2026年10月1日更新
本文概述了在 Moku:Pro 硬件上使用多仪器模式实现和验证锁相环 (PLL) 的过程。读者将了解 Moku Pro 的功能及其用户界面，以及 Moku 强大的测试和验证功能，从而更好地评估广泛应用的 PLL 系统的性能。
Moku:Pro 是一个基于 FPGA 的可重构硬件平台，包含超过 15 种软件定义仪器。其可重构特性使得单个 Moku 设备能够整合多种功能，并在任何测试设置中与其他仪器无缝协作。正如我们将看到的，仪器之间的互连和信号传输完全在 FPGA 内部的数字域中进行。这种整合实现了仪器间极高的数据速率和超低的延迟，并共享内部时钟以实现完美的同步。
在接下来的章节中，我们将展示 PLL 的工作原理，并利用多乐器模式在 Moku:Pro 设备中完全构建 PLL。
锁相环原理
锁相环（PLL）是一种通过将输入信号与参考信号进行比较来跟踪其相位的系统。它利用由此产生的误差来控制信号输出的频率，从而有效地将输出和输入锁定在一起。这种技术在从研发到设计原型制作再到测试的各个应用领域都非常有用。例如，PLL 是无线电接收机和其他电信设备的基本组件，可以为计算机提供稳定的时钟，同步时钟，或生成源信号倍频（频率合成）。
如图 1 所示，最基本的锁相环 (PLL) 由相位检测器、低通滤波器和压控振荡器 (VCO) 组成。VCO 提供与其输入电压成正比的频率输出。
相位检测器 (PD) 接收两个输入：外部信号（标记为 \(f_{in}\)）和参考信号或本地振荡器信号。PD 输出一个取决于输入时钟相位差的电压，该电压进而驱动压控振荡器 (VCO)。PD 有多种实现方式。例如，可以使用模拟频率混频器（或解调器）。这种方法的缺点是会产生不需要的频率杂散或谐波，并且需要一个低通滤波器，这会限制锁定时间或捕获范围。另一种 PD 实现方式是使用数字相位频率检测器，例如 Moku 相位计中使用的那种。
使用 Moku 实现 PLL
下面，我们将讨论构成 PLL 的每个组件以及如何在 Moku 硬件上实现它。
多仪器配置
我们首先配置多仪器模式，如下图 2 所示。插槽 1 包含锁相放大器，它用作相位检测器。插槽 2 是波形发生器，它利用其频率调制功能充当压控振荡器 (VCO)。VCO 的输出被驱动到内部总线，并环回锁相放大器 (PD) 的输入 A。
为了能够同时在时域和频域观察锁相环（PLL）的行为，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（参考本振）和总线 2（压控振荡器输出）。所有四个仪器同时独立运行。我们使用这种设置来检查 PLL 的行为，但在更实际的应用中，压控振荡器通常会提供本振信号，并锁定到外部输入到锁相放大器（LIA）输入 A 的信号。
鉴相器
典型的锁相放大器 (LIA) 包含一个解调级和一个低通滤波器。由于 Moku 锁相放大器也能将 XY 正交输出转换为幅值和相位 (r-Φ)，因此我们可以将其用作相位检测器。图 3 显示了 Moku 锁相放大器的用户界面，其中本地振荡器设置为 50 MHz，解调器后接一个低通滤波器 (1 kHz)、矩形波到极坐标转换器，以及增益、反相和偏移功能。极坐标转换后的相位输出被反相并馈送到输出 A，用于进行相位测量。
VCO
在 Moku:Pro 上，VCO 是通过波形发生器实现的。Moku 波形发生器可以调制来自多种来源的输出。例如，调制源可以是另一个波形发生器、内部信号源或仪器的输入。图 4 显示了波形发生器的用户界面。为了实现 VCO，波形发生器被配置为生成调频 (FM) 正弦波，调制源设置为输入 A。调制深度设置为 +/- 50 kHz/V，这决定了最大捕获范围。
多仪器模式下的仪器间总线电压范围为 2 Vpp，因此最大调频偏差为 +/- 50 kHz。载波频率设置为 50.05 MHz，与锁相放大器的本振频率 50 MHz 相差 50 kHz，因此需要使用完整的调频偏差范围。
锁相环操作
初始设置时，锁相放大器的输出 A 被禁用（增益级和偏移级之间的开关断开）。这意味着环路未闭合，波形发生器将以 50.05 MHz 的频率输出其调频信号。图 5 显示了插槽 1 中锁相放大器的用户界面，嵌入式示波器显示本振频率为 50 MHz，输入 A 的输入信号频率为 50.05 MHz。这些信号未锁定，输入信号的相位持续滚动，超过参考本振频率。
下图 6 显示了 Slot3 中示波器的用户界面，确认了 PLL 的解锁状态。VCO（通道 B）和参考频率（通道 A）相差 50 kHz，相位差在 +/- 180 度范围内波动。
图 7 显示了在相同的锁相环未锁定状态下，插槽 4 中的频谱分析仪。我们可以看到通道 A 上的本振频率为 50.000 MHz，压控振荡器 (VCO) 输出频率为 50.051 MHz，这是一个稳定且固定的频率偏移。
锁定 PLL
现在，我们通过闭合图 5 所示的环路来启用锁相放大器的输出。锁相放大器的输出现在驱动一个误差信号，该信号表示本振 (LO) 和压控振荡器 (VCO) 输出之间的瞬时相位误差。波形发生器 (VCO) 做出响应，环路锁定，同时输出跟踪本振。
图 9 显示了示波器在插槽 3 中的波形，其中两个正弦波已锁定，LO 和 VCO 之间的相位差稳定，平均约为 157 度，频率差波动在几赫兹量级。根据应用的不同，值得尝试不同的调制深度（每伏电压下的高 FM 偏移），这将改变跟踪带宽。数据证实了这一点，更窄的锁定带宽可以提高锁定精度。
如图 11 所示，第 4 个插槽中的频谱分析仪显示 VCO 和 LO 现在锁定在 50.00006 MHz，VCO 信号上有一些额外的边带，表示信号在不断调谐过程中产生的抖动。
结语
在本技术说明中，我们已在 Moku 硬件上实现了锁相环 (PLL)。我们使用 Moku 波形发生器将压控振荡器 (VCO) 锁定到锁相放大器的内部参考频率。虽然这只是对 PLL 原理和 Moku:Pro 直观用户界面的一个演示，但典型的应用场景是将锁相环锁定到未知频率的外部信号（例如无线电载波，该信号由 Moku:Pro 的模数转换器 (ADC) 采样）。锁定后的信号随后可以外部驱动到 Moku:Pro 的模拟输出端。
直观的图形用户界面使我们能够在几分钟内完成这项实验，并观察到快速的锁定时间和锁定范围（+/- 50kHz）。我们使用示波器和频谱分析仪在时域和频域都观察到了锁相环的锁定情况。
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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