この技術論文では、Moku:Proのマルチインストゥルメントモード（MIM）を用いた位相同期回路（PLL）の実装と検証の概要を説明します。読者は、Moku ProのMiMとそのユーザーインターフェースの機能、そして広く実装されているシステムであるPLLの性能をテストおよび検証するMokuの強力な機能について理解を深めることができます。
Moku:Proは、単一のFPGAベースのハードウェアプラットフォーム上で複数の計測器を実行できるInstrument-on-Chip（IoC）テストシステムです。マルチ計測器モードにより、従来は個別のハードウェアボックスまたはモジュールで構成されていたテスト機器システム全体を、単一のMoku:Pro上で実現できるようになりました。FPGAの動的再構成を利用することで、システム内の他の計測器に影響を与えることなく、計測器を個別にホットスワップできます。さらに、計測器を相互接続し、それらの間の信号のやり取りはFPGA内のデジタル領域のみで行うことができます。これにより、超低レイテンシで高データレートを実現し、個別のハードウェアモジュールまたは計測器間のアナログ-デジタル変換やデジタル-アナログ変換で通常発生するSNRの低下を回避できます。
マルチインストゥルメントモードは、Moku:Pro の汎用性を大幅に拡張し、IoC 機能の可能性を実現します。
マルチインストゥルメントモードアーキテクチャ
図１は、複数の機器システムを構築する開始点を示しています。 Moku:ProのFPGAは４つの計測器スロットに分割されています。各スロットは Moku:Pro 内の UltraScale+ FPGA 内のセグメントを表し、それぞれが Moku:Proのアナログ入力および出力にアクセスできます。信号は、FPGA を離れることなくデジタル領域でこれらの機器間で受け渡されるため、ロスが無く、確定的なナノ秒レベルのレイテンシが実現されます。ユーザーは、Moku:Proの個々の計測器をこれらのスロットに柔軟に配置できます。たとえば、スペクトラムアナライザ、オシロスコープ、周波数応答アナライザ、PIDコントローラを同時に、お好きな組み合わせで導入できます。
位相同期回路
位相同期回路（PLL）は、入力信号の位相を追跡し、これを使用して出力信号の周波数を制御し、周波数を効果的にロックするシステムです。これは、研究開発から設計、プロトタイピング、テストエンジニアに至るまで、さまざまな用途で役に立ちます。たとえば、PLLはラジオ受信機やその他の電気通信の基本コンポーネントです。コンピュータに安定したクロックの提供、クロックの同期、ソース信号の倍数の周波数生成 (周波数合成) を行います。
最も基本的なPLLは、位相検出器と、それに続くローパスフィルターおよび電圧制御発振器（VCO）です。 VCO は、入力電圧に比例した周波数出力を提供します。
位相検出器は、外部クロックと基準発振器または局部発振器の2つの入力を受け取ります。位相検出器（PD）の出力は、入力クロックの位相差に依存する電圧で、VCOの駆動に使用されます。PDにはさまざまな実装方法があります。例えば、周波数ミキサー（または復調器）を使用できます。ただし、この方法には周波数スプリアスや高調波が発生するという欠点があり、ローパスフィルタの要件が厳しくなり、ロック時間やキャプチャ範囲が狭まる可能性があります。PDの代替実装として、デジタル方式の位相周波数検出器があります。Moku:ProのPhasemeterは、高精度（6μラジアン/√Hz）のデジタル位相検出器の一例です。
Moku:Pro 位相同期回路の実装
位相検出器
Moku:ProにPLLを実装し、動作を検証していきます。
まず、ロックインアンプ（LIA）には復調段とローパスフィルタがあることに留意してください。Moku LIAはXY出力を振幅と位相（r-Φ）に変換できるため、LIAを位相検出器として使用できます。図3は、Mokuロックインアンプのユーザーインターフェースを示しています。局部発振器を50MHzに設定し、復調器に続いてローパスフィルタ（1kHz）、直交波から極座標への変換、そして最後にゲインとオフセット関数が接続されています。極座標変換の位相出力はOut Aに供給され、位相測定に使用されます。
電圧制御発振器
電圧制御発振器（VCO） は、波形発生器を使用して Moku:Pro に実装されます。 Moku 波波形発生器は、さまざまなソースからの出力を変調できます。たとえば、変調ソースは、別の波形発生器、内部ソース、または機器への入力にすることができます。図４は、波形発生器のユーザーインターフェイスを示しています。 VCOを実装するには、変調源を入力 A に設定して周波数変調 (FM) 正弦波を生成するように波形ジェネレーターを構成します。変調深度は +- ５０ kHz/V に設定されており、これが最終的に最大キャプチャ範囲を決定します。
マルチインストゥルメントモードのインストゥルメント間バスは2Vppなので、FM偏移の最大値は+/- 50kHzです。また、搬送波が50.05MHzに設定されていることにも注目してください。これは、ロックインの局部発振器（LO）の50MHzから50kHzの偏移であるため、この例ではFM偏移の全範囲が必要になります。
マルチ機器モードの設定
次に、マルチインストゥルメントモードを設定します。図1の空白の設定から始めて、MiMを図5のように設定します。
スロット１には LIA (PD 機能) が含まれています。スロット２にはFM波形発生器 (VCO) が使用されています。 VCO の出力は内部バス #２に駆動され、ロックインアンプ (PD) の入力A にループバックされます。
時間領域と周波数領域の両方で PLL の動作を観察できると便利なため、オシロスコープをスロット３に、スペクトラムアナライザをスロット４に配置しました。どちらもバス１ (PD リファレンス LO) とバス２を観察するように設定されています。 (FM WG または VCO 出力)。 3 つの機器はすべて同時に独立して動作します。これは、PLL の動作を調べるのに便利な設定です。ほとんどのアプリケーションでは、VCO が LO を供給し、ADC を介して外部から LIA の入力 A に供給される信号にロックするのが一般的です。
位相同期回路の動作
初期設定では、ロックインアンプの出力Aはオフに設定されています。つまり、PD出力は無効になり、波形発生器（WG）は50.05MHzのFM信号を出力します。図6は、スロット1に挿入されたLIAのユーザーインターフェースです。内蔵オシロスコープには、50MHzのLOと、入力A（WG出力）に50.05MHzで入力されている信号が表示されています。これらの信号はロックされておらず、入力位相はリファレンスLOを常に通過しています。
図７は、PLL のロック解除ステータスを確認するスロット３オシロスコープのユーザーインターフェイスです。 VCO とリファレンスの周波数は５０ kHz 離れており、オシロスコープのデータ ウィンドウには +/- １８０ 度で変動する位相デルタが表示されます。
図8は、PLLがロックされていない状態でのスロット4のスペクトラムアナライザを示しています。チャネルAのLOは50.000MHz、VCO出力は50.051MHzで、安定した固定周波数オフセットとなっています。
位相同期回路のロック
ここで、Out Aを１ 回タップしてロックインアンプ出力を有効にします。ロックインアンプ出力は、LOとVCO出力間の瞬間的な位相誤差を表すエラー信号を駆動します。 WG (VCO) が応答し、WG出力がLOを追跡している間、ループがロックされます。
図9は、スロット3のオシロスコープで、16.65つの正弦波がロックされ、LOとVCO間の位相差が平均20度、標準偏差が10049ミリ秒（n=1.017）と安定していることを示しています。注目すべきは、チャネルA/red（LIAからの基準LO）の周波数標準偏差が50MHzで3.229Hzであるのに対し、VCOの標準偏差は1Hzであることです。これは、VCO出力の生成における量子化誤差によるものと考えられます。これをさらに詳しく調べるために、FM変調度の範囲、つまり制御ループゲインの範囲でVCO出力周波数のσを記録しました。結果を表10と図XNUMXに示します。
変調深度が深くなると (ボルトあたりの FM 偏移が高くなります)、ロック帯域幅は広くなりますが、ゲインは低くなります。 データはこれを裏付けており、ロック帯域幅を狭くするとロックの精度が向上することを示しています。 10kHz/V では、σ (fvco) は σ (fc) に近くなります。この PLL のパフォーマンスは、Moku:Pro の位相計の精度を使用して将来のテクニカルノートでさらに詳しく調査されます。
図 11 では、スロット 4 のスペクトラム アナライザは、VCO と LO が 50.0002 MHz にロックされていることを示しています。200 Hz のオフセットは、スペクトラム アナライザとオシロスコープの測定アルゴリズムの違いによるものと考えられます。
図 11: ロックされたPLLを使用したスペクトラムアナライザ
結論
Moku:Proのマルチインストゥルメントモードでは、非常に柔軟なインストゥルメント構成が可能で、最大4つのインストゥルメントを同時に配置できます。各インストゥルメントは同時に、かつ互いに独立して動作します。
このテクニカルノートでは PLL を実装しました。これにより、VCO (Moku:Proの波形発生器よる実装) がロックインアンプの内部基準に設定されました。これはPLLの原理と直感的な Moku:Proユーザーインターフェイスのデモですが、典型的なアプリケーションには、無線搬送波などのわずかに未知の周波数の外部信号 (Moku:ProのADC を介してサンプリングされた) へのロックが含まれます。ロックされた信号は、DACを介して外部からMoku:Proに駆動される可能性があります。
直感的なユーザーインターフェイスにより、この実験を数分で実行し、高速ロック時間とロック範囲 (+/- ５０kHz) を観察することができました。 PLLのロックを時間領域と周波数領域の両方で観察し、オシロスコープのデータロギングを使用して、PLLの周波数の標準偏差を含む統計を記録しました。
このような柔軟なテストプラットフォームで有効なアプリケーションは数多くあります。このノートと実施例は、Moku:Pro １台で完結していますが、PDまたはVCOエレメントをテスト対象の外部システムとすることも可能です。さらに、この例は、ハードウェアにコミットする前に、Mokuハードウェアを使用して設計パラメータを評価し、設計案を評価するために使用することもできます。
詳細については、こちらから マルチインストゥルメントモード.
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