[发明专利]一种测量纳米器件输运性质的系统和方法

说明书

本申请公开了一种测量纳米器件输运性质的系统和方法，利用FPGA性能高、I/O接口多和可重复配置的优点，控制数据转换单元输出信号并采集信号，对纳米器件进行控制和读出，以测量和表征纳米器件的输运性质，其是一种集成度高、多通道、具有高精度和低噪声优点的系统。

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，更具体地说，涉及一种测量纳米器件输运性质的系统和方法。

背景技术

近些年对于物质微观性质的操控和测量技术和方法不断发展，微观领域产生了很多新的研究方向，其中，对于纳米尺度下物质的输运性质的研究是近期热门的研究方向之一。

在研究纳米器件的输运性质时，通过表征其电流响应、电压响应、频率响应、霍尔效应和磁场响应等物理性质，来研究深层次的物理原理。表征这些物理性质所用到的测量方法一般包括两个部分：在器件上施加激励源，激励源可以是电压源、电流源和磁场等可以受控制变化的物理量；测量器件受激励源影响的物理量，例如电流和电压等。

在传统的实验系统中，测量装置的搭建方式是采购不同功能的商业仪器，通过编写计算机软件通过总线和各仪器连接，实现数据处理的功能。

然而，随着研究的不断深入，实验体系对于测量系统的性能要求越来越高，现有的商业产品往往不能很好的契合需求。例如，对于超导体系的纳米器件研究，实验系统需要在极低温度(30mK)下运行，这就要求测量系统的噪声水平非常低(1μV_RMS)，而市面上现有的能满足噪声需求的商业仪器型号很少，并且难以和其它设备组合成一套协同工作的实验系统。同时，由于软件实现的数据处理功能需要消耗大量的计算机运算资源，计算机性能瓶颈也会限制实验系统规模的扩展。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种测量纳米器件输运性质的系统和方法，技术方案如下：

一种测量纳米器件输运性质的系统，所述系统包括：计算机、基于FPGA的数据处理单元、数据转换单元和待测系统；

其中，所述计算机用于向所述数据处理单元发送工作指令和数据；

所述数据处理单元用于解析并处理所述工作指令和数据，以在不同的工作模式下生成不同的第一输出波形数据；

所述数据转换单元用于将所述第一输出波形数据转换为模拟信号；

所述待测系统依据所述模拟信号生成待测信号；

所述数据转换单元还用于将所述待测信号量化转换为测量波形数据；

所述数据处理单元还用于依据所述测量波形数据生成测量数据，并将所述测量数据传输至所述计算机。

优选的，在上述系统中，所述数据转换单元包括：数模转换模块和模数转换模块；

其中，所述数模转换模块包括多个结构相同的数模转换通道，用于将所述第一待测波形数据转换为模拟信号，并输出至所述待测系统；

所述模数转换模块包括多个结构相同的模数转换通道，用于将所述待测信号量化转换为第二待测波形数据，并输出至所述数据处理单元。

优选的，在上述系统中，任意一个所述数模转换通道包括：主要DAC、辅助DAC、参考电压源、可调衰减器、可调低通滤波器、低通滤波器和加法器；

其中，所述主要DAC用于接收波形数据、采样时钟和第一参考电压，转换输出原始电压信号依次进入所述可调衰减器和可调低通滤波器，调整输出幅度范围和频率成分输出至所述加法器；

所述辅助DAC用于接收波形数据，采样时钟和第二参考电压，经过所述低通滤波器后输入至所述加法器；

所述加法器用于将两个输入信号合成后输出所述模拟信号；