锁相环频率合成器

使用Moku锁相放大器和相位表进行开环和闭环相位检测的选择指南高精确度及高灵敏度相位检测在众多测试测量场景都至关重要。例如，测量电流和电压之间的相移可以显示设备或元件的复阻抗。可以通过光学干涉仪的控制臂和测量臂之间的相移来测量极小的位移。Liquid Instruments的Moku设备可以提供两种检测射频信号相位的仪器：锁相放大器和数字相位测量仪。在本应用说明中，我们将介绍这两个仪器的工作原理，并为不同的应用场景提供仪器选择指南。介绍锁相放大器和相位表（数字相位测量仪）是两种常用于从振荡信号中获取相位信息的仪器。锁相放大器可以被视为开环相位检测器。相位是由本地振荡器、混频器和低通滤波器直接计算出来的。相比而言，相位表则采用数字锁相环（PLL）作为其相位检测器，使用一个反馈信号来实时调节本地振荡器的频率。这可以被视为一种闭环相位检测方法。在我们介绍这两种仪器之前，我们先来总结一下Moku:Pro锁相放大器和相位表（用于相位检测）的区别。请注意，本表中的参数规格是基于Moku:Pro的。工作原理锁相放大器原理如图1所示，锁相放大器有三个关键组成部分：一个本地振荡器、一个混频器和一个低通滤波器。图1: 锁相放大器的简化原理图输入信号Vin和本地振荡器VLO可以用正弦和余弦函数来描述。A1和A2代表振荡器的振幅。ωin和ωLO代表输入和本地振荡器的频率。∆ϕ 表示输入信号和本地振荡器之间的相位角差。混频器的输出Vmixer是输入和本地振荡器的产生的。应用三角函数示意假设 ωLO ≅ ωin= ω, Vmixer可写为低通滤波器过滤掉了高频率分量sin(2×2ωt+∆j)。假设输入信号和本地振荡器的振幅是固定的，输出信号Vout可以表示为在此有几个需要注意的地方：单相锁相放大器的输出与sin(∆ϕ)成正比，而不是与成正比。这大大限制了相位检测的线性动态范围，因为正弦函数是一个周期性的函数，它只在一个非常小的范围内提供（近乎）线性响应。另外，任何振幅的波动都可能引起一些系统误差。Liquid Instruments的Moku锁相放大器提供了双相解调的选项，可有效地区分了来自振幅和相位对输出的影响（可以通过此链接更深入了解双相位解调）但线性动态范围仍然限制在2π以内。另一方面，锁相放大器的数字信号处理（DSP）比相位表简单得多。这使锁相放大器能够以更高的速率处理数据，从而提供更宽的解调带宽。用户也可从外部设备输入一个本地振荡器作为参考，以直接测量两个振荡器之间的相对相位差。锁相放大器的开环特性确保仪器能够提供有效即时的响应，不容易受信号突变或损失造成的影响。因此，用户可使用锁相放大器测量接近或处于输入本底噪声的信号。相位表/PLL 原理相位表的核心相位检测单元是一个锁相环（PLL）。相位表的基本测量原理是将一个内部振荡器锁定在输入信号上，然后从内部振荡器的已知相位推断出输入信号的相位。图2显示了PLL的运作原理。锁相环的运作原理与锁相放大器非常相似，但有两个重要的区别：1）本地振荡器被一个压控振荡器（VCO）所取代；2）低通滤波器的输出反馈形成一个闭环。 图2: 锁相环的简化原理图VCO的输出 VVCO可以表述为 ωset是VCO的设定/中心频率。K是VCO的灵敏度 VCO, VVCOinput 是VCO的输入。AVCO是VCO的振幅。K和AVCO在正常工作时都保持不变。在不深入了解闭环控制理论的情况下，这种配置试图保持输入信号Vin和VCO之间的瞬时频率差为零。因此：由于ωset和K都是基于已知的仪器设置，输入的频率可以根据VVCOinput来计算。同时，ωset在时间t的累积相位可以表示为输入信号的累积相位可以用来近似表示。这里我们把K∙Vvcoinput项定义为ωdiff。因此，输入信号和参考信号（振荡器在设定的频率下）之间的累积相位差可以通过测算环路的频率差/误差信号积分获取。这种方法为相位检测提供了一个原生的相位解包支持，使输出与相位差呈线性关系。输入信号的瞬时频率也通过进行测量。此外，相位表有一个内置的二级振荡器来计算输入信号的振幅，类似于一个双相锁相放大器。除了来自环外积分器的相位，相位表的输出可以被设置为直接从数控振荡器（NCO；它可以被认为是数字的VCO）生成输入信号的正弦锁相副本，具有任意的振幅和可调相位。另一方面，输入和NCO之间的稳定锁定是PLL正常运行所必须的，不连续的输入可能会导致测量中断。由于这个原因，PLL在非常低的频率上保持稳定的锁定更具挑战性，相位表对比于锁相放大器在低载波频率边界更受限制，因此不建议用于测量接近输入本底噪声的信号。应用中考量因素和演示在本节中，我们将通过演示讨论在对Moku锁相放大器和相位表之间进行选择时的一些实际注意事项。相位检测的线性动态范围锁相放大器和相位表的关键区别之一是相位检测的线性动态范围。单相锁相放大器的相位线性动态范围小于π，双相锁相放大器则将这一极限推至2π。理论上，相位表可以跟踪无限的相位变化。在实践中，实际检测范围受用于表示相位的数字位长度的限制，在Moku:Pro上大约是16,000,000π。 在这个演示中，通过多仪器模式（MIM）（点此详细了解MIM）同时开启波形发生器、锁相放大器、相位表和示波器功能。一个10MHz的相位调制信号以单相和双相模式输入Moku:Pro的锁相放大器和相位表。相位检测的输出通过示波器进行记录。 图3：Moku:Pro上的MIM设置，用于测试不同相位检测器的线性动态范围。归一化的相位输出（作为模拟信号）绘制成图4中相移的函数。从图4(a)来看，双相解调模式下的相位表和锁相放大器都在360°范围内提供线性相位响应。单相模式下的锁相放大器只提供了90°内的近线性响应。双相解调器将相位包裹在±180°，而PLL在整个720°的相位移动范围内持续线性输出（图4（b））。图4：Moku相位表的输出，锁相放大器在单、双相位模式下的输出在(a)360°和(b)720°的相移的函数。使用相位表和锁相放大器测量两个外部信号之间的相位差对于测量两个振荡信号之间的相对相移的应用，锁相放大器提供了一个更直接的检测方式。用户可以通过Moku锁相放大器直接输入一个参考信号作为本地振荡器来解调两个信号间的相位差。相位表的操作则需要一个板载振荡器作为绝 对频率参考，因此检测的相位为信号与板载振荡器的相位差。在这个演示中，一个频率调制（FM）的不稳定信号被送入锁相放大器作为信号和参考，而相位表作为信号，如图5（a）所示。在图5(b)中，调频引起的相位波动只在相位表（红色）上观察到，锁相放大器的输出保持不变（蓝色）。锁相放大器的输出为调频信号与其本身的实时相位差，因此是固定没有波动的。相位表检测的结果为调频信号与板载振荡器间的实时相位差，因此检测到的是调制的载波。图5：（a）一个调频调制信号被接入到相位表的信号输入通道，以及锁相放大器的信号和参考输入。(b) 示波器上的相位表（红色）和锁相放大器（蓝色）的输出。在此有两种方法可以用相位表测量两个振荡器之间的相对相位差。1) 两个输入信号之间的相位差可以通过 ∆ϕ1-∆ϕ2,来计算，其中∆ϕ1,2 代表输入到一个共同参考的相位差。图6中显示了一对具有180°相移的锁相正弦波使用相位表内置的数据记录监测用来记录 ∆ϕ1 （红色）、∆ϕ2 （蓝色）和 ∆ϕ1-∆ϕ2（橙色）。在两个输入通道上可以观察到恒定的相位漂移，但数学通道提供了输入之间的正确相位差。图6：一对具有180°相移的正弦波被接入相位表。数学通道中绘制出∆ϕ。2) Moku:Lab和Moku:Pro的主时钟可以通过一个10 MHz的参考信号进行同步。如果参考振荡器可以与10 MHz同步，这就使得Moku:Pro上NCO的时基与参考相同。然而，时基同步并不能捕捉到参考NCO的任何参数调整（比如参考源是有目的地进行频率调制的）。另外，用于捕捉10MHz参考的PLL可能会给系统带来额外的噪声。除非需要通过模拟通道输出实时差异，否则不推荐使用这种方法。测量接近本地噪声的信号相位表要求输入信号和本地振荡器之间有稳定的锁定。Moku相位表有几个内置的安全机制来防止意外的变化对测试造成影响。例如，当锁定丢失时，"飞轮 "选项会自动将环路保持在最 后的已知状态。另一方面，锁相放大器的输出在任何时候都是确定的。为了演示这一效果，一个正弦相位调制的信号被同时输入到锁相放大器和相位表上。然后，输入信号被切断约两秒钟，再打开。两个相位检测器的输出通过示波器进行记录。从图7中可以看出，重新连接信号后，相位表的输出（红色）急剧漂移。锁相放大器的输出（蓝色）在信号断开时保持在0，之后立即恢复到预期值。 图7：示波器上记录了相位表（红色）和锁相放大器（蓝色）在信号突然丢失后的输出。总结Liquid Instruments的Moku:Lab和Moku:Pro的相位表和锁相放大器是为灵敏的相位检测应用提供的两种软件定义的仪器功能。相位表的闭环方法提供了特殊的线性动态范围，同时提供输入的频率、相位和振幅信息。锁相放大器算法相对简单，可以提供更快的响应速度，并且输出结果更容易预测。可以通过在Moku:Pro上部署多仪器并行，最多对四个输入在八个频率上进行相位检测，是多通道相位检测和锁相环应用的理想解决方案。参考[1] Shaddock, D., Ware, B., Halverson, P. G., Spero, R. E., & Klipstein, B. (2006, November). Overview of the LISA Phasemeter. In AIP conference proceedings (Vol. 873, No. 1, pp. 654-660). American Institute of Physics.[2] Roberts, L. E. (2016). Internally sensed optical phased arrays.关于昊量光电：昊量光电 您的光电超市！上海昊量光电设备有限公司致力于引进国外先进性与创新性的光电技术与可靠产品！与来自美国、欧洲、日本等众多知名光电产品制造商建立了紧密的合作关系。代理品牌均处于相关领域的发展前沿，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，所涉足的领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及前沿的细分市场比如为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等。我们的技术支持团队可以为国内前沿科研与工业领域提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务，助力中国智造与中国创造! 为客户提供适合的产品和提供完善的服务是我们始终秉承的理念！

业内人士均知，计时器/频率计市场多年来可谓波澜不惊，缺乏竞争是创新的最大障碍，该领域的产品更新换代极其缓慢，用户的选择也是少之又少。　　近日，随着泰克FCA和MCA系列计时器/频率计/分析仪的横空出世，江湖一时风云突变，频率计市场的统治局面被打破，新的“武林盟主”即将诞生，而广大用户则可享受到性能水平“五级跳”的创新产品，而且具备更有竞争力的价位。　　据悉，泰克在这些产品的定义阶段广泛进行了用户调查，地域横跨美洲、欧洲、亚洲大陆，抽取了美国、中国、日本、法、德等重要国家的各应用领域用户来倾听他们的意见，以便新产品所具备的更优异的性能和特性真正是客户想要的。　　FCA和MCA系列仪器可用于设计、生产和实验室校准，以及雷达设备测试等现场应用中的频率、时间或相位信号参数的测量与分析。下表以FCA3100为例，列举了泰克破局频率计市场的一些利器，以及如何实现产品性能和功能的“五级跳”。　　泰克FCA3100系列频率计与同类产品的对比。　　一级跳：更宽的频率范围保护客户投资　　泰克的FCA3000和FCA3100系列提供了最高达20GHz的宽频率范围，其中包括了两个300MHz的标准输入，和一个可选3GHz或20GHz的输入通道。上述仪器实现了每秒12位数字频率分辨率和单次50 ps(FCA3100)或100 ps(FCA3000)的时间分辨率。　　如上图，同类产品最多只能达到225MHz的标配，对于需要测250MHz或者275MHz信号的用户(如某些计算机时钟同步信号)来说，就要另外购买3G选件，成本要增加至少50%。如今，若选用泰克的产品，无需增加3GHz选件即可支持300MHz以内的信号频率。而对于雷达、合成器/混频器等微波通信应用很多信号时在Ku波段(12GHz-18GHz)，那么FCA3000和FCA3100系列提供的20GHz选件也可使客户无需另外购买昂贵得多的微波频率计。　　对于20GHz以上的高精尖开发项目，MCA3000系列提供了行业最先进的计时器/频率计方案。标配两个300MHz输入通道，和一个可选27 GHz或40 GHz高频输入通道，该仪器可实现每秒12位数字的频率分辨率和100ps的单次时间分辨率。MCA系列集成频率计能在任何支持的频段上通过单一连接实现频率和功率测量。　　据称，泰克仪器返修率很低，这些频率计产品从电路研发、材料选用到生产工艺各个环节都具有严格的质量保证，泰克公司承诺3年保修服务，远高于同类产品1年的保修期，显示了泰克对其产品品质的信心。　　二级跳：大幅提高研发和生产效率　　对于要求快速测试的制造应用而言，FCA系列仪器可以提供每秒250,000次采样的内部存储器数据传输速度、高达每秒15,000次采样的USB/GPIB数据传输速度(block模式)，以及每秒高达650次的独立触发测量，即每秒可完成650个产品的测量，相较同类产品只能完成200个产品测量，生产效率提高了三倍之多。泰克的产品更适合用于计算机、智能手机、平板电脑、元器件等要求较高测量精度的生产线，每条线可部署几十甚至上百台FCA频率计。“江苏的一家晶振厂商对我们的测量速度这项指标特别感兴趣，”泰克公司负责射频无线产品线的产品市场经理钱永介绍说，“他们以往采用的一些频率计设备，其测试速度已不能满足提高生产效率、扩大产能的需求。”　　另外，FCA系列具有快速端口转换模式，可连接两个端口，进行信号的快速切换(小于30ms)，几乎同时完成两个端口的测试。这一特性对生产企业也很有意义，可提高自动化生产的效率。　　FCA系列和MCA系列频率计除了支持生产线使用很普遍的GPIB接口持续数据流测量之外，还提供实验室用户使用较多的USB接口，方便他们连接PC进行设计调试。另外，还独家提供移动通信应用所需的TIE(时间差)测试功能。　　三级跳：3.75M样点存储深度实现统计分析功能　　泰克此次推出的最新频率计/分析仪使设计工程师不仅能够精确测量出频率、周期、时间、脉冲或相位、占空比、Vmax、Vmin、Vp-p等超过13种不同的参数，还能通过内置的内存(对应375万个测试点)来提供数据统计、柱状图以及趋势图等分析模式进行全面分析。例如，要测试用于计算机时钟信号的晶振在实际电路中的表现，就需要测一段时间的变化值。以往的频率计不含内存，就只有几个计数器，本身无法显示信号随时间变化的图形，必须通过GPIB接口读取也不方便，还需设计软件进行统计，影响了速度和成本。　　泰克的频率计由于可以将测试结果放入那个FIFO缓冲器内存中，本身就可以显示信号变化的情况，也可以外接电脑实现连续测试，确保零死区时间，从而实现了动态测量分析系统。该特性对必须检测每个单周期的机械和医疗测量而言至关重要。　　另外，对于很多研发人员来说，很看重频率计能进行时域的Allan方差测试。因此，含缓冲器内存连续无死区时间测试的特性就很有价值，因为需要对一定时长内的采样点求均值才能计算Allan方差值。　　四级跳：LCD显示直观掌握测量结果变化趋势　　与传统LED段显示频率计不同，泰克的新款产品均采用LCD显示屏，因而可以方便显示各种测试结果随时间变化的趋势图、测试结果分布的柱状图、直方图等，并可显示测量统计结果，如跟踪测量结果的平均值、标准误差以及最大值和最小值等，让测试工作更加直观。另外，仪器上的专用按钮及显示菜单使用户能够快速进入常用功能，进而缩短设置时间。　　测量统计结果显示示例。　　五级跳：调制域分析软件实现高端的跳频测试　　泰克提供可选的TimeView™ 调制域分析软件，针对基于Windows个人电脑可对信号特性进行更加深入的分析，当配合FCA和MCA系列使用时，使客户能够分析频率随时间的变化，实现调制域分析仪功能，同时测试Allan方差及各种数据统计和分析。　　“市面上已买不到专门的调制域分析仪了，但不少研究所客户(如进行高端跳频测试)还是非常需要，”钱永表示，“通过我们的分析软件，客户可以实现调制域分析功能，测试调频信号跳频序列，跳频振铃等参数，对于锁相环、混频器等元器件的应用测试就不需要像以前一样自己费心编写软件来实现了。”　　上述最新的计时器/频率计/分析仪可与泰克公司日前宣布推出的PWS4000系列直流电源配套使用。对于各种应用，这些频率计也可与泰克的示波器、万用表、信号源产品互连，组成一个强大的测试平台。为了简化复杂任务，客户可用配套提供的NI LabVIEW SignalExpress™ 泰克版软件，从基于Windows的个人电脑上远程控制所支持的泰克仪器。可以帮助客户自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测

【新品发布】Moku:Go 仪器套件新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器功能Moku:Go提供全面的便携式实验室解决方案，不仅集成了工程实验教学所需的仪器套件，还可满足工程师和学生测试设计、研发等项目。Liquid Instruments最新发布Moku:Go应用程序，新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器三个仪器功能。用户现在可以使用数字滤波器来创建IIR滤波器，使用FIR滤波器生成器来设计FIR滤波器，使用锁相放大器从噪声环境中提取已知频率的信号。这一更新使Moku:Go上集成的仪器总数达到了11种，将面向信号与系统等方向提供更完善的实验教学方案，不仅使电子信息工程、电气工程、自动化控制等学科教学进一步受益，并扩展到物理学、计算机科学等领域。数字滤波器数字滤波器作为设计和创建无限冲激响应（IIR）滤波器的常用工具，用户能够创建参数可调的高达8阶的低通、高通、带通和带阻IIR滤波器。这对噪声过滤、信号选择性放大等很有用。此外，Moku:Go的数字滤波器还集成示波器和数据记录器，有助于解整个信号处理链的参数变化，并轻松采集记录这些信号随时间的变化。 FIR滤波器生成器利用Moku:Go的FIR滤波器生成器，用户可以创建和部署有限冲激响应（FIR）滤波器。使用直观的用户界面，在时域和频域上微调您的滤波器的响应。锁相放大器作为第yi个在教育平台上提供的全功能锁相放大器设备，Moku:Go的锁相放大器满足更高级实验教学，如激光频率稳定和软件定义的无线电（Software Defined Radio，SDR）等。作为Liquid Instruments的Moku:Lab和Moku:Pro的旗舰仪器，Moku:Go增加了锁相放大器，使学生在其职业生涯中与Moku产品一起成长。其他更新和即将推出功能在此次更新中，Moku:Go也新增了对LabVIEW应用接口的支持，确保用户易于集成到更复杂的现有实验装置中。今年，Liquid Instruments计划进一步扩大软件定义的测试平台。届时，Moku:Go将在现有的逻辑分析仪仪器上增加协议分析，还将提供“多仪器并行模式”和“Moku云编译（Cloud Compile）”。多仪器模式允许同时部署多个仪器，以建立更复杂的测试配置，而Moku云编译使用户能够直接在Moku:Go的FPGA上开发和部署自定义数字信号处理。这些更新预计将在今年6月推出，将推动Moku:Go成为整个STEM教育课程的主测试和测量套件。目前Moku:Go的用户已经可以通过更新他们的Moku桌面应用程序来访问数字滤波器、FIR滤波器生成器和锁相放大器仪器功能。您也可以联系我们免费下载Moku桌面应用程序体验Moku:Go仪器演示模式。Liquid Instruments基于FPGA的平台的优势，将Moku:Lab和Moku:Pro上的仪器快速向下部署到Moku:Go上，并以可接受的成本提供一致的用户体验。如果您对Moku:Go 在数字信号处理、信号与系统、控制系统等教学方案感兴趣，请联系昊量光电进一步讨论您的应用需求。更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿；产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。