2014

Programme Spectroscopie Spectroscopie sous NI Labview 2013

Patrick Chalbet – 2014

Patrick.Chalbet@crhea.cnrs.fr

Patrick Chalbet

1

Patrick Chalbet

2

LUMEN

1 Description

Ce programme a été réalisé en language G de Labview , National Instrument. Il vient

remplacer un programme plus ancien en Delphi. Il utilise un spectromètre Joblin-

Yvon et un amplificateur à détection synchrone Stanford Research Systems SR510.

L’interface utilisée pour le spectromètre est un port com série à 9600b/s

L’interface utilisée pour l’amplificateur à détection synchrone est un port GPIB.

*

*

Le programme utilise des appareils anciens et « capricieux ». Il a été conçus pour

piloter les interfaces du spectromètre et Lock-in SR510 et les commandes peuvent

parfois paraitres un peu longue à répondre. Cela vient du fait que les appareils

comme le spectromètre nécessitent un processus complexe de suite d’ordre pour

éviter qu’il ne se bloque ou « plante ». Envoyer une multitude de commandes en

série, taper maintes fois sur les touches du programme LabView ne le fera pas aller

plus vite. Bien au contraire, vous risquez de le faire planter rapidement. L’appareil

enregistre les commandes en série et les exécute à sa vitesse. Taper 10 fois sur stop

lui enverra 10 commandes stop à la suite impliquant le risque de le planter en

surinformations mais nullement de les faire appliquer plus vite.

Patrick Chalbet

3

La réinitialisation du spectromètre ne nécessite pas l’insertion de valeurs par défaut.

Il s’agit juste de vérifier s’il répond présent aux demandes. Le SR510 effectue une

RAZ au démarrage du programme. Des valeurs sont insérées par défaut au

démarrage après l’initialisation. Seule la phase mesurée avant l’init et réinsérée

ensuite permet de conserver sa valeur établie précédemment durant l’étalonnage.

Les valeurs par défaut sont :

A0;D0;O0;S0;M0;C1;B1;L2,1;L1,1;R0;T1,6;T2,1

Soit A0 Auto Offset sur 0 turned off ; D0 Dyn Res sur 0 pour Low ; O0Offset sur 0

turned off; S0 Display sur 0 affiche X; M0 référence mode sur 0 pour afficher f; C1

LCD display sur 1 affiche la phase; B1 Bandpass sur 1 active le filtre ; L2,1 pour

affecter le filtre on sur 2X line ; L1,1 pour affecter le filtre on sur 1X line ; R0 Input

Trigger en mode positif ; T1,6 Pré constante de temps à 300ms ; T2,1 Post constante

de temps à 1s.

Il est possible de se procurer la documentation du SR510 à ces adresses :

http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/Manuals/SR510m.pdf

http://sites.fas.harvard.edu/~phys191r/Bench_Notes/SR510.pdf

Patrick Chalbet

4

2 Utilisation

Au démarrage, Lumen fait un test de communication avec les deux équipements de

la manip. Par l’intermédiaire du port Com pour le spectromètre Joblin Yvon et en

GPIB pour le Lock-in SR510. Si la communication échoue, ces alertes (Figure 1 et 2)

apparaissent sur l’écran. Eteignez et rallumez les appareils ainsi que le programme.

Il arrive parfois que ce soit le Chopper qui perturbe la communication. Penser à le

redémarrer aussi.

Figure 1

Figure 2

Patrick Chalbet

5

Une fois la communication établie, la fenêtre d’étalonnage apparaitra :

Figure 3

Entrez la valeur du compteur physique du spectro dans la fenêtre

Etalonnage.

Réglez la valeur du réseau ; 1200tr/mn par défaut

Un convertisseur Angstrom / Ev donne la valeur dans chaque échelle

Validez et Fermez

Les données mesurées du programme sont écrites en temps réel dans un fichier

tampon sous la racine C:\. Dans le cas d’un arrêt ou une perturbation du programme

durant la mesure, il est possible de récupérer les données déjà écrites dans ce

fichier texte et de les reformater ensuite en fichier Excel par exemple.

Patrick Chalbet

6

Il y a toujours la possibilité d’étalonner le spectromètre tout au long du Run. Une

fonction d’étalonnage est disponible dans l’onglet « Commande ».

Face avant de Lumen :

Figure 4

Deux Leds « Spectralink et SR510 » (Figure 4) confirment la réussite de la procédure

de communication citée plus haut (voir Figure 1 et 2). Elles indiquent la bonne

« relation » avec les appareils durant la phase de tests de départ.

La Led Erreur éteinte indique une absence d’erreur sur le bus de suivi durant tout le

« Run ». Le bus de suivi d’erreur est une continuité tout le long du programme et

permet de localiser à quel endroit précis pourrait se situer le problème. En cas

d’erreur sur ce bus, un onglet plus détaillé est disponible sur la face avant. Il permet

de savoir à quel niveau l’erreur a été détectée (Figure 5).

Figure 5

Onglet Erreurs

Patrick Chalbet

7

Figure 6

Les valeurs (Figure 6) sont ici en temps réel. La courbe des X est représentée en Ev

et Angström. La courbe des Y est fonction de l’échelle sélectionné et en Volt.

Figure 7

Le graphe affiche une courbe X-Y. L’échelle Y peut être sélectionnée en Linéaire ou

Logarithmique. L’échelle X peut être sélectionnée en Ev ou Angström. La fonction

Curseur permet de positionner un curseur sur la courbe et affiche les valeurs

positionnées X-Y dans les afficheurs à côté. La fonction Effacer effacera les courbes

du graphe au début du prochain Run. Cette fonction ne fonctionne pas en temps

réel, elle n’efface les courbes qu’au démarrage du lancement suivant effectué par

la touche « OK ».

Figure 8

Ces 3 fonctions sont communes à tous les menus. La fonction Stop peut être utilisé

aussi bien en mode Run qu’en mode « Commandes manuelles ». la fonction Pause

est utilisée en mode Run et permet une pause dans le défilement du programme. La

touche Quitter ferme le programme, toute la réinitialisation sera donc à refaire.

Patrick Chalbet

8

Onglet de Commandes manuelles

Figure 9

Sélectionner la commande voulue et appuyer sur la fonction Valider. La fonction

lecture affiche la valeur du compteur mesurée dans le spectromètre dans les

indicateurs Angstöm et Ev (Figure 6). Les valeurs à entrer sont à saisir dans

« valeur ».

Figure 10

Patrick Chalbet

9

Les commandes manuelles sont :

Joystick Off : Joystick désactivé

Josystick On : Joystick activée

Cible : Saisir la valeur de longueur d’onde voulue dans le spectromètre. Inscrire la

valeur en Ev ou Angström.

Avance rapide : Avance rapide du moteur du spectromètre

Avance lente : Avance lente du moteur du spectromètre

Retour rapide : Retour rapide du moteur du spectromètre

Retour lent : Retour lent du moteur du spectromètre

Etalonnage : Etalonnage du compteur du spectromètre. Equivaut à la figure 3 au

démarrage du programme. Inscrire la valeur en Ev ou Angström.

Ces commandes sont utilisable à n’importe quel moment dans le programme sauf

en mode « Run ».

Patrick Chalbet

10

Onglet Programme :

Figure 11

Cet onglet est le cœur du programme, la mesure d’un spectre.

Début : valeur de départ de la mesure. Cette valeur peut être en Ev ou Angström.

Les valeurs sont sélectionnées automatiquement en Electronvolt si elles sont

inférieures ou égales à 10. 4000 angström par défaut.

Fin : valeur de fin de la mesure

Incréments : intervalle entre chaque mesure. 1 correspond à 1 angström ou 1 Ev

suivant la valeur de départ choisie). 1 par défaut.

Patrick Chalbet

11

Nb de points de mesure : nombre de point de mesure sur chaque valeur de longueur

d’onde. Par défaut 1

Fentes : fentes

Laser : sélectionner le laser utilisé

Puissance : valeur de la puissance

Température : valeur de la température

Echantillon : numéro de l’échantillon sélectionné

Nom du fichier : inscrire le nom du fichier voulu. S’il existe déjà, une fenêtre

s’ouvrira pour permettre de continuer, modifier cette valeur ou en choisir une dans

celles existantes.

Constante de temps : sélectionner la constante de temps du SR510. Par défaut, elle

est réglée à 300ms.

Changement de gamme : permet de sélectionner un changement de gamme

d’échelle du SR510 de façon automatique ou manuelle, automatique par défaut.

Le bouton « Ok » valide ces données entrées et lance le « Run ». La Led rouge

confirme cet état.

Un Fichier Dat au nom du fichier inscrit est créé à la fin de la mesure. Il est

accompagné d’un fichier « nom du fichier.Doc » et d’une image du graphe, « nom du

fichier.bmp ».

Patrick Chalbet

12

Figure 12

Figure 13

Patrick Chalbet

13

Patrick Chalbet

14

3 Caractéristiques

Le spectralink Instrument S.A, division Joblin-Yvon est un système modulaire de

contrôle et d’acquisition de données d’un monochromateur.le module commande

moteur peut fonctionner soit sur ordre du module de contrôle et programmation,

soit un ordinateur extérieur type PC, soit manuellement sur le Joystick. Il est

constitué des sous éléments suivants :

Un spectralink de base avec carte alimentation et module commande moteur

Un module haute tension (HV)

Un module enregistreur RSXY)

Un module acquisition (ACQ)

Un module de contrôle (CPU)

Patrick Chalbet

15

Module série RS232 COM1 ; 9600 ; N ; 8 ; 1 ; RS

Une commande est formulée en chaine de donnée comprenant du code Ascii,

différents paramètres tel le nombre d’octets qui suivent, écriture ou lecture, etc …

Exemple pour une commande « charger le compteur avec les 3 octets suivants ».

« : 0 A 3 D1 D2 D3 : »

« : » pour ouvrir la communication - 3A en Hexa

« 0 » adresse du module en Hexa

« A » code écriture

« 3 » nombre d’octets qui suivent

« D1 D2 D3 » les 3 octets de données

« : » pour fermer la communication

Exemple pour le cas de lecture d’une identification :

Patrick Chalbet

16

3A {:} (écho) add# {0} (écho) 69 {i} (écho) 06 {06} (écho) 3F {?} (écho=x) 3F {:}

(écho=x) 3F {:} (écho=x) 3F {:} (écho=x) 3F {:} (écho=x) 3F {:} (écho=x) 3F {:} (écho) x

étant la valeur attendue. > Ecrit dans le programme NI Labview, nous aurons « : 0 i

6 ? ? ? ? ? ? : »

Patrick Chalbet

17

Commandes Ascii:

Patrick Chalbet

18

Code Ascii

Décimal Octal Hex Binaire Caractère

------- ----- --- -------- ------

000 000 00 00000000 NUL (Null char.)

001 001 01 00000001 SOH (Start of Header)

002 002 02 00000010 STX (Start of Text)

003 003 03 00000011 ETX (End of Text)

004 004 04 00000100 EOT (End of Transmission)

005 005 05 00000101 ENQ (Enquiry)

006 006 06 00000110 ACK (Acknowledgment)

007 007 07 00000111 BEL (Bell)

008 010 08 00001000 BS (Backspace)

009 011 09 00001001 HT (Horizontal Tab)

010 012 0A 00001010 LF (Line Feed)

011 013 0B 00001011 VT (Vertical Tab)

012 014 0C 00001100 FF (Form Feed)

013 015 0D 00001101 CR (Carriage Return)

014 016 0E 00001110 SO (Shift Out)

015 017 0F 00001111 SI (Shift In)

016 020 10 00010000 DLE (Data Link Escape)

017 021 11 00010001 DC1 (XON)(Device Control 1)

018 022 12 00010010 DC2 (Device Control 2)

019 023 13 00010011 DC3 (XOFF)(Device Control 3)

020 024 14 00010100 DC4 (Device Control 4)

021 025 15 00010101 NAK (Negative Acknowledgement)

022 026 16 00010110 SYN (Synchronous Idle)

023 027 17 00010111 ETB (End of Trans. Block)

024 030 18 00011000 CAN (Cancel)

025 031 19 00011001 EM (End of Medium)

026 032 1A 00011010 SUB (Substitute)

027 033 1B 00011011 ESC (Escape)

028 034 1C 00011100 FS (File Separator)

029 035 1D 00011101 GS (Group Separator)

030 036 1E 00011110 RS (Request to Send)

031 037 1F 00011111 US (Unit Separator)

032 040 20 00100000 SP (Space)

033 041 21 00100001 ! (exclamation mark)

034 042 22 00100010 " (double quote)

035 043 23 00100011 # (number sign)

036 044 24 00100100 $ (dollar sign)

037 045 25 00100101 % (percent)

038 046 26 00100110 & (ampersand)

039 047 27 00100111 ' (single quote)

040 050 28 00101000 ( (left opening parenthesis)

041 051 29 00101001 ) (right closing parenthesis)

042 052 2A 00101010 * (asterisk)

043 053 2B 00101011 + (plus)

044 054 2C 00101100 , (comma)

045 055 2D 00101101 - (minus or dash)

046 056 2E 00101110 . (dot)

047 057 2F 00101111 / (forward slash)

048 060 30 00110000 0

049 061 31 00110001 1

050 062 32 00110010 2

051 063 33 00110011 3

052 064 34 00110100 4

Patrick Chalbet

19

053 065 35 00110101 5

054 066 36 00110110 6

055 067 37 00110111 7

056 070 38 00111000 8

057 071 39 00111001 9

058 072 3A 00111010 :

059 073 3B 00111011 ;

060 074 3C 00111100 <

061 075 3D 00111101 =

062 076 3E 00111110 >

063 077 3F 00111111 ?

064 100 40 01000000 @

065 101 41 01000001 A

066 102 42 01000010 B

067 103 43 01000011 C

068 104 44 01000100 D

069 105 45 01000101 E

070 106 46 01000110 F

071 107 47 01000111 G

072 110 48 01001000 H

073 111 49 01001001 I

074 112 4A 01001010 J

075 113 4B 01001011 K

076 114 4C 01001100 L

077 115 4D 01001101 M

078 116 4E 01001110 N

079 117 4F 01001111 O

080 120 50 01010000 P

081 121 51 01010001 Q

082 122 52 01010010 R

083 123 53 01010011 S

084 124 54 01010100 T

085 125 55 01010101 U

086 126 56 01010110 V

087 127 57 01010111 W

088 130 58 01011000 X

089 131 59 01011001 Y

090 132 5A 01011010 Z

091 133 5B 01011011 [

092 134 5C 01011100 \

093 135 5D 01011101 ]

094 136 5E 01011110 ^

095 137 5F 01011111 _

096 140 60 01100000 `

097 141 61 01100001 a

098 142 62 01100010 b

099 143 63 01100011 c

100 144 64 01100100 d

101 145 65 01100101 e

102 146 66 01100110 f

103 147 67 01100111 g

104 150 68 01101000 h

105 151 69 01101001 i

106 152 6A 01101010 j

107 153 6B 01101011 k

108 154 6C 01101100 l

109 155 6D 01101101 m

110 156 6E 01101110 n

111 157 6F 01101111 o

112 160 70 01110000 p

113 161 71 01110001 q

Patrick Chalbet

20

114 162 72 01110010 r

115 163 73 01110011 s

116 164 74 01110100 t

117 165 75 01110101 u

118 166 76 01110110 v

119 167 77 01110111 w

120 170 78 01111000 x

121 171 79 01111001 y

122 172 7A 01111010 z

123 173 7B 01111011 {

124 174 7C 01111100 |

125 175 7D 01111101 }

126 176 7E 01111110 ~

127 177 7F 01111111 DEL

Patrick Chalbet

21

MODEL SR510 LOCK-IN AMPLIFIER

SR510 Specification Summary

General Power 100, 120, 220, 240 VAC (50/60 Hz); 35 Watts Max

Mechanical 17" x 17" x 3.5" (Rack Mount Included) 12 lbs. Warranty Two years parts and labor.

Signal Channel

Inputs Voltage: Single-ended or True Differential Current: 106 Volts/Amp

Impedance Voltage: 100 MΩ + 25 pF, ac coupled Current: 1 kΩ to virtual ground

Full Scale Voltage: 100 nV (10 nV on expand) to 500 mV Sensitivity Current: 100 fA to 0.5 μA

Maximum Voltage: 100 VDC, 10 VAC damage threshold Inputs 2 VAC peak-to-peak saturation

Current: 10 μA damage threshold 1 μA ac peak-to-peak saturation Noise Voltage: 7 nV/√Hz at 1 kHz

Current: 0.13 pA/√Hz at 1 kHz Common Mode Range: 1 Volt peak; Rejection: 100 dB dc to 1KHz

Above 1KHz the CMRR degrades by 6 dB/Octave Gain Accuracy 1% (2 Hz to 100KHz)

Gain Stability 200 ppm/°C Signal Filters 60 Hz notch, -50 dB (Q=10, adjustable from 45 to 65 Hz)

120 Hz notch, -50 dB (Q=10, adjustable from 100 to 130 Hz)) Tracking bandpass set to within 1% of ref freq (Q=5)

Dynamic Reserve 20 dB LOW (1 μV to 500 mV sensitivity) 40 dB NORM (100 nV to 50 mV sensitivity)

60 dB HIGH (100 nV to 5 mV sensitivity) Bandpass filter adds 20 dB to dynamic reserve

Line Notch filters increase dynamic reserve to 100 dB

Patrick Chalbet

22

Reference Channel

Frequency 0.5 Hz to 100 kHz Input Impedance 1 MΩ, ac coupled

Trigger SINE: 100 mV minimum, 1Vrms nominal PULSE: ±1 Volt, 1 μsec minimum width

Mode Fundamental (f) or 2nd Harmonic (2f) Acquisition Time 25 Sec at 1 Hz

6 Sec at 10 Hz 2 Sec at 10 kHz

Slew Rate 1 decade per 10 S at 1 kHz Phase Control 90° shifts

Fine shifts in 0.025° steps Phase Noise 0.01° rms at 1 kHz, 100 msec, 12 dB TC

Phase Drift 0.1°/°C Phase Error Less than 1° above 10Hz

Demodulator

Stability 5 ppm/°C on LOW dynamic reserve 50 ppm/°C on NORM dynamic reserve 500 ppm/°C on HIGH dynamic reserve

Time Constants Pre: 1msec to 100 sec (6 dB/Octave) Post: 1sec, 0.1 sec, none (6 dB/Octave) or none

Offset Up to 1X full scale (10X on expand) Harmonic Rej -55 dB (bandpass filter in)

Outputs & Interfaces

Outputs X (RcosØ), X Offset, Noise Output Meter 2% Precision mirrored analog meter

Output LCD Four digit auto-ranging LCD display shows same values as the analog meters Output BNC ±10 V output corresponds to full scale input

<1Ω output impedance Reference LCD Four digit LCD display for reference phase shift or frequency

RS232 Interface controls all functions. Baud rates from 300 to 19.2 K GPIB Interface controls all functions. (IEEE-488 Std) A/D 4 BNC inputs with 13 bit resolution (±10.24 V)

D/A 2 BNC outputs with 13 bit resolution (±10.24 V) Ratio Ratio output equals 10X output divided by the Denominator input.

Internal Oscillator Range: 1 Hz to 100 kHz, 1% accuracy Stability: 150 ppm/°C

Patrick Chalbet

23

Distortion: 2% THD Amplitude: 1% accuracy, 500 ppm/°C stability

Front Panel Summary

Signal Inputs Single Ended (A), True Differential (A-B), or Current (I) Signal Filters Bandpass: Q-of-5 Auto-tracking filter (In or Out) Line Notch: Q-of-10 Notch Filter at line frequency (In or Out)

2XLine Notch: Q-of-10 Notch Filter at twice line frequency (In or Out) Sensitivity Full scale sensitivity from 100 nV to 500 mV RMS for voltage inputs

or from 100 fA to 500 nA RMS for current inputs. Dynamic Reserve Select Dynamic Reserve Stability Sensitivity Ranges

LOW 20 dB 5 ppm 1 μV to 500 mV NORM 40 dB 50 ppm 100 nV to 50 mV HIGH 60 dB 500 ppm 100 nV to 5 mV

Status Indicators OVLD Signal Overload UNLK PLL is not locked to the reference input

ERR Illegal or Unrecognized command ACT RS232 or GPIB interface Activity

REM Remote mode: front panel has been locked-out Display Select X Signal Amplitude at the selected phase (AcosØ)

OFST Display the offset which is being added to the signal output NOISE Compute and display the noise on the signal

Analog Meters Displays Signal, Offset, or Noise as a fraction of full scale Output LCD's Displays Signal, Offset, or Noise in absolute units

Output BNC's Output follows Analog Meter, ± 10 V for ± full scale Expand Multiplies the Analog Meter and Output voltage by a factor X1 or X10.

REL Set the Offset to null the output: subsequent readings are relative readings. Offset Enables or Disables Offset, and allows any offset (up to full scale) to be entered.

Time Constants Pre-filter has time constants from 1 mS to 100 S (6 dB/Octave) Post-filter has time constants of 0, 0.1 or 1.0 S (6 dB/Octave)

ENBW Equivalent Noise Bandwidth. Specifies the bandwidth when making Noise measurements. (1Hz or 10 Hz ENBW)

Reference Input 1 MΩ Input, 0.5 Hz to 100 KHz, 100 mV minimum Reference Trigger Trigger on rising edge, zero crossing, or falling edge

f/2f Mode PLL can lock to either X1 or X2 of the reference input frequency Phase Controls Adjust phase in smoothly accelerating 0.025° steps, or by

90° steps. Press both 90° buttons to zero the phase. Reference LCD Display reference phase setting or reference frequency

Power Switch Instrument settings from the last use are recalled on power-up

Patrick Chalbet

24

Patrick Chalbet

25

Patrick Chalbet

26

Patrick Chalbet

27

Patrick Chalbet

28

Command Syntax

Communications with the SR510 use ASCII characters. Commands to the SR510 may be in either UPPER or lower case. A command to the SR510 consists of one or two command letters, arguments or parameters if necessary, and an ASCII carriage return (<cr>) or line-feed (<lf>) or both. The different parts of the command do not need to be separated by spaces. If spaces are included, they will be ignored. If more than one parameter is required by a command, the parameters must be separated by a comma. Examples of commands are: G 5 <cr> set the sensitivity to 200 nV T 1,4 <cr> set the pre filter to 30 mS F <cr> read the reference frequency P 45.10 <cr> set phase shift to 45.10° X 5,-1.23E-1 <cr> set port X5 to -0.123 V Multiple commands may be sent on a single line. The commands must be separated by a semicolon (;) character. The commands will not be executed until the terminating carriage return is sent. An example of a multiple command is: G 5; T 1,4; P 45.10 <cr>

Patrick Chalbet

29

It is not necessary to wait between commands. The SR510 has a command input buffer of 256 characters and processes the commands in the order received. Likewise, the SR510 has an output buffer (for each interface) of 256 characters.

The SR510 with the GPIB Interface The GPIB capabilities of the SR510 consistent with IEEE standard 488 (1978) are shown in the table below. Also shown are the responses of the SR510 to some standard commands. Code Function SH1 Source handshake capability

AH1 Acceptor handshake capability

T5 Basic Talker, Serial Poll, Unaddressed to talk if addressed to listen

L4 Basic Listener, Unaddressed to listen if addressed to talk

SR1 Service request capability PP0 No parallel poll capability

DC1 Device Clear capability

RL0 REN,LLO, GTL not implemented. 'I' command sets Remote-Local.

SR510 Response to GPIB Commands

Mnemonic Command Response

DCL Device Clear Same as Z command

SDC Device Clear Same as Z command

SPE Serial Poll Send Status Byte, & clear status byte

Patrick Chalbet

30

Gestion des bits de Status et d’erreur fournis par le Bus GPIB

Patrick Chalbet

31

Schema électrique du SR510