锁相环倍频器和分频器的应用案例

▍应用白皮书

Moku设备中集成了强大的数字锁相环（PLL）技术，可自动跟踪输入信号频率, 从而完成两个信号相位同步、频率自动跟踪的功能。该技术已经应用于Moku的锁相放大器和激光锁频稳频仪器功能中，用于产生锁相解调信号；并在相位表功能中；用于测量信号的实时相位、频率和振幅。关于Moku锁相环的详细工作原理请参考这篇应用说明。

在2.5版本的软件更新中，Moku进一步增强了数字PLL的功能。Moku现在不仅可以生成与外部参考同频的锁相正弦信号，还可以生成该频率的倍数或除数。在本白皮书中，我们将展示关于这一功能的应用案例。

图1：Moku的PLL简化框图。倍频器和分频器的功能是由Moku的压控振荡器路径输出的。

▍锁相放大器谐波解调

PLL是Moku锁相放大器的一个重要组成部分，用于锁定外部参考，并为双相解调生成参考信号。有了新的倍频器和分频器功能，锁相放大器现在可以实现基于外部参考的一个或多个谐波或分频信号的同步解调。

为了验证这一点，我们在Moku:Pro上选择多仪器并行模式，并配置了两个锁相放大器，如图2（a）所示。如图2(b)所示，第一个锁相放大器设置为在参考信号的基本频率上解调，而第二个则设置为在参考信号的二次谐波上解调。解调后的振幅（R）可以用示波器（插槽3）进行观测和比较。用Moku:Lab生成一个10MHz的方波作为测量目标信号，连接到Moku:Pro的输入1；同时生成一个10MHz的正弦波作为参考信号，连接到Moku:Pro的输入2。

图2：（a）用于演示多谐波解调的多仪器并行模式设置。(b) 第二台锁相放大器的PLL设置，用于解调二次谐波。

方波占空比为50%且只由奇数次谐波组成，因此，在图3a中，第一个锁相放大器探测到了很强的基波频率分量（红色轨迹），而第二个锁相放大器在二次谐波分量上的检测信号很弱（蓝色轨迹）。然而，随着占空比的增加，二次谐波分量也将开始增加。这在图3b中可以观察到，占空比的增加导致二次谐波的信号强度增加，而基波的信号强度则相应减少。

图3：（a）两个锁相放大器在50%占空比时测量的基频（红色）和二次谐波（蓝色）的振幅。(b) 随着占空比的增加，测量到的二次谐波的振幅也在增加。

▍产生锁相信号

这一新功能让参考信号的谐波和次谐波的生成变得更加容易。通过相位表功能，用户可以锁定输入信号的基本频率，并在0.125倍精度的基础上，可生成高达该信号250倍的倍频锁相正弦波，低至0.125倍的分频锁相正弦波。这可用于在特定的谐波外差检测中本地振荡器信号的生成，或跨时钟域相位同步的建立。

为了演示这一功能，我们将使用一个相位表来锁定一个频率调制信号，并生成一个频率为中心频率64倍的锁相信号。多仪器并行模式的设置如图4a所示：在插槽1中配置一个波形发生器，用于生成原始的调频信号（中心频率为1MHz，调制深度为1kHz，调制频率为100mHz）；插槽2中的相位表用于与原始调频信号进行相位锁定，并输出频率为64倍的锁相信号；插槽3中的示波器用于信号监测和比较。

图 4：(a) 多仪器并行模式配置用于相位表倍频器生成锁相信号。(b) 插槽2中相位表的设置。

图5显示了原始调频信号和倍频信号的对比。通道A显示的是来自波形发生器的1MHz的信号，而通道B是倍频后64MHz的信号。由于相位表被设定为锁定在调频信号的中心频率上，所以只有中心频率被乘以64倍，保留了100mHz的调制频率。

图5：示波器测量到的信号对比，其中红色轨迹显示的是1MHz的原始调频信号，蓝色轨迹显示的是64MHz的倍频锁相信号。由于这两个信号的相位是锁定的，因此显示出相同的频率调制。

▍总结

Moku的PLL中新增的倍频器和分频器，进一步增强了Moku锁相放大器、激光锁频/稳频和相位表的性能。这一功能解锁了Moku检测和输出倍频信号的能力，其范围高达250倍或低至0.125倍，使得Moku可应用于更广泛的实时闭环控制应用中，如激光锁定到边带或高次谐波。现在您只需要更新Moku应用程序至2.5.0版本，即可免费获取这些最新的功能。