这次回顾和问答是对我们的网络研讨会的补充，题为 利用数字锁相环在光学应用中实现精确相位控制，我们于 22 年 2024 月 XNUMX 日与 Optica 共同主办。如果您无法参加现场直播，您可以立即注册以进行点播访问。
除了提供网络研讨会摘要之外，我们还提供有关如何实现网络研讨会中所示的锁相环 (PLL) 的分步说明，并回答下面的所有观众问题。
网络研讨会回顾
演讲由三个部分组成。在第一部分中，我们通过免解调和锁定方法解释了相位测量的概念。我们研究了 PLL 的功能，它是由反馈环路中的双相锁定检测器和压控振荡器组合而成的。我们还介绍了相位计，它使用 PLL 和积分器来提供精确的、展开的相位信息。
在第二部分中，我们用全数字 Moku 构建了一个光学 PLL 锁相放大器 和 波形发生器，与我们的旗舰一起部署 Moku:Pro，一种可重新配置、基于 FPGA 的设备，提供全套测试仪器。我们使用 Moku 相位计重复了演示，探索了其功能，并讨论了两种设置的优点。
在最后一段中，我们使用了 Moku Python API 在 Jupyter 笔记本中重新实现 PLL，展示如何在单个脚本中调用、配置和测量每个仪器。
PLL 分步实施说明
以下是如何使用 Moku 仪器复制网络研讨会中所示的 PLL。
第 1 步：构建 PLL 系统并设置连接
选择您的 Moku 设备后，选择多仪器模式进入“构建您的系统”屏幕。在插槽 1 和插槽 3 中设置一个波形发生器，在插槽 2 中设置一个锁相放大器，并在插槽 XNUMX 中设置一个锁定放大器。 示波器/电压表 在插槽 4 中。确保按照下图进行连接。插槽 1 上的输出 A 应连接到插槽 2、输入 A 和插槽 4、输入 A。插槽 2、输出 A 应连接到插槽 3、输入 A。最后，插槽 3、输出 A 应连接到插槽 4、输入B 和插槽 2，输入 B。
步骤 2：设置输入信号
在插槽 1 中输入波形发生器并启用输出。根据需要调整频率和幅度。对于演示，我们使用 100 MHz 和 1 Vpp。
第 3 步：启用 VCO
打开插槽 3 中波形发生器的配置菜单。启用输出并将调制类型设置为频率调制 (FM)。将中心频率设置为 100.05 MHz（与输入频率略有偏移），将调制深度设置为 50 kHz/V。最后，将 FM 源从“Internal”更改为“Input A”。
步骤 4：配置锁相放大器并闭合环路
进入锁定放大器菜单。单击右上角的设置图标，将解调源从“内部”更改为“外部（PLL）”。虽然对于本演示来说不是必需的，但您也可以选择在输出上启用 PID 控制。
将低通滤波器更改为 100 kHz，并确保锁定放大器正在计算极坐标。单击 PLL 块，然后选择频率“自动”和带宽 100 kHz。将开关拨到 𝜣 并给予信号一个小的增益提升 - 大约 10 dB 就足够了。确保所有开关均闭合并启用输出。单击 PLL 块附近的“重新获取”。
第 5 步：验证您的锁相环
进入示波器并从“时基”选项卡中选择适当的窗口，例如 100 ns。如果两个通道均已启用，您应该会在两个通道上看到锁相信号，该信号不应及时漂移或滚动。为了进行验证，您可以返回锁定放大器屏幕以打开和关闭环路。当循环打开时，通道 B 上的信号应滚动过去，并在循环再次关闭时锁定回通道 A。
观众提问，一一解答
锁相放大器是否适用于方波信号？相位检测器的精度是多少？
是的，莫库 锁相放大器 和 相位表 只要信号的占空比不太低，就能够测量脉冲信号。关键是低通滤波器需要针对低占空比输入信号进行仔细调谐，因为短时脉冲的功率广泛分布在频域中。在这种情况下，相位精度不会改变，但脉冲输入信号的信噪比可能会更差，因为通过低通滤波器的信号功率有限。
使用 Moku 时可用的节拍音符线宽是多少？另外，哪种反馈环路配置是首选：锁定放大器还是相位计？
对于那些不熟悉的人来说，节拍音符是两个周期性信号（例如激光发射的信号）之间干扰的结果。在这种情况下，拍音线宽取决于两个激光器的稳定性。如果两个激光器是锁相的，那么拍音线宽可以变得非常小。但是，如果需要足够低的线宽（<100 Hz），我们建议使用 Moku PID 控制器 与相位计结合使用可实现最大精度。
Moku:Pro 与 Moku:Go 中的可用反馈带宽是多少？
反馈带宽可能会有所不同，具体取决于您是否在开环或闭环中使用 PID 控制器，以及您是否将其与 Moku 的 DAC 和/或 ADC（数字信号和模拟信号之间的转换）结合使用。对于 Moku:Pro，闭环反馈带宽约为 150 kHz，相位延迟为 30 度。相比之下，Moku:Go 的闭环反馈带宽约为 20 kHz，相位延迟为 30 度。
为什么输出之间存在相位差？
在现场演示期间，您可能已经注意到，即使锁相放大器上的移相器设置为零度，示波器上的输入信号和锁相信号之间仍存在相位偏移。该偏移是 PID 环路滞后的结果。实际上，反馈环路需要有限的时间来调整频率。在现场演示中，我们使用简单的增益块来放大误差信号（即，仅 PID 中的“P”项）。该偏移可以通过更改锁定放大器上的 PID 参数来修复。通过单击“锁定放大器”菜单右上角的设置图标，您可以用 PID 控制器替换增益块，如下面的屏幕截图所示。
在控制循环的背景下，Moku:Pro 的典型循环延迟是多少？
您通常预计循环延迟约为 300 ns，具体取决于您的设置。
我们有多台 Moku:Go 设备。我们可以使用它们来实现您的演示吗？
是的！只要您记住 Moku:Go 的较低带宽（Moku:Pro 为 30 MHz 与 500 MHz），这应该可以正常工作。唯一需要考虑的是，由于每个 Moku:Go 设备上的多仪器模式只有两个插槽，因此您需要使用 BNC 电缆物理连接设备。这可能会引入相位延迟和/或偏移，但这可以通过 PID 参数进行调整。如果您希望在 Moku:Go 上复制演示，我们建议每个演示采用以下配置：
木库：围棋 #1
该设备处理信号生成和检测。来自波形发生器的信号被馈送到示波器的输入 A 和输出 1。输出 1 需要物理连接到第二个 Moku 的输入 1，后者又将锁相信号反馈回示波器的输入 B。示波器。
木库：围棋 #2
该设备充当反馈回路。锁相放大器通过输入 A 接收信号，并将解调信号输出到第二个波形发生器。波形发生器充当 VCO，将其输出反馈至锁相放大器的输入 B。它还将信号发送到 Moku 设备的输出 1，然后将信号路由回第一个 Moku 设备进行检测。
实现锁相环时，低通滤波器带宽的设置应遵循什么标准？
一般来说，锁相放大器的低通滤波器的带宽应设置得尽可能低，以便 PLL 的反馈环路仍然起作用。将低通滤波器设置得高于必要值会增加误差信号的噪声。
您可以锁定变化的直流信号吗？
是的！相位计和锁定放大器的频率范围都有下限（分别为 1 kHz 和 1 mHz），因此如果您想锁定直流信号，我们建议使用独立的 PID 控制器 仪器。
Liquid Instruments 是否对 PLL 有任何定制要求？您可以将自定义仪器添加到 FPGA 中吗？
我们总是很高兴听到我们仪器的新颖应用，并且始终致力于改进和扩展 Moku 软件的范围。如果您有兴趣在 Moku 设备上运行自定义 FPGA 代码，请查看 Moku 云编译. 通过Moku Cloud Compile，您可以在VDHL中编写自己的代码并在我们的网站上进行编译。代码编译后，您可以下载比特流以部署到您的设备。
在 Moku 数据表上，相位测量的精度约为 µ°。您能解释一下这个准确度是如何计算的吗？是基于软件算法（例如过采样）还是基于硬件？
所有测量均在 Moku 设备的 FPGA 上完成。相位分辨率与 PLL 中本地振荡器 (LO) 的相位分辨率有关。如果我们知道 PLL 中 LO 的相位，我们就可以确定输入信号的相位，因为 PLL 会尝试匹配输入信号的相位。因此，测量的相位分辨率与 PLL 的相位分辨率相同。
如果我正在运行 Moku 激光锁盒并且有锁定的激光器，那么我退出激光锁盒并打开另一台仪器，激光锁盒会停止工作吗？
这些是应用程序的类型 Moku 多乐器模式 旨在解决。如果您正在运行 激光锁频/稳频器 （或锁定放大器或相位计）在多仪器模式下，然后您可以切换到不同的仪器并保持锁定。作为 Moku 3.1版本，您甚至可以通过多窗口查看同时查看所有仪器。如果您未处于多仪器模式，则重新配置 Moku 将导致激光锁盒停止工作。
感谢您观看我们的网络研讨会。我们期待再次见到您！
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