この要約と Q+A は、次のタイトルのウェビナーを補完します。 デジタル位相ロックループを使用した光学アプリケーションでの正確な位相制御の実現、22 年 2024 月 XNUMX 日に Optica と共同開催しました。ライブに参加できなかった場合は、今すぐオンデマンド アクセスに登録できます。
ウェビナーの概要を提供することに加えて、ウェビナーで示されているフェーズ ロック ループ (PLL) の実装方法について段階的な説明を提供し、以下の視聴者のすべての質問に答えます。
ウェビナーの概要
プレゼンテーションは 3 つのセグメントで構成されていました。最初のセグメントでは、復調不要の方法とロックイン方法の両方による位相測定の概念を説明しました。フィードバック ループ内の二相ロックイン検出器と電圧制御発振器の組み合わせから得られる PLL の機能を調べました。また、PLL と積分器を使用して、ラップされていない正確な位相情報を提供する位相計も導入しました。
2 番目のセグメントでは、フルデジタル Moku を使用して光 PLL を構築しました。 ロックインアンプ および 波形発生器、当社のフラッグシップで展開 Moku:Pro、テスト機器の完全なスイートを提供する再構成可能な FPGA ベースのデバイス。私たちは Moku Phasemeter を使用してデモを繰り返し、その機能を調査し、両方のセットアップの利点について話し合いました。
最後のセグメントでは、 もくPython API Jupyter ノートブックに PLL を再実装し、単一のスクリプト内で各計測器をどのように呼び出し、構成、測定できるかを示します。
段階的な PLL 実装手順
ここでは、Moku インストゥルメントを使用してウェビナーで示された PLL を複製する方法を説明します。
ステップ 1: PLL システムを構築し、接続をセットアップする
Moku デバイスを選択した後、マルチ機器モードを選択して「システムの構築」画面に入ります。スロット 1 とスロット 3 の両方に波形ジェネレーター、スロット 2 にロックインアンプ、および オシロスコープ 接続が下の図に従っていることを確認してください。スロット 4 の出力 A はスロット 1、入力 A とスロット 2、入力 A の両方に接続する必要があります。スロット 4、出力 A はスロット 2、入力 A に接続する必要があります。最後に、スロット 3、出力 A はスロット 3、入力の両方に接続する必要があります。 B およびスロット 4、入力 B。
ステップ 2: 入力信号を設定する
スロット 1 に波形ジェネレータを入力し、出力を有効にします。必要に応じて周波数と振幅を調整します。デモでは、100 MHz と 1 Vpp を使用します。
ステップ 3: VCO を有効にする
スロット 3 の波形ジェネレーターの設定メニューを開きます。出力を有効にし、変調タイプを周波数変調 (FM) に設定します。中心周波数を 100.05 MHz (入力周波数からわずかにオフセット)、変調深度を 50 kHz/V に設定します。最後に、FM のソースを「Internal」から「Input A」に変更します。
ステップ 4: ロックインアンプを設定し、ループを閉じる
ロックインアンプのメニューに入ります。右上隅の設定アイコンをクリックし、復調ソースを「内部」から「外部 (PLL)」に変更します。このデモでは必要ありませんが、ここでオプションで出力の PID 制御を有効にすることもできます。
ローパス フィルターを 100 kHz に変更し、ロックイン アンプが極座標を計算していることを確認します。 PLL ブロックをクリックし、周波数として「自動」を選択し、帯域幅として 100 kHz を選択します。スイッチを 𝜣 に切り替え、信号にわずかなゲインブーストを加えます。約 10 dB で十分です。すべてのスイッチが閉じていることを確認し、出力を有効にしてください。 PLL ブロックの近くにある「再取得」をクリックします。
ステップ 5: フェーズロックループを確認する
オシロスコープに入り、「タイムベース」タブから適切なウィンドウ (100 ns など) を選択します。両方のチャネルが有効になっている場合は、両方に位相ロックされた信号が表示され、時間内にドリフトしたりスクロールしたりすることはありません。確認するには、「Lock-in Amplifier」画面に戻ってループを開閉します。チャンネル B の信号は、ループが開いているときにスクロールして通過し、ループが再び閉じられるとチャンネル A にロックオンする必要があります。
視聴者からの質問、回答
ロックインアンプは方形波信号で動作しますか?位相検出器の精度はどの程度ですか?
はい、モクです ロックインアンプ および 位相計 信号のデューティサイクルが低すぎない限り、パルス信号を測定できます。重要なのは、短時間パルスのパワーが周波数領域で広く分散されるため、ローパス フィルターを低デューティ サイクルの入力信号に合わせて慎重に調整する必要があるということです。この場合、位相精度は変わりませんが、ローパス フィルターを通過できる信号パワーが制限されているため、パルス入力信号では S/N 比が悪化する可能性があります。
Moku を使用する場合に使用できるビートノートの線幅はどれくらいですか?また、フィードバック ループ構成はロックイン アンプと位相計のどちらが好ましいですか?
馴染みのない人のために説明すると、ビートノートは、レーザーから発せられる信号など、2つの周期信号間の干渉の結果です。この場合のビートノートの線幅は、両方のレーザーの安定性に依存します。 2つのレーザーが位相ロックされている場合、ビートノートの線幅を極めて小さくすることができます。ただし、十分に低い線幅 (<100 Hz) が必要な場合は、Moku の使用をお勧めします。 PIDコントローラー 位相計と組み合わせて最大の精度を実現します。
Moku:Pro と Moku:Go で利用可能なフィードバック帯域幅はどれくらいですか?
フィードバック帯域幅は、PID コントローラーを開ループで使用しているか閉ループで使用しているか、および Moku の DAC および/または ADC (デジタル信号とアナログ信号間の変換) と組み合わせて使用しているかどうかによって異なります。 Moku:Pro の場合、閉ループ フィードバック帯域幅は約 150 kHz で、位相遅延は 30 度です。対照的に、Moku:Go の閉ループ フィードバック帯域幅は約 20 kHz で、位相遅延は 30 度です。
出力間に位相差が生じるのはなぜですか?
ライブデモ中に、ロックインアンプの移相器が 0 度に設定されていたにもかかわらず、入力信号とオシロスコープの位相ロック信号の間に位相オフセットがあることに気づいたかもしれません。このオフセットは、PID ループからの遅れの結果です。実際には、フィードバック ループが周波数を調整するには有限の時間がかかります。ライブ デモでは、単純なゲイン ブロックを使用して誤差信号 (つまり、PID の「P」項のみ) を増幅しました。このオフセットは、ロックイン アンプの PID パラメータを変更することで修正できます。以下のスクリーンショットに示すように、ロックイン アンプ メニューの右上にある設定アイコンをクリックすると、ゲイン ブロックを PID コントローラーに置き換えることができます。
制御ループのコンテキストでは、Moku:Pro から予想される一般的なループ遅延はどれくらいですか?
通常、設定に応じて、約 300 ns のループ遅延が予想されます。
複数の Moku:Go デバイスを持っています。それらを使用してデモを実装できますか?
はい！ Moku:Go の帯域幅が低いこと (Moku:Pro の 30 MHz に対して 500 MHz) を念頭に置いている限り、これは問題なく動作するはずです。その他の唯一の考慮事項は、各 Moku:Go デバイスにはマルチ機器モードのスロットが XNUMX つしかないため、BNC ケーブルでデバイスを物理的に接続する必要があることです。これにより、位相遅延や位相シフトが生じる可能性がありますが、これは PID パラメータで調整できます。 Moku:Go でデモを複製したい場合は、それぞれ次の構成をお勧めします。
モク：ゴ#1
このデバイスは信号の生成と検出を処理します。波形発生器からの信号はオシロスコープの入力 A と出力 1 に供給されます。出力 1 は 1 番目の Moku の入力 XNUMX に物理的に接続する必要があります。これにより、位相ロック信号がオシロスコープの入力 B に戻されます。オシロスコープ。
モク：ゴ#2
このデバイスはフィードバック ループとして機能します。ロックインアンプは入力 A を介して信号を受信し、復調された信号を 1 番目の波形発生器に出力します。波形発生器は VCO として機能し、その出力をロックイン アンプの入力 B にフィードバックします。また、信号は Moku デバイスの出力 XNUMX に送信され、その後、検出のために最初の Moku デバイスに戻されます。
フェーズロックループを実装する場合、ローパスフィルターの帯域幅の設定はどのような基準に基づいて行う必要がありますか?
一般に、ロックイン アンプのローパス フィルタの帯域幅は、PLL のフィードバック ループが機能し続けるように、可能な限り低く設定する必要があります。ローパス フィルターを必要以上に高くすると、エラー信号にノイズが追加されます。
変動する DC 信号にロックできますか?
はい！フェーズメーターとロックインアンプはどちらも周波数範囲に下限があるため (それぞれ 1 kHz と 1 mHz)、DC 信号をロックオンしたい場合は、スタンドアロンのアンプを使用することをお勧めします。 PIDコントローラー 楽器。
Liquid Instruments は PLL に対してカスタム要件を必要としますか? FPGA にカスタム計測器を追加できますか?
私たちは、当社の機器の新しいアプリケーションについて聞くことに常に興奮しており、Moku ソフトウェアの範囲の改善と拡大に常に取り組んでいます。 Moku デバイスでカスタム FPGA コードを実行することに興味がある場合は、次を確認してください。 Mokuクラウドコンパイル. Moku Cloud Compile を使用すると、VDHL で独自のコードを作成し、Web サイトでコンパイルできます。コードがコンパイルされたら、ビットストリームをダウンロードしてデバイスに展開できます。
Moku データシートによれば、位相測定の精度は約 μ 度です。この精度がどのように計算されるのか説明していただけますか?それはオーバーサンプリングなどのソフトウェア アルゴリズムに基づいていますか、それともハードウェアに基づいていますか?
すべての測定は Moku デバイスの FPGA 上で行われます。位相の分解能は、PLL の局部発振器 (LO) の位相分解能に関係します。 PLL の LO の位相がわかれば、PLL は入力信号の位相と一致しようとするため、入力信号の位相を決定できます。このため、測定される位相分解能は PLL の位相分解能と同じになります。
Moku レーザー ロック ボックスを実行中にレーザーがロックされている場合、レーザー ロック ボックスを終了して別の機器を開いた場合、レーザー ロック ボックスは動作しなくなりますか?
これらの種類のアプリケーションは、 Mokuマルチインストゥルメントモード を解決するために設計されました。を実行している場合は、 レーザーロックボックス （またはロックインアンプまたはフェーズメーター）をマルチ機器モードにすると、別の機器に切り替えてロックを維持できます。現在 モク バージョン 3.1、マルチウィンドウ表示ですべての楽器を同時に表示することもできます。マルチ機器モードではない場合、Moku を再設定するとレーザー ロック ボックスが動作しなくなります。
ウェビナーをご覧いただきありがとうございます。またお会いできるのを楽しみにしています！
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