Moku:Pro利用多仪器模式来部署PLL功能
Moku:Pro利用多仪器模式来部署PLL功能
Moku:Pro 锁相环的实现
使用Moku:Pro的多仪器模式来部署PLL功能
本技术论文概述了利用Moku:Pro的多仪器模式(MiM)实现锁相环(PLL)的功能。读者将了解Moku:Pro的MiM及相关用户界面功能，同时掌握实验中常用的PLL锁相环功能。
Moku:Pro是一个基于芯片的仪器测试系统，能够在FPGA硬件平台上运行多个仪器。现在，使用Multi-instrument Mode，传统上需要由独立硬件盒或模块组成的整个FPGA测试设备系统，现在可以在一个Moku:Pro上实现。利用FPGA的动态重配置，用户可以独立地热插拔仪表，而不影响系统中的其他仪表。此外，仪器之间可以相互连接，信号在FPGA内完全通过数字域传递。这可以实现高数据传输速率和超低延迟，而且不会出现信噪比下降。而通常由独立硬件模块或仪器之间的模数或数模转换往往会导致信噪比下降。多仪器模式极大地扩展了Moku:Pro的通用性，体现了loC功能的潜力。
Mim—多仪器模式架构
图1:Moku:Pro上的多仪器模式用户界面
图1是构建多仪器系统的起点界面。Moku:Pro的FPGA分为4个仪表插槽。每个插槽代表Moku:Pro内部的UltraScale+ FPGA中的一段，每个插槽都可以访问Moku:Pro的模拟输入和输出。信号可以在数字领域的这些仪器之间传递，而无需离开FPGA，因此是无损的，具有确定的纳秒级延迟。用户可以灵活地将Moku:Pro的相应仪器放入这些插槽中;例如，频谱分析仪，示波器，频率响应分析仪和PID控制器，他们可以以任何组合方式同时部署。
锁相环
锁相环是一种可以跟踪输入信号相位的系统，用它来控制输出信号的频率，有效地将频率锁在一起。对于很多应用，从研究开发到原型设计，再到测试工程师的手中，都需要用到锁相环。例如，锁相环是无线电接收机和其他通信的基本组件，为同步时钟的计算机提供稳定的时钟，或以源信号的倍数(频率合成)产生频率。最基本的锁相环是一个鉴相器，接着是一个低通滤波器和一个压控振荡器。压控振荡器提供与输入电压成比例的频率输出。
图2:锁相环框图
鉴相器有两个输入:外部时钟和参考信号（或本地振荡器）。相位检测器(PD)输出是一个依赖于输入时钟相位差的电压，用于驱动VCO。PD有不同的实现。例如，可以使用混频器(或解调器)。但对于产生频率激励或谐波有一些固有缺陷，这要求低通滤波器的拥有一个较短的时间常数或者大的带宽。另一种PD实现是数字实现的相频检测器。Moku:Pro的相位计是一个高精度的例子(6u弧度/V/Hz)，数字鉴相器。।
Moku:Pro锁相环实现、相位检测器
我们将在Moku:Pro上实现PLL，并检查其操作。首先，我们注意到锁相放大器(LIA)有一个解调阶段，然后是一个低通滤波器。Moku LIA还可以将X-Y输出转换为相位幅值(r-Φ)表示，因此我们可以使用LIA作为一个相位检测器。图3显示了Moku锁相放大器的用户界面，分别有如下功能：本振设置为50 MHz，解调器后面的低通滤波器设置为1 kHz，矩形或极坐标切换，最后是增益和偏置功能。极坐标模式下的相位输出反馈送到输出A，将形成我们的相位测量。
图3:Moku:Pro Lock-in放大器用户界面
VCO（Voltage ControlLED Oscillator）
VCO（压控振荡器）是在Moku:Pro上使用波形发生器实现的。Moku波形发生器可以对各种来源进行调制输出。例如，调制源可以是另一个波形发生器、内部源或仪器的输入。图4显示了“波形发生器”的用户界面。为了实现VCO，将波形发生器配置为产生调频(FM)正弦波，调制源设置为输入a;调制深度设置为±50 kHz/V，这将最终决定最大捕获带宽。
图4:Moku:Pro波形发生器;调频信号
多仪器模式的仪器间总线为2 Vpp，因此最大调频偏差为+/-50 kHz。值得注意的是，该载波被设置为50.05 MHz。这是一个50 kHz的偏差，从锁定的本地振荡器50 MHz，所以这个例子将需要全FM的偏差范围。
VCO多仪器并行配置
我们现在将仪器配置成多仪器模式。从图1的空白配置开始，我们将MiM设置为图5所示。1号槽位包含LIA (PD功能)。槽位2被VCO (FM波形发生器)占用。VCO的输出被驱动到内部总线#2，因此环路返回到锁相放大器(PD)的输入A。
图5:为锁相环测试和测量配置的MiM
我们在插槽3部署了示波器，在插槽4部署了频谱分析仪，这有助于观察锁相环在时域和频域的行为。两者都被设置来观察总线1 (PD参考LO)和总线2 (FM WG或VCO输出)。4台仪器同时独立操作。这种设置对检查锁相环行为比较有用。在大多数应用中，更典型的是VCO将提供LO，锁定通过ADC外部提供的信号，并进入LIA的输入a。
PLL操作
在初始设置时，锁定放大器的输出A被关闭。这意味着PD输出被禁用，波形发生器(WG)将输出其在50.05 MHz的调频信号。图6是槽位1的LIA的用户界面，内置示波器显示50 MHz的LO和50.05 MHz的输入A (WG输出)的输入信号。这些信号没有锁定，输入相位连续滚动过参考L0。
图6:锁相放大器输出关闭;锁相环未锁定
图7是3号槽示波器的用户界面，用于确认锁相环的解锁状态。VCO和基准的频率间隔为50 kHz，示波器数据窗口显示相位δ从±180°波动。
图7:锁相环未锁的示波器
图8为槽位4频谱分析仪在相同锁相环未锁情况下的显示。我们看到通道A的LO在50000 MHz, VCO输出在50.051 MHz，一个稳定的频率偏移。
图8:带锁相环的频谱分析仪
实现锁相环
现在，我们通过在输出a上单点一下来启用锁定放大器输出。锁定放大器现在输出的是一个差分信号，表示LO输出和VCO输出之间的瞬时相位误差。当WG输出跟踪LO时，WG (VCO)做出响应并锁定循环。
图9:带锁相环的示波器
图9显示了3号槽的示波器有两个锁定的正弦波，LO和VCO之间的稳定相位差为平均16.65°，标准差为20毫度，样本容量n=10049。值得注意的是，通道A/red(来自LIA的参考LO)在50 MHz时的频率std dev为1.01 Hz，而VCO显示的std dev为3.229 Hz。这可能是由于VCO输出产生的量化误差。为了进一步研究这一点，VCO输出频率的a被记录在FM调制深度的范围内，因此控制环路增益的范围内。结果如表1和图10所示。更深的调制深度(每伏特V高FM偏差)提供更宽的锁定带宽，但较低的增益。数据证实了这一点，更窄的锁带宽可以提高锁的精度。在10kHz/V时，σ(fvco)接近σ(fc)。在未来的技术文章中，我们会对这种使用Moku:Pro的相位计的锁相环性能进一步探究。
表1:0 Fvco与FM深度
图10:o Fvco vs FM深度
在图11中，插槽4的频谱分析仪显示VCO和LO现在锁定在50.0002 MHz, 200 Hz偏移可能是由于频谱分析仪和示波器的测量算法不同。
图11:锁相环频谱分析仪
结论
Moku:Pro的多仪器模式允许非常灵活的仪器配置，可同时部署多达4个仪器。这些仪器可以同时工作，彼此独立。在本技术报告中，我们实现了一个锁相环。它将一个VCO(由Moku:Pro的波形发生器实现)锁定到Lock-in放大器的内部参考信号。我们利用直观的Moku:Pro用户界面对PLL原理进行了演示。一个典型的应用将涉及到锁定外部信号(通过Moku:Pro ADCs采样)，它的频率会包含一些未知信号，如无线电载波。要锁的信号应该通过Moku:Pro的DACs采样到。直观的图形用户界面允许我们在几分钟内完成这个实验，并花更短的时间完成锁定和锁定范围(+/-50kHz)。我们观察了锁相环在时域和频域的锁定效果，并使用示波器对结果进行记录统计，包括锁相环频率的标准差之类的信息。虽然本说明和示例完全在一个Moku:Pro中操作，但PD或VCO元件都可以是一个外部测试系统。此外，这个例子还可以用来评估设计方案，在设计硬件之前，可以使用Moku硬件来评估需要的设计参数。了解更多的多仪器模式联系我们的团队讨论您的申请。
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