Moku:Pro利用多儀器模式來部署PLL功能
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Moku:Pro利用多儀器模式來部署PLL功能
Moku:Pro 鎖相環(huán)的實現(xiàn)
使用Moku:Pro的多儀器模式來部署PLL功能
本技術(shù)論文概述了利用Moku:Pro的多儀器模式(MiM)實現(xiàn)鎖相環(huán)(PLL)的功能柠座。讀者將了解Moku:Pro的MiM及相關(guān)用戶界面功能片橡，同時掌握實驗中常用的PLL鎖相環(huán)功能捧书。
Moku:Pro是一個基于芯片的儀器測試系統(tǒng)爆哑，能夠在FPGA硬件平臺上運行多個儀器∮咚保現(xiàn)在歪泳，使用Multi-instrument Mode呐伞，傳統(tǒng)上需要由獨立硬件盒或模塊組成的整個FPGA測試設(shè)備系統(tǒng)伶氢，現(xiàn)在可以在一個Moku:Pro上實現(xiàn)。利用FPGA的動態(tài)重配置，用戶可以獨立地?zé)岵灏蝺x表蕾盯，而不影響系統(tǒng)中的其他儀表。此外渺尘，儀器之間可以相互連接说敏，信號在FPGA內(nèi)完全通過數(shù)字域傳遞。這可以實現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率和超低延遲，而且不會出現(xiàn)信噪比下降拟淮。而通常由獨立硬件模塊或儀器之間的模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換往往會導(dǎo)致信噪比下降侈贷。多儀器模式極大地擴展了Moku:Pro的通用性等脂，體現(xiàn)了loC功能的潛力搏屑。
Mim—多儀器模式架構(gòu)
圖1:Moku:Pro上的多儀器模式用戶界面
圖1是構(gòu)建多儀器系統(tǒng)的起點界面。Moku:Pro的FPGA分為4個儀表插槽辣恋。每個插槽代表Moku:Pro內(nèi)部的UltraScale+ FPGA中的一段伟骨，每個插槽都可以訪問Moku:Pro的模擬輸入和輸出。信號可以在數(shù)字領(lǐng)域的這些儀器之間傳遞回俐，而無需離開FPGA仅颇，因此是無損的，具有確定的納秒級延遲搁廓。用戶可以靈活地將Moku:Pro的相應(yīng)儀器放入這些插槽中;例如，頻譜分析儀线欲，示波器，頻率響應(yīng)分析儀和PID控制器逼泣，他們可以以任何組合方式同時部署拉庶。
鎖相環(huán)
鎖相環(huán)是一種可以跟蹤輸入信號相位的系統(tǒng)氏仗，用它來控制輸出信號的頻率，有效地將頻率鎖在一起呐舔。對于很多應(yīng)用珊拼，從研究開發(fā)到原型設(shè)計，再到測試工程師的手中澎现，都需要用到鎖相環(huán)剑辫。例如峻堰，鎖相環(huán)是無線電接收機和其他通信的基本組件，為同步時鐘的計算機提供穩(wěn)定的時鐘捐名，或以源信號的倍數(shù)(頻率合成)產(chǎn)生頻率。最基本的鎖相環(huán)是一個鑒相器成艘，接著是一個低通濾波器和一個壓控振蕩器淆两。壓控振蕩器提供與輸入電壓成比例的頻率輸出。
圖2:鎖相環(huán)框圖
鑒相器有兩個輸入:外部時鐘和參考信號（或本地振蕩器）秋冰。相位檢測器(PD)輸出是一個依賴于輸入時鐘相位差的電壓埃撵，用于驅(qū)動VCO暂刘。PD有不同的實現(xiàn)。例如谣拣，可以使用混頻器(或解調(diào)器)。但對于產(chǎn)生頻率激勵或諧波有一些固有缺陷辅鲸，這要求低通濾波器的擁有一個較短的時間常數(shù)或者大的帶寬格郁。另一種PD實現(xiàn)是數(shù)字實現(xiàn)的相頻檢測器例书。Moku:Pro的相位計是一個高精度的例子(6u弧度/V/Hz)，數(shù)字鑒相器决采。?
Moku:Pro鎖相環(huán)實現(xiàn)拇厢、相位檢測器
我們將在Moku:Pro上實現(xiàn)PLL孝偎，并檢查其操作凉敲。首先，我們注意到鎖相放大器(LIA)有一個解調(diào)階段势决，然后是一個低通濾波器。Moku LIA還可以將X-Y輸出轉(zhuǎn)換為相位幅值(r-Φ)表示陈莽，因此我們可以使用LIA作為一個相位檢測器极颓。圖3顯示了Moku鎖相放大器的用戶界面，分別有如下功能：本振設(shè)置為50 MHz菠隆，解調(diào)器后面的低通濾波器設(shè)置為1 kHz骇径，矩形或極坐標切換，最后是增益和偏置功能清女。極坐標模式下的相位輸出反饋送到輸出A嫡丙，將形成我們的相位測量曙博。
圖3:Moku:Pro Lock-in放大器用戶界面
VCO（Voltage ControlLED Oscillator）
VCO（壓控振蕩器）是在Moku:Pro上使用波形發(fā)生器實現(xiàn)的。Moku波形發(fā)生器可以對各種來源進行調(diào)制輸出吴汪。例如，調(diào)制源可以是另一個波形發(fā)生器漾橙、內(nèi)部源或儀器的輸入近刘。圖4顯示了“波形發(fā)生器”的用戶界面臀晃。為了實現(xiàn)VCO，將波形發(fā)生器配置為產(chǎn)生調(diào)頻(FM)正弦波座韵，調(diào)制源設(shè)置為輸入a;調(diào)制深度設(shè)置為±50 kHz/V誉碴，這將最終決定最大捕獲帶寬黔帕。
圖4:Moku:Pro波形發(fā)生器;調(diào)頻信號
多儀器模式的儀器間總線為2 Vpp，因此最大調(diào)頻偏差為+/-50 kHz。值得注意的是奋岁，該載波被設(shè)置為50.05 MHz。這是一個50 kHz的偏差闻伶，從鎖定的本地振蕩器50 MHz蓝翰，所以這個例子將需要全FM的偏差范圍霎箍。
VCO多儀器并行配置
我們現(xiàn)在將儀器配置成多儀器模式漂坏。從圖1的空白配置開始，我們將MiM設(shè)置為圖5所示拒啰。1號槽位包含LIA (PD功能)。槽位2被VCO (FM波形發(fā)生器)占用谋旦。VCO的輸出被驅(qū)動到內(nèi)部總線#2拴孤，因此環(huán)路返回到鎖相放大器(PD)的輸入A。
圖5:為鎖相環(huán)測試和測量配置的MiM
我們在插槽3部署了示波器，在插槽4部署了頻譜分析儀芒粹，這有助于觀察鎖相環(huán)在時域和頻域的行為。兩者都被設(shè)置來觀察總線1 (PD參考LO)和總線2 (FM WG或VCO輸出)估脆。4臺儀器同時獨立操作座云。這種設(shè)置對檢查鎖相環(huán)行為比較有用疙教。在大多數(shù)應(yīng)用中贞谓，更典型的是VCO將提供LO，鎖定通過ADC外部提供的信號祟同，并進入LIA的輸入a。
PLL操作
在初始設(shè)置時窖贤，鎖定放大器的輸出A被關(guān)閉。這意味著PD輸出被禁用赃梧，波形發(fā)生器(WG)將輸出其在50.05 MHz的調(diào)頻信號物咳。圖6是槽位1的LIA的用戶界面蹄皱，內(nèi)置示波器顯示50 MHz的LO和50.05 MHz的輸入A (WG輸出)的輸入信號。這些信號沒有鎖定压鉴，輸入相位連續(xù)滾動過參考L0晴弃。
圖6:鎖相放大器輸出關(guān)閉;鎖相環(huán)未鎖定
圖7是3號槽示波器的用戶界面际邻，用于確認鎖相環(huán)的解鎖狀態(tài)芍阎。VCO和基準的頻率間隔為50 kHz，示波器數(shù)據(jù)窗口顯示相位δ從±180°波動。
圖7:鎖相環(huán)未鎖的示波器
圖8為槽位4頻譜分析儀在相同鎖相環(huán)未鎖情況下的顯示血巍。我們看到通道A的LO在50000 MHz, VCO輸出在50.051 MHz珊随，一個穩(wěn)定的頻率偏移。
圖8:帶鎖相環(huán)的頻譜分析儀
實現(xiàn)鎖相環(huán)
現(xiàn)在叶洞，我們通過在輸出a上單點一下來啟用鎖定放大器輸出衩辟。鎖定放大器現(xiàn)在輸出的是一個差分信號艺晴，表示LO輸出和VCO輸出之間的瞬時相位誤差财饥。當WG輸出跟蹤LO時，WG (VCO)做出響應(yīng)并鎖定循環(huán)钥星。
圖9:帶鎖相環(huán)的示波器
圖9顯示了3號槽的示波器有兩個鎖定的正弦波歹苦，LO和VCO之間的穩(wěn)定相位差為平均16.65°逊躁，標準差為20毫度唆铐，樣本容量n=10049。值得注意的是谜喊，通道A/red(來自LIA的參考LO)在50 MHz時的頻率std dev為1.01 Hz斗遏，而VCO顯示的std dev為3.229 Hz。這可能是由于VCO輸出產(chǎn)生的量化誤差诵次。為了進一步研究這一點铸本，VCO輸出頻率的a被記錄在FM調(diào)制深度的范圍內(nèi)遵堵，因此控制環(huán)路增益的范圍內(nèi)鄙早。結(jié)果如表1和圖10所示。更深的調(diào)制深度(每伏特V高FM偏差)提供更寬的鎖定帶寬，但較低的增益扩灯。數(shù)據(jù)證實了這一點，更窄的鎖帶寬可以提高鎖的精度珠插。在10kHz/V時捻撑，σ(fvco)接近σ(fc)。在未來的技術(shù)文章中，我們會對這種使用Moku:Pro的相位計的鎖相環(huán)性能進一步探究江解。
表1:0 Fvco與FM深度
圖10:o Fvco vs FM深度
在圖11中，插槽4的頻譜分析儀顯示VCO和LO現(xiàn)在鎖定在50.0002 MHz, 200 Hz偏移可能是由于頻譜分析儀和示波器的測量算法不同鳖枕。
圖11:鎖相環(huán)頻譜分析儀
結(jié)論
Moku:Pro的多儀器模式允許非常靈活的儀器配置，可同時部署多達4個儀器彭谁。這些儀器可以同時工作，彼此獨立缠局。在本技術(shù)報告中读处，我們實現(xiàn)了一個鎖相環(huán)唱矛。它將一個VCO(由Moku:Pro的波形發(fā)生器實現(xiàn))鎖定到Lock-in放大器的內(nèi)部參考信號。我們利用直觀的Moku:Pro用戶界面對PLL原理進行了演示窃肠。一個典型的應(yīng)用將涉及到鎖定外部信號(通過Moku:Pro ADCs采樣)，它的頻率會包含一些未知信號冤留，如無線電載波纤怒。要鎖的信號應(yīng)該通過Moku:Pro的DACs采樣到。直觀的圖形用戶界面允許我們在幾分鐘內(nèi)完成這個實驗泊窘，并花更短的時間完成鎖定和鎖定范圍(+/-50kHz)萝映。我們觀察了鎖相環(huán)在時域和頻域的鎖定效果阐虚，并使用示波器對結(jié)果進行記錄統(tǒng)計，包括鎖相環(huán)頻率的標準差之類的信息。雖然本說明和示例完全在一個Moku:Pro中操作咸灿，但PD或VCO元件都可以是一個外部測試系統(tǒng)侮叮。此外，這個例子還可以用來評估設(shè)計方案囊榜，在設(shè)計硬件之前砂沛，可以使用Moku硬件來評估需要的設(shè)計參數(shù)曙求。了解更多的多儀器模式聯(lián)系我們的團隊討論您的申請静浴。
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