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鎖相環(huán)在相位檢測中的應(yīng)用指南

昊量光電 ? 來源:昊量光電 ? 作者:昊量光電 ? 2022-06-30 15:54 ? 次閱讀

使用Moku鎖相放大器和相位表進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)相位檢測的選擇指南

高精確度及高靈敏度相位檢測在眾多測試測量場景都至關(guān)重要。例如,測量電流和電壓之間的相移可以顯示設(shè)備或元件的復(fù)阻抗??梢酝ㄟ^光學(xué)干涉儀的控制臂和測量臂之間的相移來測量極小的位移。Liquid Instruments的Moku設(shè)備可以提供兩種檢測射頻信號相位的儀器:鎖相放大器和數(shù)字相位測量儀。在本應(yīng)用說明中,我們將介紹這兩個儀器的工作原理,并為不同的應(yīng)用場景提供儀器選擇指南。

介紹

鎖相放大器和相位表(數(shù)字相位測量儀)是兩種常用于從振蕩信號中獲取相位信息的儀器。鎖相放大器可以被視為開環(huán)相位檢測器。相位是由本地振蕩器、混頻器和低通濾波器直接計算出來的。相比而言,相位表則采用數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)作為其相位檢測器,使用一個反饋信號來實(shí)時調(diào)節(jié)本地振蕩器的頻率。這可以被視為一種閉環(huán)相位檢測方法。

在我們介紹這兩種儀器之前,我們先來總結(jié)一下Moku:Pro鎖相放大器和相位表(用于相位檢測)的區(qū)別。請注意,本表中的參數(shù)規(guī)格是基于Moku:Pro的。

poYBAGK9VbKACQaCAAHL2AAAkJw047.png

工作原理

鎖相放大器原理

如圖1所示,鎖相放大器有三個關(guān)鍵組成部分:一個本地振蕩器、一個混頻器和一個低通濾波器。

圖1:鎖相放大器的簡化原理圖

輸入信號Vin和本地振蕩器VLO可以用正弦和余弦函數(shù)來描述。

A1和A2代表振蕩器的振幅。ωin和ωLO代表輸入和本地振蕩器的頻率。??表示輸入信號和本地振蕩器之間的相位角差?;祛l器的輸出Vmixer是輸入和本地振蕩器的產(chǎn)生的。

應(yīng)用三角函數(shù)示意

假設(shè)ωLO?ωin= ω,Vmixer可寫為

低通濾波器過濾掉了高頻率分量sin(2×2ωt+?j)。假設(shè)輸入信號和本地振蕩器的振幅是固定的,輸出信號Vout可以表示為

在此有幾個需要注意的地方:單相鎖相放大器的輸出與sin(??)成正比,而不是與成正比。這大大限制了相位檢測的線性動態(tài)范圍,因為正弦函數(shù)是一個周期性的函數(shù),它只在一個非常小的范圍內(nèi)提供(近乎)線性響應(yīng)。另外,任何振幅的波動都可能引起一些系統(tǒng)誤差。Liquid Instruments的Moku鎖相放大器提供了雙相解調(diào)的選項,可有效地區(qū)分了來自振幅和相位對輸出的影響(可以通過此鏈接更深入了解雙相位解調(diào))但線性動態(tài)范圍仍然限制在2π以內(nèi)。另一方面,鎖相放大器的數(shù)字信號處理(DSP)比相位表簡單得多。這使鎖相放大器能夠以更高的速率處理數(shù)據(jù),從而提供更寬的解調(diào)帶寬。用戶也可從外部設(shè)備輸入一個本地振蕩器作為參考,以直接測量兩個振蕩器之間的相對相位差。鎖相放大器的開環(huán)特性確保儀器能夠提供有效即時的響應(yīng),不容易受信號突變或損失造成的影響。因此,用戶可使用鎖相放大器測量接近或處于輸入本底噪聲的信號。

相位表/PLL原理

相位表的核心相位檢測單元是一個鎖相環(huán)(PLL)。相位表的基本測量原理是將一個內(nèi)部振蕩器鎖定在輸入信號上,然后從內(nèi)部振蕩器的已知相位推斷出輸入信號的相位。圖2顯示了PLL的運(yùn)作原理。鎖相環(huán)的運(yùn)作原理與鎖相放大器非常相似,但有兩個重要的區(qū)別:1)本地振蕩器被一個壓控振蕩器(VCO)所取代;2)低通濾波器的輸出反饋形成一個閉環(huán)。

微信圖片_20220623102045.png

圖2:鎖相環(huán)的簡化原理圖

VCO的輸出VVCO可以表述為

ωset是VCO的設(shè)定/中心頻率。K是VCO的靈敏度 VCO, VVCOinput 是VCO的輸入。AVCO是VCO的振幅。K和AVCO在正常工作時都保持不變。在不深入了解閉環(huán)控制理論的情況下,這種配置試圖保持輸入信號Vin和VCO之間的瞬時頻率差為零。因此:

由于ωset和K都是基于已知的儀器設(shè)置,輸入的頻率可以根據(jù)VVCOinput來計算。同時,ωset在時間t的累積相位可以表示為

輸入信號的累積相位可以用來近似表示。這里我們把K?Vvcoinput項定義為ωdiff。

因此,輸入信號和參考信號(振蕩器在設(shè)定的頻率下)之間的累積相位差可以通過測算環(huán)路的頻率差/誤差信號積分獲取。

這種方法為相位檢測提供了一個原生的相位解包支持,使輸出與相位差呈線性關(guān)系。輸入信號的瞬時頻率也通過進(jìn)行測量。此外,相位表有一個內(nèi)置的二級振蕩器來計算輸入信號的振幅,類似于一個雙相鎖相放大器。除了來自環(huán)外積分器的相位,相位表的輸出可以被設(shè)置為直接從數(shù)控振蕩器(NCO;它可以被認(rèn)為是數(shù)字的VCO)生成輸入信號的正弦鎖相副本,具有任意的振幅和可調(diào)相位。另一方面,輸入和NCO之間的穩(wěn)定鎖定是PLL正常運(yùn)行所必須的,不連續(xù)的輸入可能會導(dǎo)致測量中斷。由于這個原因,PLL在非常低的頻率上保持穩(wěn)定的鎖定更具挑戰(zhàn)性,相位表對比于鎖相放大器在低載波頻率邊界更受限制,因此不建議用于測量接近輸入本底噪聲的信號。

應(yīng)用中考量因素和演示

在本節(jié)中,我們將通過演示討論在對Moku鎖相放大器和相位表之間進(jìn)行選擇時的一些實(shí)際注意事項。

相位檢測的線性動態(tài)范圍

鎖相放大器和相位表的關(guān)鍵區(qū)別之一是相位檢測的線性動態(tài)范圍。單相鎖相放大器的相位線性動態(tài)范圍小于π,雙相鎖相放大器則將這一極限推至2π。理論上,相位表可以跟蹤無限的相位變化。在實(shí)踐中,實(shí)際檢測范圍受用于表示相位的數(shù)字位長度的限制,在Moku:Pro上大約是16,000,000π。

在這個演示中,通過多儀器模式(MIM)(點(diǎn)此詳細(xì)了解MIM)同時開啟波形發(fā)生器、鎖相放大器、相位表和示波器功能。一個10MHz的相位調(diào)制信號以單相和雙相模式輸入Moku:Pro的鎖相放大器和相位表。相位檢測的輸出通過示波器進(jìn)行記錄。

1655953411886673.png

圖3:Moku:Pro上的MIM設(shè)置,用于測試不同相位檢測器的線性動態(tài)范圍。

歸一化的相位輸出(作為模擬信號)繪制成圖4中相移的函數(shù)。從圖4(a)來看,雙相解調(diào)模式下的相位表和鎖相放大器都在360°范圍內(nèi)提供線性相位響應(yīng)。單相模式下的鎖相放大器只提供了90°內(nèi)的近線性響應(yīng)。雙相解調(diào)器將相位包裹在±180°,而PLL在整個720°的相位移動范圍內(nèi)持續(xù)線性輸出(圖4(b))。

微信圖片_20220623102056.png

圖4:Moku相位表的輸出,鎖相放大器在單、雙相位模式下的輸出在(a)360°和(b)720°的相移的函數(shù)。

使用相位表和鎖相放大器測量兩個外部信號之間的相位差

對于測量兩個振蕩信號之間的相對相移的應(yīng)用,鎖相放大器提供了一個更直接的檢測方式。用戶可以通過Moku鎖相放大器直接輸入一個參考信號作為本地振蕩器來解調(diào)兩個信號間的相位差。相位表的操作則需要一個板載振蕩器作為絕對頻率參考,因此檢測的相位為信號與板載振蕩器的相位差。

在這個演示中,一個頻率調(diào)制(FM)的不穩(wěn)定信號被送入鎖相放大器作為信號和參考,而相位表作為信號,如圖5(a)所示。在圖5(b)中,調(diào)頻引起的相位波動只在相位表(紅色)上觀察到,鎖相放大器的輸出保持不變(藍(lán)色)。鎖相放大器的輸出為調(diào)頻信號與其本身的實(shí)時相位差,因此是固定沒有波動的。相位表檢測的結(jié)果為調(diào)頻信號與板載振蕩器間的實(shí)時相位差,因此檢測到的是調(diào)制的載波。

1655953449205856.png

圖5:(a)一個調(diào)頻調(diào)制信號被接入到相位表的信號輸入通道,以及鎖相放大器的信號和參考輸入。(b)示波器上的相位表(紅色)和鎖相放大器(藍(lán)色)的輸出。

在此有兩種方法可以用相位表測量兩個振蕩器之間的相對相位差。1)兩個輸入信號之間的相位差可以通過??1-??2,來計算,其中??1,2 代表輸入到一個共同參考的相位差。圖6中顯示了一對具有180°相移的鎖相正弦波使用相位表內(nèi)置的數(shù)據(jù)記錄監(jiān)測用來記錄??1 (紅色)、??2 (藍(lán)色)和??1-??2(橙色)。在兩個輸入通道上可以觀察到恒定的相位漂移,但數(shù)學(xué)通道提供了輸入之間的正確相位差。


1655953470398685.png

圖6:一對具有180°相移的正弦波被接入相位表。數(shù)學(xué)通道中繪制出??。

2) Moku:Lab和Moku:Pro的主時鐘可以通過一個10 MHz的參考信號進(jìn)行同步。如果參考振蕩器可以與10 MHz同步,這就使得Moku:Pro上NCO的時基與參考相同。然而,時基同步并不能捕捉到參考NCO的任何參數(shù)調(diào)整(比如參考源是有目的地進(jìn)行頻率調(diào)制的)。另外,用于捕捉10MHz參考的PLL可能會給系統(tǒng)帶來額外的噪聲。除非需要通過模擬通道輸出實(shí)時差異,否則不推薦使用這種方法。

測量接近本地噪聲的信號

相位表要求輸入信號和本地振蕩器之間有穩(wěn)定的鎖定。Moku相位表有幾個內(nèi)置的安全機(jī)制來防止意外的變化對測試造成影響。例如,當(dāng)鎖定丟失時,"飛輪"選項會自動將環(huán)路保持在最后的已知狀態(tài)。另一方面,鎖相放大器的輸出在任何時候都是確定的。為了演示這一效果,一個正弦相位調(diào)制的信號被同時輸入到鎖相放大器和相位表上。然后,輸入信號被切斷約兩秒鐘,再打開。兩個相位檢測器的輸出通過示波器進(jìn)行記錄。從圖7中可以看出,重新連接信號后,相位表的輸出(紅色)急劇漂移。鎖相放大器的輸出(藍(lán)色)在信號斷開時保持在0,之后立即恢復(fù)到預(yù)期值。

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圖7:示波器上記錄了相位表(紅色)和鎖相放大器(藍(lán)色)在信號突然丟失后的輸出。

總結(jié)

Liquid Instruments的Moku:Lab和Moku:Pro的相位表和鎖相放大器是為靈敏的相位檢測應(yīng)用提供的兩種軟件定義的儀器功能。相位表的閉環(huán)方法提供了特殊的線性動態(tài)范圍,同時提供輸入的頻率、相位和振幅信息。鎖相放大器算法相對簡單,可以提供更快的響應(yīng)速度,并且輸出結(jié)果更容易預(yù)測??梢酝ㄟ^在Moku:Pro上部署多儀器并行,最多對四個輸入在八個頻率上進(jìn)行相位檢測,是多通道相位檢測和鎖相環(huán)應(yīng)用的理想解決方案。

審核編輯:符乾江

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