本技术论文概述了使用 Moku:Pro 的多仪器模式 (MiM) 实现和验证锁相环 (PLL)。 读者将了解 Moku Pro 的 MiM 及其用户界面的特性，以及 Moku 测试和验证广泛实施的系统 PLL 性能的强大能力。
Moku:Pro 是一种片上仪器 (IoC) 测试系统，能够在基于 FPGA 的单个硬件平台上运行多个仪器。 现在，借助多仪器模式，传统上由单独的硬件盒或模块组成的整个测试设备系统可以在单个 Moku:Pro 上实现。 利用 FPGA 的动态重新配置，用户可以独立地热插拔仪器，而不会影响系统中的其余仪器。 此外，仪器可以相互连接，并且信号在它们之间完全在 FPGA 的数字域中传递。 这可实现具有超低延迟的高数据速率，并且不会出现通常由独立硬件模块或仪器之间的模数或数模转换引起的 SNR 降低。
多仪器模式极大地扩展了 Moku:Pro 的多功能性，实现了 IoC 功能的潜力。
多仪器模式架构
图 1：Moku:Pro 上的多乐器模式用户界面——所有 4 个插槽都是空的
图 1 显示了构建多仪器系统的起点。 Moku:Pro的FPGA分为4个仪器插槽。 每个插槽代表 Moku:Pro 内 UltraScale+ FPGA 中的一个段，每个插槽都可以访问 Moku:Pro 的模拟输入和输出。 信号可以在数字域中的这些仪器之间传递，而无需离开 FPGA，因此具有确定性的纳秒级延迟，是无损的。 用户可以灵活地将 Moku:Pro 的个人乐器放入这些插槽中； 例如，频谱分析仪、示波器、频率响应分析仪和 PID 控制器可以同时部署，也可以任意组合部署。
锁相环
锁相环是一种系统，它跟踪输入信号的相位并使用它来控制输出信号的频率，从而有效地将频率锁定在一起。 这在从研究和开发到设计和原型制作，一直到测试工程师手中的各种应用程序中都很有用。 例如，PLL 是无线电接收器和其他电信设备的基本组件，可为计算机提供稳定的时钟、同步时钟或生成源信号倍数的频率（频率合成）。
最基本的 PLL 是一个鉴相器，后面跟着一个低通滤波器和一个压控振荡器。 VCO 提供与其输入电压成比例的频率输出。
图 2：PLL 框图
鉴相器有两个输入：外部时钟和参考或本地振荡器。 鉴相器 (PD) 输出电压取决于输入时钟的相位差，用于驱动 VCO。 PD 有不同的实现。 例如，可以使用混频器（或解调器）。 这样做的缺点是会产生频率杂散或谐波，因此对低通滤波器提出了要求，可能会缩短锁定时间或捕获范围。 另一种 PD 实现方式是数字方式实现的相位-频率检测器。 Moku:Pro 的 Phasemeter 是高精度 (6 μ
弧度/√Hz)，数字鉴相器。
Moku:Pro PLL 实现
鉴相器
我们将在 Moku:Pro 上实施 PLL 并检查其操作。
首先我们注意到锁定放大器 (LIA) 有一个解调级，后面跟着一个低通滤波器。 Moku LIA 还可以将 XY 输出转换为幅度和相位 (r-Φ)，因此我们可以将 LIA 用作相位检测器。 图 3 显示了 Moku 锁相放大器用户界面，本地振荡器设置为 50 MHz，解调器后跟低通滤波器 (1 kHz)，矩形到极坐标转换，最后是增益和偏移功能。 极性转换的相位输出被馈送到 Out A 并将形成我们的相位测量。
图 3：Moku:Pro 锁相放大器用户界面
VCO
VCO 使用波形发生器在 Moku:Pro 上实现。 Moku 波形发生器可以调制各种来源的输出。 例如，调制源可以是另一个波形发生器、内部源或仪器的输入。 图 4 显示了波形发生器用户界面。 为实现 VCO，波形发生器配置为生成调频 (FM) 正弦波，调制源设置为输入 A； 调制深度设置为 +- 50 kHz/V，这将最终决定最大捕获范围。
图 4：Moku:Pro 波形发生器； 调频信号
多仪器模式仪器间总线为 2 Vpp，因此最大 FM 偏差为 +/- 50 kHz。 还值得注意的是，载波设置为 50.05 MHz。 这是与锁定的 50 MHz 本地振荡器的 50 kHz 偏差，因此该示例将需要完整的 FM 偏差范围。
多仪器配置
我们现在将配置多仪器模式。 从图 1 的空白配置开始，我们将 MiM 设置为如图 5 所示。
插槽 1 包含 LIA（PD 功能）。 插槽 2 被 FM 波形发生器 (VCO) 占用。 VCO 的输出被驱动到内部总线 #2，从而环回到锁相放大器 (PD) 的输入 A。
图 5：为 PLL 测试和测量配置的 MiM
能够在时域和频域中观察 PLL 行为很有帮助，因此我们在插槽 3 中部署了示波器，在插槽 4 中部署了频谱分析仪。两者都设置为观察总线 1（PD 参考 LO）和总线 2 （FM WG 或 VCO 输出）。 所有 4 台仪器同时独立运行。 这是检查 PLL 行为的有用设置； 在大多数应用中，更典型的情况是 VCO 为 LO 供电，锁定到通过 ADC 从外部提供并进入 LIA 的输入 A 的信号。
锁相环操作
在初始设置时，锁定放大器配置为关闭其输出 A。 这意味着 PD 输出被禁用，波形发生器 (WG) 将以 50.05 MHz 的频率输出其 FM 信号。 图 6 是插槽 1 中 LIA 的用户界面，内置示波器显示 50 MHz 的 LO 和输入 A 上的输入信号（WG 输出）为 50.05 MHz。 这些信号未锁定，输入相位连续滚动超过参考 LO。
图 6：输出关闭的锁相放大器； PLL解锁
图 7 是插槽 3 示波器的用户界面，用于确认 PLL 的解锁状态。 VCO 和参考频率相隔 50 kHz，示波器数据窗口显示相位增量在 +/- 180 度范围内波动。
图 7：PLL 解锁的示波器
图 8 显示插槽 4 频谱分析仪处于相同的解锁 PLL 情况。 我们看到通道 A 上的 LO 为 50.000 MHz，VCO 输出为 50.051 MHz，这是一个稳定且固定的频率偏移
图 8：具有解锁 PLL 的频谱分析仪
锁定 PLL
现在，我们通过在输出 A 上单击一次来启用锁定放大器输出。锁定放大器输出现在驱动一个误差信号，表示 LO 和 VCO 输出之间的瞬时相位误差。 当 WG 输出跟踪 LO 时，WG (VCO) 响应并且环路锁定。
图 9：具有锁定 PLL 的示波器
图 9 显示插槽 3 中的示波器，具有两个锁定的正弦波，LO 和 VCO 之间的稳定相位差平均为 16.65 度，标准偏差为 20 毫度，样本大小为 n=10049。 值得注意的是，通道 A/red（来自 LIA 的参考 LO）在 1.017 MHz 时的频率标准差为 50 Hz，而 VCO 显示的标准差为 3.229 Hz。 这可能是由于生成 VCO 输出时的量化误差所致。 为了进一步检查这一点，针对一系列 FM 调制深度记录了 VCO 输出频率的 σ，因此记录了一系列控制环路增益。 结果如表 1 和图 10 所示。
更深的调制深度（每伏特的高 FM 偏差）提供更宽的锁定带宽但增益更低。 数据证实了这一点，更窄的锁定带宽提高了锁定的精度。 在 10kHz/V 时，σ (fVCO) 接近于 σ (fc) 此 PLL 性能将在未来的技术说明中使用 Moku:Pro 相位计的精度进行进一步研究。
表 1：σ Fvco 与 FM 深度
图 10：σ Fvco 与 FM 深度
在图 11 中，插槽 4 中的频谱分析仪显示 VCO 和 LO 现在锁定在 50.0002 MHz，200 Hz 偏移可能是由于频谱分析仪与示波器的测量算法不同所致。
图 11：具有锁定 PLL 的频谱分析仪
结论
Moku:Pro 的多乐器模式允许非常灵活的乐器配置，最多可同时部署 4 台乐器。 这些仪器同时运行且彼此独立。
在本技术说明中，我们实现了一个 PLL。 这将 VCO（由 Moku:Pro 的波形发生器实现）锁定到锁定放大器内部参考。 虽然这是 PLL 原理和直观的 Moku:Pro 用户界面的演示，但典型的应用程序将涉及锁定到频率略微未知的外部信号（通过 Moku:Pro 的 ADC 采样），例如无线电载波。 锁定信号很可能会通过其 DAC 从外部驱动到 Moku:Pro。
直观的图形用户界面使我们能够在几分钟内完成此实验并观察快速锁定时间和锁定范围 (+/- 50kHz)。 我们在时域和频域都观察到了 PLL 锁定，并使用示波器的数据记录来记录统计数据，包括 PLL 频率的标准偏差。
这种灵活的测试平台支持许多应用程序。 虽然本说明和示例完全在一个 Moku:Pro 中运行，但 PD 或 VCO 元件可以是被测外部系统。 此外，该示例可用于评估设计方案，在提交硬件之前使用 Moku 硬件评估设计参数。
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