本技術(shù)論文描述了使用Moku:Pro的多功能儀器模式(MiM)矮锈，來(lái)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證鎖相環(huán)(PLL)功能。我們將了解到Moku:Pro的多功能儀器模式(MiM)的特點(diǎn)睁蕾，同時(shí)也會(huì)了解到Moku在大部分的可實(shí)施系統(tǒng)中所起的強(qiáng)大的作用，尤其是PLL鎖相功能子眶。
如何使用Moku:Pro的多功能儀器模式實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)
一． 簡(jiǎn)介
本技術(shù)論文描述了使用Moku:Pro的多功能儀器模式(MiM)瀑凝，來(lái)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證鎖相環(huán)(PLL)功能。我們將了解到Moku:Pro的多功能儀器模式(MiM)的特點(diǎn)臭杰，同時(shí)也會(huì)了解到Moku在大部分的可實(shí)施系統(tǒng)中所起的強(qiáng)大的作用，尤其是PLL鎖相功能渴杆。
Moku:Pro是一個(gè)建立在芯片基礎(chǔ)上的儀器測(cè)試系統(tǒng)寥枝，能夠在一個(gè)基于FPGA的硬件平臺(tái)上運(yùn)行多個(gè)儀器功能∠芩現(xiàn)在，有了多功能儀器模式囊拜，傳統(tǒng)上由獨(dú)立硬件盒或模塊組成的整個(gè)測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)可以在一個(gè)Moku:Pro上實(shí)現(xiàn)。利用FPGA的動(dòng)態(tài)重配置冠跷，用戶(hù)可以獨(dú)立地?zé)岵灏蝺x表南誊，而不影響系統(tǒng)中的其他儀表。此外蜜托，儀器之間可以相互連接抄囚，信號(hào)在FPGA內(nèi)完全通過(guò)數(shù)字域傳遞。這可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率和超低延遲盗冷，而且不會(huì)出現(xiàn)通常由獨(dú)立硬件模塊或儀器之間的模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的信噪比下降。
多儀器模式極大地?cái)U(kuò)展了 Moku:Pro 的多功能性仪糖，實(shí)現(xiàn)了 IoC 功能的潛力柑司。
多儀器模式架構(gòu)如圖1所示。
圖1：Moku:Pro 上的多儀器模式用戶(hù)界面--所有4個(gè)插槽均為空
圖1顯示了構(gòu)建多儀器系統(tǒng)的起點(diǎn)锅劝。Moku:Pro的FPGA分為4個(gè)儀器插槽攒驰。每個(gè)插槽代表Moku:Pro內(nèi)部Ultra Scale+ FPGA中的一個(gè)段故爵，每個(gè)插槽都可以訪問(wèn) Moku:Pro的模擬輸入和輸出玻粪。信號(hào)可以在數(shù)字域中的這些儀器之間傳遞，而無(wú)需離開(kāi)FPGA诬垂，因此無(wú)損耗，具有確定性的納秒級(jí)延遲结窘。用戶(hù)可以靈活地將Moku:Pro的單個(gè)儀器放入這些插槽中;例如很洋，頻譜分析儀、示波器隧枫、頻率響應(yīng)分析儀和PID控制器可以同時(shí)部署喉磁，也可以以任意組合方式部署。
二． 鎖相環(huán)介紹
鎖相環(huán)是一種跟蹤輸入信號(hào)相位协怒，并使用它來(lái)控制輸出信號(hào)頻率的系統(tǒng)，從而有效地將頻率鎖定在一起卑笨。這個(gè)功能從研發(fā)到設(shè)計(jì)孕暇，以及在原型設(shè)計(jì)的所有應(yīng)用中都非常有用，甚至在測(cè)試工程師的手中都非常重要。例如妖滔，PLL是無(wú)線電接收器和其他電信工程的基本組件派草，為計(jì)算機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘铛楣，同步時(shí)鐘或以源信號(hào)的倍數(shù)生成頻率（進(jìn)行頻率合成）∫掌眨基本的PLL是相位檢測(cè)器，后跟低通濾波器和壓控振蕩器歧譬。VCO 提供與其輸入電壓成比例的頻率輸出岸浑。
圖2：鎖相環(huán)框圖
鑒相器接受兩個(gè)輸入：外部時(shí)鐘和基準(zhǔn)振蕩器或本機(jī)振蕩器。鑒相器（PD）輸出是一種電壓瑰步，取決于輸入時(shí)鐘的相位差矢洲，用于驅(qū)動(dòng)VCO。PD有不同的實(shí)現(xiàn)缩焦。例如，可以使用混頻器（或解調(diào)器）袁滥。這樣做的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生頻率雜散或諧波盖桥，因此需要在低通濾波器這里設(shè)置限制參數(shù)，這樣就會(huì)減少鎖定時(shí)間或捕獲范圍题翻。另一種PD實(shí)現(xiàn)方式是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的鑒相器揩徊。Moku:Pro的相位計(jì)是高精度（6μrad/√Hz）數(shù)字相位檢測(cè)器的一個(gè)例子。
三． Moku:Pro 鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)
3.1 相位檢測(cè)器（PD）功能
我們將在 Moku:Pro 上實(shí)現(xiàn)一個(gè) PLL并檢查其操作過(guò)程塑荒。
首先，我們注意到鎖相放大器（LIA）具有解調(diào)級(jí)姜挺，后跟低通濾波器齿税。Moku LIA還可以將X-Y輸出轉(zhuǎn)換為幅度和相位（r-Φ），因此我們可以將LIA用作相位檢測(cè)器初家。圖3顯示了Moku鎖相放大器用戶(hù)界面偎窘，其中本振設(shè)置為50 MHz溜在，解調(diào)器后接低通濾波器（1 kHz）陌知，矩形至極性轉(zhuǎn)換，zui后是增益和失調(diào)功能仆葡。極性轉(zhuǎn)換的相位輸出被饋送到輸出A，并將形成我們的相位測(cè)量。
圖3：Moku:Pro 鎖相放大器用戶(hù)界面
3.2 斷續(xù)器
VCO使用波形發(fā)生器在Moku:Pro上實(shí)現(xiàn)沿盅。Moku波形發(fā)生器可以調(diào)制來(lái)自各種源的輸出把篓。例如，調(diào)制源可以是另一個(gè)波形發(fā)生器腰涧、內(nèi)部源或儀器的輸入韧掩。圖4顯示了波形發(fā)生器用戶(hù)界面窖铡。為了實(shí)現(xiàn)VCO疗锐，配置波形發(fā)生器為產(chǎn)生頻率調(diào)制（FM）正弦波，調(diào)制源設(shè)置為輸入A滑臊；調(diào)制深度設(shè)置為±50 kHz/V，這將zui終確定z大捕獲范圍箍铲。
圖4：Moku:Pro波形發(fā)生器;調(diào)頻信號(hào)
多儀器模式儀器間總線為2Vpp雇卷，因此z大FM偏差為±50kHz。還值得注意的是颠猴，載波設(shè)置為50.05 MHz关划。這與鎖定的50MHz本振的偏差為50 kHz芙粱，因此本示例將需要完整的FM偏差范圍祭玉。
3.3 多儀器配置功能
現(xiàn)在，我們將配置多儀器模式春畔。從圖 1 的空白配置開(kāi)始，我們將 MiM 設(shè)置為如圖5所示律姨。插槽1包含LIA（PD功能）振峻。插槽2由FM波形發(fā)生器（VCO）占用。VCO的輸出被驅(qū)動(dòng)到內(nèi)部總線#2择份，從而環(huán)路回到鎖相放大器（PD）的輸入A扣孟。
圖5：為 PLL 測(cè)試和測(cè)量配置的 MiM
能夠觀察時(shí)域和頻域中的PLL處理過(guò)程中的信號(hào)是很有幫助的，因此我們?cè)诓宀?中部署了示波器凤价，在插槽4中部署了頻譜分析儀。兩者都設(shè)置為觀察總線 1（PD參考LO）和總線2（FM拔创，WG或VCO輸出）利诺。所有4臺(tái)儀器可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行。這是檢查PLL過(guò)程信號(hào)的有用設(shè)置剩燥；在大多數(shù)應(yīng)用中慢逾，VCO通常為L(zhǎng)O供電，鎖定通過(guò)ADC向外部供電的信號(hào)侣滩，并鎖定到LIA的輸入A口注。
3.4 鎖相環(huán)操作
在初始設(shè)置時(shí)，鎖相放大器配置為關(guān)閉其輸出A君珠。這意味著PD輸出被禁用，波形發(fā)生器（WG）將以50.05 MHz輸出其FM信號(hào)策添。圖6是插槽1中LIA的用戶(hù)界面澈段，內(nèi)置示波器顯示50 MHz的LO和輸入A（WG輸出）上的輸入信號(hào)（WG輸出）為50.05 MHz。這些信號(hào)未鎖定舰攒，輸入相位連續(xù)滾動(dòng)超過(guò)參考LO。
圖6：輸出關(guān)閉的鎖相放大器;鎖相環(huán)解鎖
圖7是插槽 3 示波器的用戶(hù)界面悔醋，用于確認(rèn) PLL 的解鎖狀態(tài)。VCO和基準(zhǔn)電壓源的頻率相距50 kHz芬骄，示波器數(shù)據(jù)窗口顯示相位增量在± 180度之間波動(dòng)猾愿。
圖7：鎖相環(huán)解鎖示波器
圖8顯示了插槽4頻譜分析儀在相同的解鎖PLL情況下。我們看到通道A上的LO為50.000 MHz账阻，VCO輸出為50.051 MHz蒂秘，這是一個(gè)穩(wěn)定且固定的頻率偏移。
圖8：具有解鎖 PLL 的頻譜分析儀
3.5 鎖定鎖相環(huán)
現(xiàn)在淘太，我們只需在輸出 A 上輕點(diǎn)一下即可啟用鎖相放大器輸出。鎖相放大器輸出現(xiàn)在正在驅(qū)動(dòng)一個(gè)誤差信號(hào)蒲牧，該誤差信號(hào)表示LO和VCO輸出之間的瞬時(shí)相位誤差撇贺。WG（VCO）響應(yīng)，環(huán)路鎖定冰抢，而WG輸出跟蹤LO松嘶。
圖9：帶鎖定 PLL 的示波器
圖9顯示了插槽 3 中的示波器，具有兩個(gè)鎖定的正弦波翠订，LO 和 VCO 之間的穩(wěn)定相位差為 16.65 度，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.02度遵倦，樣本大小為 n=10049尽超。值得注意的是，信道A/紅色（來(lái)自LIA的參考LO）在50 MHz時(shí)的頻率標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.017 Hz骇吭，而VCO顯示標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.229 Hz橙弱。這可能是由于VCO輸出生成過(guò)程中的量化誤差造成的。為了進(jìn)一步研究這一點(diǎn)棘脐，記錄了一系列FM調(diào)制深度的VCO輸出頻率σ斜筐，從而記錄了一系列控制環(huán)路增益。結(jié)果示于表1和圖10中顷链。
更深的調(diào)制深度（每伏的高FM偏差）提供更寬的鎖定帶寬，但增益較低屈梁。數(shù)據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)嗤练，并且更窄的鎖定帶寬提高了鎖定的精度。在 10kHz/V 時(shí)在讶，σ （f斷續(xù)器） 靠近σ （fc） 此PLL性能將在未來(lái)的技術(shù)說(shuō)明中使用Moku:Pro的相位計(jì)精度進(jìn)一步研究煞抬。
表 1：
Fvco 與 FM 深度的關(guān)系
圖10：
Fvco與FM深度的關(guān)系
在圖11中，插槽4中的頻譜分析儀顯示VCO和LO現(xiàn)在鎖定在50.0002 MHz革答，200 Hz的偏移可能是由于頻譜分析儀與示波器的測(cè)量算法不同。
圖11：帶鎖定 PLL 的頻譜分析儀
四． 結(jié)論
Moku:Pro的多儀器模式可以進(jìn)行非常靈活的儀器配置曙强，同時(shí)部署多達(dá)4臺(tái)儀器残拐。這些儀器可以同時(shí)運(yùn)行，彼此獨(dú)立碟嘴。在本技術(shù)說(shuō)明中溪食，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)PLL娜扇。這會(huì)將VCO（由Moku:Pro的波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)）鎖定到鎖相放大器內(nèi)部基準(zhǔn)错沃。雖然這是對(duì)PLL原理和直觀的Moku:Pro用戶(hù)界面的演示，但典型的應(yīng)用將涉及鎖定到頻率稍低的未知頻率（如無(wú)線電載波）的外部信號(hào)（通過(guò)Moku:Pro的ADC采樣）雀瓢。鎖定信號(hào)很可能通過(guò)其DAC從外部驅(qū)動(dòng)到Moku:Pro。
直觀的圖形用戶(hù)界面使我們能夠在幾分鐘內(nèi)完成此實(shí)驗(yàn)致燥，并觀察快速鎖定時(shí)間和鎖定范圍（±50kHz）登疗。我們已經(jīng)觀察到PLL在時(shí)域和頻域中的鎖定，并使用示波器的數(shù)據(jù)記錄功能來(lái)記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)嫌蚤，包括PLL頻率的標(biāo)準(zhǔn)偏差辐益。通過(guò)這樣一個(gè)靈活的測(cè)試平臺(tái)，有許多應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)脱吱。雖然此注釋和示例完全在一個(gè) Moku:Pro 中運(yùn)行，但 PD 或 VCO 元件可能是受測(cè)的外部系統(tǒng)箱蝠。此外续捂，該示例可用于評(píng)估設(shè)計(jì)方案垦垂，在提交到硬件之前，使用 Moku 硬件評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)牙瓢。
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