锁相环

锁相环 (PLL) 是闭环负反馈控制系统,它能够将两个周期性信号的相位保持在确定的相位关系中。因此, 锁相环用途非常广泛, 包括用于测量和跟踪信号频率、提取原始信号的给定频率分量并在同时消除噪声和杂散分量, 或者基于输入信号合成新信号。
此外, 锁相环可向外部系统提供反馈, 以在传递函数的某些点 (例如共振时) 提供驱动, 或者通过跟踪拍频来实现两个外部振荡器的同步, 后者在光学锁相环中较为常见。由于用途多样, 锁相环广泛应用于物理和工程领域, 例如扫描探针显微镜、MEMS、NEMS 与谐振器、电子工程、光学与光子学。

联系我们

探索锁相环的模块

鉴相器

鉴相器接收两个周期性输入信号并输出

两者的相对相位差。通常, 在两个输入

信号中, 其中一个信号由锁相环内部生

成, 如图中左半边所示。

PID 控制器

PID控制器从自定义的设定点中减去相

位差, 生成误差信号。随后, 从误差信号

中计算出反馈信号, 由三个值组成, 即比

例 (P)、积分 (I) 和导数 (D)。

可调信号源

该组件接收来自 PID 控制器的反馈信号,

并在此基础上调频, 以改变鉴相器的相

位差, 使其符合 PID 的设定点。通常情

况下, 可调信号源可以是数字或压控振

荡器 (NCO 或 VCO), 不过, 整个激光系统

也可以充当信号源。

探索锁相环配置

根据频率参考类型和反馈提供来源, 我们介绍了三种不同的锁相环配置示例。鉴于瑞士苏黎世仪器的锁相环可以解决所有这些示例, 并可根据需要进行快速调整, 因此, 所有示例的讨论均以此作为参考。

跟踪外部频率参考

该配置的目的是跟踪特定频率, 也就是将其映射到仪器的数值振荡器。这可应用于锁相放大器, 实现在外部参考频率下进行解调。在大多数情况下, 该配置可自动实现上述功能, 但当应用的频谱提供太多峰位时, 为确保始终跟踪正确的频率, 可通过手动设置来限制锁相环

工作的频率范围。该配置不仅仅用于频率跟踪和外部参考模式。通过将内部振荡器锁定到外部参考, 还可在跟踪频率下生成无抖动和无杂散的信号。因此, 对于需要频谱滤波的应用, 该配置非常有用。通过该配置进行全数字实现的另一项优势是, 可以对跟踪频率做乘法或除法, 在其谐波和比率 (n/m) 下生成内部参考。这样的话, 便可基于同样的外部频率参考, 开发进一步的测量方案。

以可变共振频率驱动设备

锁相环可用于以共振频率或另一传递函数点驱动设备。例如, 锁相环常用于在共振时驱动振动惯性设备 (如 AFM 悬臂)和微纳米机械系统 (MEMS/NEMS), 包括 MEMS 陀螺仪和加速度计, 实现共振增强和测量响应线性化等优势。锁相环可确保始终在同一工作点驱动设备, 即

使设备共振频率随时间不断变化。

在该配置中, PID 控制器反馈到内部振荡器, 同时提供信号以在正确的工作点驱动设备。在优化锁相环参数方面, 需要特别注意回路滤波器带宽。设置的带宽越高, 锁相环对设备响应变化的反应越快。在快速变化和干扰的情况下, 运行会较为稳定, 但相比在低反馈带宽下运行, 也引入了更多噪声。因此, 用户需要根据应用要求和运行条件, 作出最佳权衡。

为了迅速找到最佳参数组, 瑞士苏黎世仪器的锁相环配备了 LabOne 软件, 其中包括 PID Advisor 功能, 可协助用户进行设置。该功能提供整个设置的模拟阶跃响应和传递函数, 以帮助设计稳健的闭环运行。PID 参数还可通过自动调谐程序进一步优化, 以最大限度减少 PID

残差。

整个回路的数字实现和 PID Advisor 简化了工作流程, 让用户可在更广泛的条件下配置和维护反馈回路。例如, 利用瑞士苏黎世仪器的锁相环, 可轻松配置锁定设备的不同共振, 即使每个共振都有自己的传递函数。此外, 数字 PLL 对锁定频率做乘法或者除法的能力在该配

置中也很有用, 例如, 当需要参数化驱动时, 用于表征设备的非线性或实现参数反馈冷却。

对外部振荡器进行反馈

在上图配置中, 锁相环将其内部振荡器的频率映射到外部系统。这通常适用于需要多个设备同步运行的大型系统, 例如多激光系统 (如光学 PLL)或原子钟。在此类系统中, 尽管各个元件的实施过程可能截然不同, 但整个系统通常可看作一个压控振荡器 (VCO), 其中, 输入电

压的变化会导致输出频率的变化。

锁相环对该输出频率进行跟踪, 并通过向系统提供反馈信号, 使系统与其内部振荡器保持同步。解调器的频谱滤波结合模拟电压信号的可编程输出限制器, 有助于在所需的频率分量下稳定工作, 即使在失锁情况下重新锁定后也能保持稳定。此外, 即使积分器进入饱和状态,

系统也不会以任何超限值驱动, 从而保证安全运行。

对于该配置而言, 以下两项功能特别重要:

D 增益低通滤波

在许多情况下, 引入 D 增益可加快回路的响应速度。然而, 这通常会由于高频增益的增加而引发不稳定。在 D 支路引入可调低通滤波, 有助于稳定利用 D 增益。

相位展开

通过锁相放大器进行相位检测, 受arct2(y/x) 函数限制, 检测范围通常仅在±π 范围内。这限制了锁相环的"跟踪范围", 而且存在外部噪声的情况下, 运行稳定性也会受到限制。在数字域, 通过应用"相位展开"可以相对容易地打破这一限制, 从而进行超出限制的相位检测,

并相应地保持跟踪。我们的仪器支持高达 ±1024π 的捕获范围。

多个锁相环的应用

除了控制频率之外, 有可能还需要控制信号的振幅, 因此需要增加一个 PID 控制器。常见的示例包括自动增益控制(AGC), 如图所示。锁相环下方的 PID 控制器根据用户定义的设定点控制着驱动信号的振幅。采用级联或并行运行控制回路的类似配置包括:

MEMS 陀螺仪的力再平衡 (FTR) 控制。

压电力显微镜的双频共振跟踪 (DFRT)。

开尔文探针力显微镜的 FM-KPFM。

用于光学应用的干涉仪稳定。

锁相环在锁相放大器中的应用

瑞士苏黎世仪器的所有 PLL 都基于同样的原理, 即以多个数控振荡器作为信号源, 在 FPGA 上进行数字信号处理。PLL 的鉴相器就是锁相放大器的双相解调器, 其带有一个低通滤波器, 可以滤除各种不必要的频谱分量。

向 PID 控制器提供纯净的信号可提高锁相环的稳定性。瑞士苏黎世仪器的锁相环是锁相放大器的升级选件, 可以与其他内置功能 (如反馈控制器、解调器以及数据采集和分析工具) 并行运行。单台仪器既可以实现基本的锁相环配置, 也可以实现更复杂的测量和控制方案。要更详细了解锁相放大器和相位检测, 请查看白皮书。