이 요약과 Q+A는 웹 세미나를 보완합니다. 디지털 위상 고정 루프를 사용하여 광학 응용 분야에서 정밀한 위상 제어 달성, 22년 2024월 XNUMX일 Optica와 공동 주최했습니다. 실시간으로 참석하지 못하셨다면 지금 등록하여 온디맨드 액세스를 하실 수 있습니다.
웨비나 요약을 제공하는 것 외에도 웨비나에 표시된 PLL(위상 고정 루프)을 구현하는 방법에 대한 단계별 지침을 제공하고 아래의 모든 청중 질문에 답변합니다.
웨비나 요약
프레젠테이션은 세 부분으로 구성되었습니다. 첫 번째 부분에서는 복조 없는 방법과 잠금 방법을 모두 사용하여 위상 측정의 개념을 설명했습니다. 우리는 피드백 루프에서 이중 위상 잠금 감지기와 전압 제어 발진기의 결합으로 인해 발생하는 PLL의 기능을 조사했습니다. 또한 PLL과 적분기를 사용하여 정확하고 래핑되지 않은 위상 정보를 제공하는 위상계도 소개했습니다.
두 번째 세그먼트에서는 완전 디지털 Moku를 사용하여 광학 PLL을 구성했습니다. 락인 증폭기 및 파형 발생기, 당사의 주력 제품과 함께 배포됨 Moku:Pro, 전체 테스트 장비 제품군을 제공하는 재구성 가능한 FPGA 기반 장치입니다. 우리는 Moku Phasemeter로 데모를 반복하고 그 기능을 살펴보고 두 설정의 장점에 대해 논의했습니다.
마지막 부분에서는 모쿠 파이썬 API Jupyter 노트북에서 PLL을 다시 구현하여 단일 스크립트 내에서 각 계측기를 호출, 구성 및 측정할 수 있는 방법을 보여줍니다.
단계별 PLL 구현 지침
Moku 장비를 사용하여 웨비나에 표시된 PLL을 복제하는 방법은 다음과 같습니다.
1단계: PLL 시스템 구축 및 연결 설정
Moku 장치를 선택한 후 다중 계측기 모드를 선택하여 "시스템 구축" 화면으로 들어갑니다. 슬롯 1과 슬롯 3 모두에 파형 발생기를 설정하고, 슬롯 2에 잠금 증폭기를 설정하고, 오실로스코프 슬롯 4에. 연결이 아래 다이어그램을 따르는지 확인하십시오. 슬롯 1의 출력 A는 슬롯 2, 입력 A 및 슬롯 4, 입력 A에 모두 연결되어야 합니다. 슬롯 2, 출력 A는 슬롯 3, 입력 A에 연결되어야 합니다. 마지막으로, 슬롯 3, 출력 A는 슬롯 4, 입력 A에 모두 연결되어야 합니다. B 및 슬롯 2, 입력 B.
2단계: 입력 신호 설정
슬롯 1에 파형 발생기를 입력하고 출력을 활성화합니다. 필요에 따라 주파수와 진폭을 조정합니다. 데모에서는 100MHz와 1Vpp를 사용합니다.
3단계: VCO 활성화
슬롯 3의 파형 발생기에 대한 구성 메뉴를 엽니다. 출력을 활성화하고 변조 유형을 주파수 변조(FM)로 설정합니다. 중심 주파수를 100.05MHz(입력 주파수에서 약간 오프셋)로 설정하고 변조 깊이를 50kHz/V로 설정합니다. 마지막으로 FM 소스를 "내부"에서 "입력 A"로 변경합니다.
4단계: 잠금 증폭기 구성 및 루프 닫기
잠금 증폭기 메뉴로 들어갑니다. 오른쪽 상단에서 설정 아이콘을 클릭하고 복조 소스를 "내부"에서 "외부(PLL)"로 변경합니다. 이 데모에서는 필요하지 않지만 선택적으로 출력에서 PID 제어를 활성화할 수도 있습니다.
저역 통과 필터를 100kHz로 변경하고 잠금 증폭기가 극좌표를 계산하는지 확인하십시오. PLL 블록을 클릭하고 주파수로 "자동"을 선택하고 대역폭으로 100kHz를 선택합니다. 스위치를 𝜣로 전환하고 신호에 작은 게인 부스트를 제공합니다. 약 10dB이면 충분합니다. 모든 스위치가 닫혀 있는지 확인하고 출력을 활성화하십시오. PLL 블록 근처에서 "reacquire"를 클릭합니다.
5단계: 위상 고정 루프 확인
오실로스코프를 시작하고 "타임베이스" 탭에서 100ns와 같은 적절한 창을 선택합니다. 두 채널이 모두 활성화된 경우 두 채널 모두에서 시간에 따라 드리프트하거나 스크롤해서는 안 되는 위상 고정 신호가 표시되어야 합니다. 확인을 위해 Lock-in Amplifier 화면으로 돌아가서 루프를 열고 닫을 수 있습니다. 채널 B의 신호는 루프가 열릴 때 스크롤되어 다시 닫힐 때 채널 A로 다시 고정되어야 합니다.
청중의 질문, 답변
Lock-in Amplifier는 구형파 신호와 함께 작동합니까? 위상 검출기의 정밀도는 얼마나 됩니까?
응, 모쿠 락인 증폭기 및 위상 계측기 신호의 듀티 사이클이 너무 낮지 않는 한 펄스 신호를 측정할 수 있습니다. 중요한 점은 단시간 펄스의 전력이 주파수 영역에 널리 분산되어 있으므로 듀티 사이클이 낮은 입력 신호에 대해 저역 통과 필터를 주의 깊게 조정해야 한다는 것입니다. 이 경우 위상 정밀도는 변하지 않지만, 저역 통과 필터를 통해 허용되는 신호 전력이 제한되어 있기 때문에 펄스 입력 신호의 경우 신호 대 잡음 비율이 잠재적으로 더 나빠질 수 있습니다.
Moku를 사용할 때 사용 가능한 비트노트 선폭은 얼마입니까? 또한 잠금 증폭기 또는 위상계 중 어떤 피드백 루프 구성이 선호됩니까?
익숙하지 않은 분들을 위해 말씀드리자면, 박자 음표는 레이저에서 방출되는 신호와 같은 두 개의 주기적인 신호 사이의 간섭의 결과입니다. 이 경우 비트노트 선폭은 두 레이저의 안정성에 따라 달라집니다. 두 개의 레이저가 위상 고정되어 있으면 비트 노트 선폭을 매우 작게 만들 수 있습니다. 그러나 충분히 낮은 선폭이 필요한 경우(<100Hz) Moku를 사용하는 것이 좋습니다. PID 컨트롤러 최대 정밀도를 위해 위상계와 함께 사용됩니다.
Moku:Pro와 Moku:Go에서 사용 가능한 피드백 대역폭은 얼마입니까?
피드백 대역폭은 PID 컨트롤러를 개방 루프 또는 폐쇄 루프에서 사용하는지, 그리고 이를 Moku의 DAC 및/또는 ADC(디지털 신호와 아날로그 신호 간 변환)와 함께 사용하는지 여부에 따라 달라질 수 있습니다. Moku:Pro의 경우 폐쇄 루프 피드백 대역폭은 약 150kHz이며 위상 지연은 30도입니다. 대조적으로, Moku:Go는 20도의 위상 지연으로 약 30kHz의 폐쇄 루프 피드백 대역폭을 갖습니다.
출력 사이에 위상차가 나타나는 이유는 무엇입니까?
라이브 데모 중에 락인 증폭기의 위상 시프터가 0도로 설정되었음에도 불구하고 오실로스코프의 입력과 위상 고정 신호 사이에 위상 오프셋이 있음을 알 수 있습니다. 이 오프셋은 PID 루프의 지연 결과입니다. 실제로 피드백 루프는 주파수를 조정하는 데 유한한 시간이 걸립니다. 라이브 데모에서는 간단한 이득 블록을 사용하여 오류 신호(즉, PID의 "P" 용어만)를 증폭했습니다. 이 오프셋은 잠금 증폭기의 PID 매개변수를 변경하여 수정할 수 있습니다. Lock-in Amplifier 메뉴의 오른쪽 상단에 있는 설정 아이콘을 클릭하면 아래 스크린샷과 같이 게인 블록을 PID 컨트롤러로 교체할 수 있습니다.
제어 루프의 맥락에서 Moku:Pro에서 기대할 수 있는 일반적인 루프 지연은 무엇입니까?
설정에 따라 일반적으로 ~300ns 정도의 루프 지연을 예상할 수 있습니다.
우리는 여러 개의 Moku:Go 장치를 가지고 있습니다. 이를 사용하여 데모를 구현할 수 있나요?
예! Moku:Go의 낮은 대역폭(Moku:Pro의 경우 30MHz 대 500MHz)을 염두에 두는 한 이는 잘 작동합니다. 유일한 다른 고려 사항은 각 Moku:Go 장치에 다중 계측기 모드의 슬롯이 XNUMX개뿐이므로 BNC 케이블을 사용하여 장치를 물리적으로 연결해야 한다는 것입니다. 이로 인해 위상 지연 및/또는 이동이 발생할 수 있지만 이는 PID 매개변수로 조정될 수 있습니다. Moku:Go에서 데모를 복제하려면 각각에 대해 다음 구성을 권장합니다.
모쿠:고 #1
이 장치는 신호 생성 및 감지를 처리합니다. 파형 발생기의 신호는 오실로스코프의 입력 A와 출력 1로 공급됩니다. 출력 1은 두 번째 Moku의 입력 1에 물리적으로 연결되어야 하며, 그러면 위상 고정 신호가 오실로스코프의 입력 B로 다시 공급됩니다. 오실로스코프.
모쿠:고 #2
이 장치는 피드백 루프 역할을 합니다. 잠금 증폭기는 입력 A를 통해 신호를 수신하고 복조된 신호를 두 번째 파형 발생기로 출력합니다. VCO 역할을 하는 파형 발생기는 출력을 잠금 증폭기의 입력 B로 다시 공급합니다. 또한 신호를 Moku 장치의 출력 1로 보낸 다음 감지를 위해 첫 번째 Moku 장치로 다시 라우팅됩니다.
위상 고정 루프를 구현할 때 저역 통과 필터의 대역폭 설정을 안내해야 하는 기준은 무엇입니까?
일반적으로 잠금 증폭기 저역 통과 필터의 대역폭은 PLL의 피드백 루프가 계속 작동할 수 있도록 최대한 낮게 설정해야 합니다. 저역통과 필터를 필요한 것보다 높게 설정하면 오류 신호에 노이즈가 추가됩니다.
다양한 DC 신호에 고정할 수 있습니까?
예! 위상계와 잠금 증폭기는 모두 주파수 범위(각각 1kHz 및 1mHz)에 하한이 있으므로 DC 신호에 고정하려면 독립형을 사용하는 것이 좋습니다. PID 컨트롤러 악기.
Liquid Instruments는 PLL에 대한 맞춤형 요구 사항을 수용합니까? FPGA에 맞춤형 계측기를 추가할 수 있습니까?
우리는 항상 우리 장비의 새로운 응용 프로그램에 대해 듣는 것을 기쁘게 생각하며 항상 Moku 소프트웨어의 범위를 개선하고 확장하기 위해 노력하고 있습니다. Moku 장치에서 맞춤형 FPGA 코드를 실행하는 데 관심이 있다면 다음을 확인하세요. Moku 클라우드 컴파일. Moku Cloud Compile을 사용하면 VDHL에서 자신만의 코드를 작성하고 당사 웹사이트에서 컴파일할 수 있습니다. 코드가 컴파일된 후 비트스트림을 다운로드하여 장치에 배포할 수 있습니다.
Moku 데이터시트에서 위상 측정의 정확도는 약 1μdegree입니다. 이 정확도가 어떻게 계산되는지 설명해 주시겠습니까? 오버샘플링과 같은 소프트웨어 알고리즘을 기반으로 합니까, 아니면 하드웨어를 기반으로 합니까?
모든 측정은 Moku 장치의 FPGA에서 수행됩니다. 위상 분해능은 PLL에 있는 국부 발진기(LO)의 위상 분해능과 관련됩니다. PLL의 LO 위상을 알면 PLL이 입력 신호의 위상을 일치시키려고 시도하므로 입력 신호의 위상을 결정할 수 있습니다. 이러한 이유로 측정된 위상 분해능은 PLL의 위상 분해능과 동일합니다.
Moku Laser Lock Box를 실행 중이고 레이저가 잠긴 상태에서 Laser Lock Box를 종료하고 다른 기기를 열면 Laser Lock Box의 작동이 중지됩니까?
다음은 다음과 같은 유형의 애플리케이션입니다. Moku 다중 악기 모드 해결하기 위해 고안되었습니다. 당신이 실행하는 경우 레이저 락 박스 (또는 잠금 증폭기 또는 위상계) 다중 장비 모드에서 다른 장비로 전환하고 잠금을 유지할 수 있습니다. 현재 모쿠 버전 3.1, 다중 창 보기를 통해 모든 기기를 동시에 볼 수도 있습니다. 다중 장비 모드가 아닌 경우 Moku를 재구성하면 Laser Lock Box의 작동이 중지됩니다.
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