始動過渡事象を回避することができる。これはまた、範囲ｒ１からｒ２への（逆もまた同様である）遷移Δｔにわたるデータの平滑な変化を促進するために、範囲毎の利得チェーンが組み合わせて適用される、「範囲混合」を可能にする。すなわち、両方の範囲からの増幅チェーンが、範囲遷移Δｔにわたってデータを平滑化するために、同時に適用されることができる。これは、例えば、ソフトウェアミキサを介して行われることができる、および／または次いで、ｒ１からｒ２に平滑に遷移することができ、逆もまた同様である。

図２０は、二重増幅チェーンを介してシームレスなレンジングを実装する一変形例２０００である。変形例２０００は、例えば、図１８に示される範囲ミキサ１８０８によって実装されてもよい。

図２０に示されるように、より低い利得チェーン２００２およびより高い利得チェーン２００４は、１）異なるＡＤＣ（それぞれ、２００８ａおよび２００８ｂ）および２）これにより低い利得チェーン２００２よりも高い利得を与える、より高い利得チェーン２００４における付加的増幅器２００６を除いて、同じである。ＡＤＣ２００８ａおよび２００８ｂからの出力は、ミキサ２０１０によって組み合わせられ、レンジング測定のために測定ポッド１０４の入手ルーチンにおいて使用される。チェーン２０００において、組み合わせは、係数αによって加重されることができる。αは、（例えば、図１９の不連続性Ｄを回避するための範囲混合を使用して）レンジング遷移Δｔにわたる平滑な遷移を確実にするために、動的に選定されることができる。αは、ユーザによって設定されることができるが、多くの場合、レンジングアルゴリズム（例えば、図２２Ａに示されるアルゴリズム２２００）によって設定される。

図２１は、シームレスなレンジングにおいて使用される、別の例示的増幅チェーン２１００を示す。変形例２１００は、例えば、図１８に示される範囲ミキサ１８０８によって実装されてもよい。

チェーン２１００は、より低い利得部分２１０２と、より高い利得部分２１０４とを含み、これらは、１）異なるＡＤＣ（それぞれ、２１０８ａおよび２１０８ｂ）、２）これにより低い利得部分２１０２よりも高い利得を与える、より高い利得部分２１０４における付加的増幅器２１０６、および３）より低い利得部分２１０２およびより高い利得部分２１０４が、それぞれ、マックス２１１４ａおよび２１１４ｂを介して利得段２１１２に接続されることを除いて、同じである。

図２１に示されるように、利得段２１１２ａおよび２１１２ｂからより低いおよびより高い利得部分２１０２および２１０４に供給される増幅は、それぞれ、マックス２１１４ａおよび２１１４ｂを介して選択されることができる。このように、チェーン２１００は、チェーン２０００よりも少ない専用増幅器を使用し、組み合わせをミキサ２１１０に提供してもよい。より低いおよびより高い利得部分２１０２および２１０４に関して同一の利得段２１１２ａおよび２１１２ｂ（および増幅器）を使用することは、より効率的であるだけではない。これはまた、異なる増幅器の間のグリッチまたは不適合に起因して生じ得る雑音を本システムにおいてあまり導入しない。例えば、各増幅器は、適用されている範囲にかかわらず、それらが常時使用されているときに回避される過渡事象を有し得る。

チェーン２０００の場合と同様に、チェーン２１００における組み合わせは、係数αによって加重されることができる。αは、（例えば、図１９の不連続性Ｄを回避するための範囲混合を使用して）レンジング遷移Δｔにわたる平滑な遷移を確実にするために、動的に選定されることができる。αは、ユーザによって設定されることができるが、多くの場合、レンジングアルゴリズム（例えば、図２２Ａに示されるアルゴリズム２２００）によって設定される。

チェーン２０００および２１００、およびその他を含む変形例では、シームレスなレンジングは、自動レンジングを含んでもよい。図２２Ａは、シームレスなレンジングと併せて使用され得る、自動レンジングアルゴリズム２２００の概略実施例を提供する。図２２Ｃは、フローチャートの形態においてアルゴリズム２２００を示す。これは、デジタル信号処理ユニット３２４における他のコンポーネントの中でもとりわけ、図１８の範囲ミキサ１８０８によって実装されることができる。

アルゴリズム２２００は、図２２Ｂに示される測定信号２２５０が範囲ｒ１、ｒ２、およびｒ３から増加して変化するにつれて、範囲を変化させる。信号２２５０は、ｔ＝ｔ_{ＴＲ（１－２）}において範囲ｒ１からｒ２に遷移し、ｔ_{ＴＲ（３－４）}において範囲ｒ２からｒ３に遷移する。図２２Ａは、それらの遷移にわたる、範囲ｒ１、ｒ２、およびｒ３の専用の利得チェーンを適用する観点からのアルゴリズム２２００の応答を示す。

図２２Ａおよび２２Ｃに示されるように、アルゴリズム２２００は、ｒ１からｒ２への遷移（ｔ_{ＴＲ（１－２）}）に先立って、周期２２０２の間に１００％ ｒ１のために構成された利得を提供する（例えば、図２０のチェーン２０００におけるより高い利得部分２００４から引き抜き、より高い利得を２つの範囲のより低いものに提供する）。図２２Ａおよび２２Ｃはまた、アルゴリズム２２００が、測定信号が遷移ｔ_{ＴＲ（１－２）}に接近する際にｒ１およびｒ２に関する利得プロファイルを混合する（例えば、より高い利得部分２００４およびより低い利得部分２００４から引き抜く）ことを示す。本遷移前のｒ１／ｒ２混合周期は、２２０４と標識化される。上記に議論されるように、混合は、ｒ１／ｒ２範囲遷移の間のデータのグリッチおよび／またはギャップを回避する。ｔ_{ＴＲ（１－２）}におけるｒ１／ｒ２遷移後、アルゴリズム２２００は、混合を伴わずにｒ２利得を適用する（例えば、図２０のチェーン２０００におけるより低い利得部分２００２から引き抜く）。図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃは、アルゴリズムが同様に、すなわち、最初に、周期２２０８の間にｒ２およびｒ３に関する利得プロファイルを混合し、次いで、周期２２１０の間にｒ３構成利得のみを提供することによって、ｔ_{ＴＲ（３－４）}においてｒ２からｒ３に変化することを示す。

図２２Ａはまた、周期２２０６（ｒ２のみ）の間のヒステリシス２２１２の領域を示す。ヒステリシス２２１２の間、いかなる予想されるレンジングも、存在しない（すなわち、この場合ではｒ２に関する利得チェーンである、利得チェーンの１つのみの利得部分がアクティブである）。これは、雑音または信号変動に起因する範囲の間の交互の切替を回避する。いったん測定信号２２５０がｒ３により近接して進むと、ヒステリシス周期２２１２は、終了する。周期２２１４は、ｒ２からｒ３への範囲変化がｒ３に関する利得チェーン（図示せず）を従事させることによって予想される周期を表す。ｒ３に対応する利得チェーンは、較正および上記に議論されるような過渡事象の回避の両方の目的のために２２１４の間に従事される。範囲の上部分のいかなるヒステリシスまたは予想も、ｒ１／ｒ２遷移に関して示されないが、それらが、その遷移にも同様に適用され得ることを理解されたい。

図２２Ａは、測定信号が増加する際のアルゴリズム２２００の動作を示すが、アルゴリズムが、測定信号が減少する（例えば、より高い範囲ｒ３からより低い範囲ｒ２に、次いで、最も低い範囲ｒ１に）際に同様に適用されることを理解されたい。これは、図２２Ｄのフローチャート２２２０を介して示される。この場合では、アルゴリズム２２００は、範囲の上周期を予想するのではなく、範囲の下周期を予想するであろう（例えば、ｔ_{ＴＲ（２－３）}においてｒ３からｒ２に下向きに遷移する（チャート２２２０のステップ２２２４）等）。図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃは、３つの例示的範囲ｒ１、ｒ２、およびｒ３間の範囲変化を取り扱うアルゴリズム２２００および２２２０を示すが、これが、同一の様式における実験のために好適な任意の数の範囲間の範囲変化を取り扱い得ることを理解されたい。アルゴリズム２２００および２２２０の他の変形例は、多くの他のアルゴリズムおよび／または範囲／パラメータ設定および任意の好適な数の範囲遷移を含むことができる。

ロックイン測定

Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例は、とりわけ、雑音の多い測定信号から測定値を正確に抽出するロックイン測定能力を伴うヘッド１０２を含むことができる。図２３は、デジタル信号処理ユニット３２４によって実装され得る、一例示的変形例２３００を示す。変形例２３００では、測定信号２３０２は、既知の基準源２３０６で乗算され（２３０４）、復調信号２３０８を作成することができる。復調後、ローパスフィルタ２３１０は、雑音を除去し、読取値２３１２を発生させることができる。

一例示的実装では、サンプル１１０抵抗Ｒ１は、ＡＣ電流を供給し、電圧２３０２を測定することによって測定されることができる。測定された電圧読取値２３０２を基準信号２３０６としての電流源１０４出力で乗算する（２３０４）ことは、図２３のロックイン技法を介して、抵抗Ｒ１を通した電流によって生成される電圧のみの抽出を可能にすることができる。

ロックイン技法２３００は、以下の信号処理概念を利用する。信号の乗算は、異なる周波数（ω_ｒ≠ω_ｍ）を伴う２つの繰り返される信号を乗算することが平均してゼロになるため、この場合では信号抽出に役立つ。

しかしながら、乗算された信号が、同一の周波数を有する（ω_ｒ＝ω_ｍ）とき、信号の積は、平均して信号振幅の半分になるであろう。

したがって、図２３のロックイン技法２３００は、基準２３０６信号を含まない干渉および雑音から測定信号２３０２を分離するために使用されることができる。

Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例はまた、信号抽出のために高調波（すなわち、基準周波数の倍数）を復調することができる。これは、信号１９０２および１９０４に関して図２４に示されるように、信号の間に位相差（θ）が存在するときに特に有用である。

位相差θが、基準信号と測定信号との間に存在する場合（図２４）、単一のロックイン読取値の値は、θに依存する。

Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例は、θに合致する復調位相偏移を使用することによって、本位相依存性を解釈することができる。復調位相偏移は、以下のように進む。最初に、二相測定が、位相差の量を決定する。測定信号は、基準および９０度位相偏移された基準の両方で乗算されることができる。これは、同相（Ｉ）および位相外れ（Ｑ）信号部分を生成する。

位相差の量は、次いで、（１）および（２）を使用して計算されることができる。

（３）を介して計算される位相差は、復調位相

として基準信号に適用されることができる。これは、読取値を同相の成分にし、ゼロを位相外れの成分にする。

Ｍ８１、１００、２００、および３００変形例は、復調位相を自動的に計算および適用することができる。

図２５は、ヘッド１０２がまた、２３００に供給されるべき基準を達成するために位相固定ループ（ＰＬＬ）２５００を使用し得る方法を示す。ＰＬＬ２５００は、デジタル信号処理ユニット３２４の一部であってもよい。

基準が、外部信号２５０４、電力線周波数２５０６、および／または３つの測定チャネル信号２５０８のうちの１つのうちの１つからマックス２５０２を介して（ユーザまたはアルゴリズムのいずれかによって）選択される。いくつかの変形例では、ユーザは、低周波数信号を適用するために、ハイパスフィルタ２５１２をバイパスすることができる（２５１０）。ユーザは、着信信号を反転（１８０°偏移）させることを選定することができる。

ＰＬＬ２５００の変形例では、１つの信号が、所与の時点で基準を発生させるために使用されることができる。ＰＬＬ２５００は、基準の周波数および位相が、着信信号のものと合致することを確実にすることができる。独立した周波数（ｋ_ｆ）および位相制御ループ（ｋ_ｐ）は、着信信号に伴う変化を追跡することができる。ハイパスフィルタ２５１２は、基準方形波またはＡＣ信号＋／－５Ｖにロックインすることを可能にすることができる。マック２５０２は、測定チャネルのうちの１つを基準として選定することができる。

Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例は、基準アウトを利用することができる。一例示的基準アウト２６００が、図２６に示される。基準アウト２６００は、デジタル信号処理ユニット３２４によって実装されてもよい。

ユーザは、マックス２６０８を介して源基準２６０２またはＰＬＬ基準２６０４のうちの１つを出力することを選定することができる。タイマ周辺機器２６１０（例えば、ある量の時間またはクロックサイクル後のトリガ）または他の計時デバイスは、サンプリングクロック（例えば、図３Ａの共有同期クロック３０２）と同期される信号を発生させることができる。いくつかの変形例では、ユーザはまた、随意のインバータ２６１２を介して信号を反転させることを選定することができる。変形例では、一度に１つの基準信号が、送信されることができる。

Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例は、デジタル信号処理ユニット３２４によって実装される、測定デジタル信号プロセッサ／処理（ＤＳＰ）を利用することができる。一例示的変形例２７００が、図２７に示される。例えば、信号インに関して、ＡおよびＢ測定チャネルは、それぞれ、２つの独立したＡＤＣ２５５２および２５５４によって読み取られることができる。ＡＤＣ２５５２および２５５４に送信された信号は、図１９－２２Ｃの文脈において上記に詳細に説明されるように、シームレスなレンジングのために補間されることができる。

２つの信号ＡおよびＢのうちのより大きいものは、図２５の文脈において説明されるＰＬＬ２５００等のＰＬＬに送信されることができる。ピーク検出が、図２２Ａおよび２２Ｃに説明されるアルゴリズム２２００および／または図２２Ｃのアルゴリズム２２２０等のシームレスなレンジングアルゴリズムにおいて自動レンジング決定を行うために使用されることができる。随意の／構成可能デジタルフィルタ２７５６が、測定に適用されてもよい。一変形例では、フィルタは、ローパス、ハイパス、バンドパス、またはノッチフィルタリングのために構成され得る、カスケードバイクワッドである。いくつかの変形例では、ＡＣ／ＤＣ測定を行うとき、スイッチ２７５８および２７６０は、それぞれ、それらの上側信号２７５８ａおよび２７６０ａを選択することができる。これは、測定値を乗算器２７６２においてそれ自体で乗算させ、乗算器２７６４において１で乗算させる（すなわち、変更されない）。平均化後、上部信号２７６８は、ＡおよびＢからのＲＭＳ測定読取値である。底部信号２７７０は、ＤＣ読取値である。ピーク検出２７６６は、行われる測定のタイプにかかわらず、同一のままであり得る。測定値は、ポッドのタイプおよびその範囲に基づいて、適切な単位に変換されることができる。

ＰＬＬ２５００を伴う変形例に関して、ユーザは、使用するべき基準信号を選定し、また、復調高調波および位相を設定することができる。２つの波形が、基準から発生されることができる。例えば、図２４に示されるように、波形１９０２および１９０４は、９０°位相外れである。ロックイン測定を伴う変形例では、スイッチ２７５８および２７６０は、それらの下側信号、すなわち、２７５８ｂおよび２７６０ｂを選択する。平均化後、上部信号２７６８は、Ｑ（直角位相）インジケーションであり、底部信号２７７０は、Ｉ（同相）インジケーションである（それぞれ、上記の方程式２および１）。パケットビルダ２７７２は、共有同期クロック３０２を介して同期された信号を同期的にタイムスタンピングし、それらをヘッド１０２の残りの部分にバッファリングすることができる。

Ｍ８１ １００、２００、および３００システム統合

統合システムとして、Ｍ８１ １００、２００、および３００変形例の変形例は、それぞれ、図２８Ａおよび２８Ｂに示されるマウンティング２８０２および２８０４等のポッドマウンティングを含むことができる。図２８Ａは、マウンティング２８０２および２８０４が２つの半体（例えば、半体２８０２ａおよび２８０２ｂ）を有し、クラムシェル構成においてともに嵌合し得る様子を示す。他の構成もまた、可能性として考えられ、本開示の文脈内である。マウンティング２８０２および２８０４は、静電遮蔽のための材料（例えば、プラスチック、樹脂、ゴム等）から成ることができる。マウンティング２８０２および２８０４は、鋼、ミューメタル、または他の磁性合金等の磁気遮蔽のための材料から成ることができる。ポッド１０４は、ともにスタックし、筐体２８０２および２８０４を介してラックマウントすることができる。

これらのマウンティングは、概して、図２８ＢのＢＮＣ接続２８０６ａ等のいくつかの貫通接続を含む。ＢＮＣ接続２８０６ａのみが示されるが、任意の数の好適な接続が、利用可能であることを理解されたい。図２８Ｂは、そのような接続を収容し得る、いくつかの付加的貫通孔２８０６ｂを示す。貫通孔２８０６ｂは、接続によって占有されてもよい。それらはまた、図２８ｂに示されるように、空いており、内部暴露を防止するためのキャップを有してもよい。好適な接続は、同軸タイプ、三軸タイプ等を含む。図２８Ｂに示されるように、マウンティング２８０２および２８０４はまた、サンプルステージ（例えば、図１のサンプルステージ１０６）のラックまたは区分等の固定具上に搭載するための摺動マウント２８０８を含んでもよい。摺動マウント２８０８が、図に示されるが、好適な搭載システム（例えば、ボルト、スナップ嵌合、ガイドレール、ねじ等）が、使用され得ることを理解されたい。図２８Ａおよび２８Ｂはまた、その上にマウンティング２８０２および２８０４が立ち得る脚部（２８０２ｃ、２８０２ｄ、２８０４ｃ、および２８０４ｄ）を示す。

図２９Ａおよび２９Ｂは、源（図２９Ａ）および測定（図２９Ｂ）構成におけるタッチスクリーン１０２ｃの詳細を示す。源および測定構成が、図２９Ａおよび２９Ｂに別個に示されるが、それらは、別個である必要はないことを理解されたい。源および測定構成は、相互と同時に、同一の画面１０２ｃ上で、および本明細書に開示される他のインジケータ、診断、または情報とともに示されることができる。実施例として、ヘッド１０２は、オシロスコープ機能性を含み、図２９Ａおよび２９Ｂの測定および源ディスプレイと同一の画面１０２ｃ上に波形を表示してもよい。

１０２ｃは、タッチスクリーンであるため、図２９Ａおよび２９Ｂの種々の要素は、タッチ入力によって調節されてもよい。例えば、図２９Ａは、源モード２９０２がタッチから（例えば、Ｉ（電流）からＶ（電圧）に変更するために）調節され得る方法を示す。図２９Ａは、源範囲２９０４、源レベル２９０６、コンプライアンス限界２９０８、感知ライン２９１０、および測定モード２９１２が全て、タッチによって調節され得る方法を示す。図２９Ｂは、測定モード２９１４、平均化時間２９１６、および範囲２９１８の様子を示す。加えて、画面１０２ｃは、入力電流および電圧（図２９Ａおよび２９Ｂに示される）を可能にすることができる。概して、本明細書に説明される任意の測定および設定は、図２９Ａおよび２９Ｂに明示的に示されるかどうかにかかわらず、前部パネルタッチスクリーン１０２ｃを介して閲覧および構成されることができる。

本発明の種々の発明的側面、概念、および特徴が、例示的実施形態において組み合わせて具現化されるように、本明細書に説明および例証され得るが、これらの種々の側面、概念、および特徴は、個々に、またはその種々の組み合わせおよび副次的組み合わせにおいてのいずれかで、多くの代替実施形態において使用され得る。本明細書で明確に除外されない限り、全てのそのような組み合わせおよび副次的組み合わせは、本発明の範囲内であることを意図している。なおもさらに、代替材料、構造、構成、方法、回路、デバイスおよびコンポーネント、ソフトウェア、ハードウェア、制御論理、形態、適合性、および機能に関する代替等、本発明の種々の側面、概念、および特徴に関する種々の代替実施形態が、本明細書に説明され得るが、そのような説明は、現在公知または後に開発されるかどうかにかかわらず、利用可能な代替実施形態の完全または網羅的リストであることを意図していない。当業者は、発明的側面、概念、または特徴のうちの１つまたはそれを上回るものを、そのような実施形態が本明細書に明確に開示されない場合であっても、本発明の範囲内の付加的実施形態および使用に容易に採用し得る。加えて、本発明のいくつかの特徴、概念、または側面が、好ましい配列または方法であるとして本明細書に説明され得るが、そのような説明は、明確にそのように記載されない限り、そのような特徴が要求される、または必要であることを示唆することを意図していない。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。「およそ」または「約」規定された値として識別されるパラメータは、別様に明確に記載されない限り、規定された値および規定された値の１０％以内の値の両方を含むことを意図している。さらに、本願に付随する図面が、そうである必要はないが、縮尺通りであり得、したがって、図面に明白な種々の比率および割合を教示するものとして理解され得ることを理解されたい。また、種々の側面、特徴、および概念が、発明的である、または本発明の一部を形成するものとして本明細書に明確に識別され得るが、そのような識別は、排他的であることを意図しておらず、むしろ、そのように、または具体的発明の一部として明確に識別されることなく、本明細書に完全に説明される発明的側面、概念、および特徴が、存在し、本発明は、代わりに、添付される請求項に記載され得る。例示的方法またはプロセスの説明は、全ての場合に要求されるものとしての全てのステップの包含に限定されない、またはステップが提示される順序は、明確にそのように記載されない限り、要求される、または必要なものとして解釈されるものではない。

Claims (22)

1. 測定システムであって、
   源信号をサンプルに提供するように構成される源ユニットであって、前記源ユニットは、
   電圧源および電流源のうちの少なくとも１つと、
   源較正を記憶するように構成されるメモリと
   を備える、源ユニットと、
   前記サンプルから前記源信号に応答する測定信号を入手するように構成される測定ユニットであって、前記測定ユニットは、
   電圧測定ユニット、電流測定ユニット、および静電容量測定ユニットのうちの少なくとも１つと、
   測定較正を記憶するように構成されるメモリと
   を備える、測定ユニットと、
   制御ユニットであって、
   デジタル信号処理ユニットと、
   前記デジタル信号処理ユニットと前記源ユニットとの間に接続される源コンバータと、
   前記デジタル信号処理ユニットと前記測定ユニットとの間に接続される測定コンバータと、
   前記デジタル信号処理ユニット、前記源コンバータ、および前記測定コンバータのクロックを同期させるように構成される同期ユニットと、
   前記制御ユニットを含む前記システムを較正するための較正ユニットと、
   前記制御ユニットに関する共通基準電圧を供給するように構成される基準電圧供給源と
   を備える、制御ユニットと
   を備える、システム。
2. 前記制御ユニットは、
   前記源ユニットおよび測定ユニットによって実施される自己較正からの較正データと、
   記憶される工場較正からの較正データと、
   インターネットを介した遠隔源からの較正データと、
   ユーザ入力からの較正データと、
   前記源ユニットからの前記源較正データと、
   前記測定ユニットからの前記測定較正データと
   のうちの少なくとも１つを取得するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御ユニットは、
   周期的に前記源較正および測定較正と、
   前記源ユニットが前記源信号を前記サンプルに提供していないときに前記源ユニットのメモリからの前記源較正と、
   前記測定ユニットが前記サンプルから測定信号を入手していないときに前記測定ユニットのメモリからの前記測定較正と、
   並行して前記源較正および測定較正と
   のうちの少なくとも１つを取得するように構成される、請求項１および２のいずれか１項に記載のシステム。
4. 前記デジタル信号処理ユニットは、前記制御ユニット、源ユニット、および測定ユニットのうちの少なくとも１つに関する較正データを記憶する、
   前記測定ユニットおよび源ユニットは、前記制御ユニットおよび前記デジタル信号処理ユニットから遠隔に位置する、
   前記システムは、前記制御ユニットを前記測定ユニットに接続する第１のケーブルと、前記制御ユニットを前記源ユニットに接続する第２のケーブルとを備える、
   前記測定ユニットおよび前記源ユニットのうちの少なくとも１つにおけるデジタル信号は、前記制御ユニットから分離される、
   前記測定ユニットと制御ユニットとの間の測定インターフェースおよび前記源ユニットと前記制御ユニットとの間の源インターフェースは、ケーブル内で相互から分離される、
   前記システムは、複数の源ユニットを備える、
   前記システムは、複数の測定ユニットを備える、
   前記源ユニットは、前記測定信号を入手するように構成される、および、
   前記測定ユニットは、前記源信号を提供するように構成される
   のうちの少なくとも１つである、請求項１－３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記電流源ユニットは、感知抵抗器を介して前記源信号と関連付けられる源電流を測定し、前記源電流の大きさに従って、前記感知抵抗器の抵抗範囲を変動させるように構成される、請求項１－４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記源電流が閾値電流を超えるかどうかを決定し、前記源電流が前記閾値電流を超えるとき、前記源電流が前記閾値電流を下回るように、前記源ユニットおよび前記測定ユニットのうちの少なくとも１つのフィードバック要素を改変するように構成される電流源保護ユニットと、
   源電圧が閾値電圧を超えるかどうかを決定し、前記源電圧が前記閾値電圧を超えるとき、前記源電圧が前記閾値電圧を下回るように、前記源ユニットおよび前記測定ユニットのうちの少なくとも１つのフィードバック要素を改変するように構成される電圧源保護ユニットと
   のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記同期ユニットは、内部クロック信号に対して前記デジタル信号処理ユニット、前記源コンバータ、および前記測定コンバータを同期させるように構成される、請求項１－６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記デジタル信号処理ユニットは、前記測定信号および前記源信号のうちの少なくとも１つに関するタイムスタンプを提供するように構成される、請求項１－７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記源ユニットは、前記源信号を提供するとき、非アナログ回路を非アクティブ化するように構成される、および、
   前記測定ユニットは、前記測定信号を測定するとき、非アナログ回路を非アクティブ化するように構成される
   のうちの少なくとも１つである、請求項１－８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記デジタル信号処理ユニットは、前記測定信号および前記源信号のうちの少なくとも１つに対して、以下、
    ロックイン分析と、
    交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）測定と、
    インダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）、および抵抗（Ｒ）（ＬＣＲ）測定と、
    時間／範囲ドメイン提示と、
    周波数ドメイン分析と、
    雑音分析と、
    ＡＣ／ＤＣ供給と、
    制御ルーピングと、
    １つを上回る源から前記源信号を提供することと
    のうちの少なくとも１つを実施するように構成される、請求項１－９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記源ユニットと前記制御ユニットとの間のインターフェースのうちの少なくとも１つは、低インピーダンス緩衝アナログ信号を備え、前記測定ユニットと前記制御ユニットとの間のインターフェースは、
    低インピーダンス伝送および高インピーダンス受信回路を伴う電圧モードアナログ信号インターフェースと、
    高出力インピーダンス伝送および低インピーダンス受信回路を伴う電流モードアナログ信号インターフェースと
    のうちの少なくとも１つを備える、請求項１－１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記電力供給源は、共通接地を基準とする前記制御ユニット、前記源ユニット、および前記測定ユニットに電力を供給するように構成される、
    前記システムは、前記測定ユニットおよび前記源ユニットのうちの少なくとも１つに対する電力供給源フィルタを備える、および、
    前記測定ユニットおよび前記源ユニットのうちの少なくとも１つは、前記制御ユニットからの絶縁された電力コンバータ、絶縁された外部電源、およびバッテリ電力のうちの少なくとも１つから給電される
    のうちの少なくとも１つである、請求項１－１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記源コンバータおよび前記測定コンバータのうちの少なくとも１つは、
    アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
    前記アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ＡＤＣ出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける利得段から構成される、範囲セレクタと、
    前記複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成されるミキサと
    を備える、請求項１－１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記源コンバータは、
    １つまたはそれを上回る周波数成分を発生させるように組み合わせられる２つまたはそれを上回るデジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）と、
    実質的低周波数信号を発生させるための第１の経路であって、前記第１の経路は、前記ＤＡＣのうちの第１のものを備える、第１の経路と、
    実質的高周波数信号を発生させるための第２の経路であって、前記第２の経路は、前記ＤＡＣのうちの第２のものを備える、第２の経路と、
    入力信号を処理するためのデータプロセッサと、
    前記第１および第２の経路の出力を前記源信号に組み合わせるように構成される組み合わせ回路と、
    前記源信号を感知するように構成されるフィードバック部分と、
    前記フィードバック部分を採用し、実質的に前記入力信号に従って前記源信号を維持するように構成されるサーボループと
    を備える、請求項１－１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 前記デジタル信号処理ユニットは、ロックイン信号処理を実施するように構成され、前記ロックイン信号処理は、
    前記同期ユニットと同期される、
    基本周波数および高調波周波数のうちの少なくとも１つを処理する、および、
    前記制御ユニットと前記源ユニットおよび前記測定ユニットのうちの少なくとも１つとの間の通信のためにロックイン基準を提供することを含む
    のうちの少なくとも１つである、請求項１－１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記制御ユニットは、ＤＣ信号および低周波数ＡＣ信号のうちの１つであるフィードバック信号を使用して、前記源信号のパラメータを測定するように構成される、請求項１－１５のいずれか１項に記載のシステム。
17. 前記制御ユニットは、前記測定ユニットおよび前記源ユニットのうちの少なくとも１つのタイプを査定し、前記タイプに従って前記デジタル信号処理ユニットを構成するように構成される、請求項１－１６のいずれか１項に記載のシステム。
18. 前記源ユニットおよび前記測定ユニットのうちの少なくとも１つのための封入体であって、前記封入体は、静電遮蔽および磁気遮蔽のうちの少なくとも１つを備える、封入体と、
    構成可能ディスプレイであって、前記構成可能ディスプレイは、
    リアルタイムオシロスコープ読取値を表示することと、
    周波数スペクトル読取値を表示することと、
    のうちの少なくとも１つを行うように構成される、構成可能ディスプレイと
    のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項１－１７のいずれか１項に記載のシステム。
19. 前記制御ユニットは、
    信号をより正確な抵抗器範囲に印加することと、
    前記より正確な範囲を横断して前記印加信号を測定することと、
    前記信号をより正確度が低い抵抗器範囲に印加することと、
    前記より正確度が低い範囲を横断して前記印加信号を測定することと、
    前記より正確な範囲を横断する前記測定された印加信号および前記より正確度が低い範囲を横断する前記測定された印加信号を使用して、前記より正確度が低い抵抗器範囲を較正することと
    によって工場較正および自己較正のうちの少なくとも１つを実施するように構成される、請求項１－１８のいずれか１項に記載のシステム。
20. 前記制御ユニットは、
    測定ユニットにおけるオフセット誤差を測定することと、
    前記測定ユニットのメモリ内に前記オフセット誤差を記憶することと、
    前記測定ユニットと関連付けられる増幅器を基準電圧に接続することと、
    前記制御ユニットを介して、前記基準電圧を前記増幅器に印加することからの利得誤差を測定することと、
    前記測定ユニットのメモリ内に前記測定された利得誤差を記憶することと、
    前記制御ユニットを介して、前記測定ユニットのメモリから前記記憶される利得誤差のうちの少なくとも１つを読み取ることと、
    前記オフセット誤差および前記利得誤差のうちの少なくとも１つを適用し、電圧測定を補正することと
    によって前記測定ユニットに関する電圧測定モード較正を実施することと、
    前記制御ユニットの入力コネクタを接続解除することと、
    前記測定ユニットの入力コネクタを接地に接続することと、
    前記測定ユニットを電圧測定モードにおいて構成することと、
    前記電圧測定モードにおける前記測定ユニットを介して増幅器の電圧オフセット誤差を測定することと、
    アナログ補正を適用し、前記測定された電圧オフセットをほぼゼロまで減少させることと、
    前記測定ユニットを電流測定モードに切り替え、前記測定ユニットへの入力を浮遊させることと、
    前記制御ユニットを介して、前記測定ユニットを高電流範囲において構成し、前記制御ユニットにおいて結果として生じる電圧を測定することによって、前記測定ユニットと前記制御ユニットとの間の電圧オフセット誤差を決定することと、
    前記測定ユニットの電流測定がほぼゼロになるまで、漏出電流を調節することと、
    前記制御ユニットを介して、前記測定ユニットのメモリ内に前記調節された漏出電流および前記電圧オフセット誤差のうちの少なくとも１つを記憶することと、
    前記制御ユニットを介して、前記調節された漏出電流および前記電圧オフセット誤差のうちの少なくとも１つを読み取ることと、
    前記調節された漏出電流および前記電圧オフセット誤差のうちの少なくとも１つを適用し、前記測定ユニットの電流測定を補正することと
    によって前記測定ユニットに関する電流モード測定較正を実施することと
    のうちの少なくとも１つを行うように構成される、請求項１－１９のいずれか１項に記載のシステム。
21. 前記制御ユニットは、
    マスタ電圧基準に対して測定チャネルを較正することと、
    前記源信号の代わりに正信号を印加するように前記源ユニットにコマンドすることと、
    前記較正された測定チャネルを介して、前記コマンドされた正信号を測定し、測定された正信号をもたらすことと、
    前記源信号の代わりに負信号を印加するように前記源ユニットにコマンドすることと、
    前記較正された測定チャネルを介して、前記印加された負信号を測定し、測定された負信号をもたらすことと、
    前記源信号の代わりにゼロ信号を印加するように前記源ユニットにコマンドすることと、
    前記較正された測定チャネルを介して、前記印加されたゼロ信号を測定し、測定されたゼロ信号をもたらすことと、
    前記コマンドされた正、負、およびゼロ信号のうちの少なくとも１つと前記測定された正、負、およびゼロ信号との間の差異に基づいて、源ユニット較正を発生させることと
    を行うように構成される、請求項１－２０のいずれか１項に記載のシステム。
22. 方法であって、
    電圧源および電流源のうちの少なくとも１つと、
    源較正を記憶するように構成されるメモリと
    を備える源ユニットを介して、源信号をサンプルに提供することと、
    測定ユニットを介して、前記サンプルから、前記源信号に応答する測定信号を入手することであって、前記測定ユニットは、
    電圧測定ユニット、電流測定ユニット、および静電容量測定ユニットのうちの少なくとも１つと、
    測定較正を記憶するように構成されるメモリと
    を備える、ことと、
    制御ユニットによって前記測定ユニットから前記測定信号を受信することであって、前記制御ユニットは、
    デジタル信号処理ユニットと、
    前記デジタル信号処理ユニットと前記源ユニットとの間に接続される源コンバータと、
    前記デジタル信号処理ユニットと前記測定ユニットとの間に接続される測定コンバータと、
    前記デジタル信号処理ユニット、前記源コンバータ、および前記測定コンバータのクロックを同期させるように構成される同期ユニットと、
    前記制御ユニットを含む前記システムの側面を較正するための較正ユニットと、
    前記制御ユニットに関する共通基準電圧を供給するように構成される基準電圧供給源と
    を備える、ことと
    を含む、方法。

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