基于FPGA的高精度相位可控DDS的设计与实现

摘要

直接数字频率合成技术是一种全新的、完全数字化的频率合成技术，它是继直接频率合成、锁相环频率合成技术之后的又一次革命。其应用于仪表技术、雷达、卫星授时与遥控遥测等诸多领域。随着微电子技术的飞速发展以及器件工艺水平的不断提高，直接数字频率合成器（DDS）已然成为频率合成领域里的翘楚。其具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位变化连续以及相噪低、易集成等诸多优点，特别是高分辨率与高切换速度是传统频率合成器无法企及的。
　　本文利用FPGA实现三路DDS，将铷原子钟提供的一路10MHz基准信号扩展为两路10MHz信号与1路5MHz信号，其精度保持不变。一个典型的DDS由相位累加器、波形存储器、数模转换器与低通滤波器构成。本课题为了高精度卫星授时系统中实际应用，能够驱动TTL电平，遂还增加了倍频电路与输出驱动电路等模块。
　　本文首先对频率合成的历史发展作了概述，然后详细叙述了DDS的原理和结构,分析了其性能指标，对相位截断误差、幅度量化误差与数模转换器的非线性误差所引入的杂散问题进行了分析讨论，并提出了几种比较实用的杂散抑制方法。接着对DDS输出信号的频谱进行了简要分析。随后对选用的Xilinx公司的X3S1400AN-FGG676芯片进行了简要介绍。重点介绍了基于FPGA的DDS的具体实现方法与整个系统的完整硬件电路的设计方案；给出了每个软件模块的RTL视图与各个硬件电路模块的原理图。最后对设计成品用相关仪器进行了测试，并给出了测试结果。
　　测试结果显示，其输出信号的1秒频率稳定度为1.6×10-11,10秒频率稳定度可达到3.6×10-12，说明利用铷钟的高稳定信号输入，通过FPGA芯片设计的DDS分频，完全能够获得高稳定度的频率源。

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1 绪论

1.1 频率合成技术的发展状况

1.2 DDS的应用

1.3 基于FPGA实现DDS系统的解决方案

1.4 本文研究的主要内容与结构

2 直接数字频率合成器的理论分析

2.1 DDS的基本原理

2.2 DDS的基本结构

2.3 频率合成技术的性能指标

2.4 DDS杂散源分析

2.5 本章小节

3 基于FPGA的DDS的设计

3.1 FPGA简述

3.2 DDS的模块化设计

3.3 NCO各个电路模块仿真

3.4 频谱分析

3.5 本章小结

4 高精度DDS硬件电路设计

4.1 硬件电路总体方案

4.2 铷钟信号输入电路设计

4.3 倍频电路设计

4.4 FPGA外围电路设计

4.5 DAC电路设计

4.6 滤波电路设计

4.7 输出驱动电路设计

4.8 本章小节

5 DDS的实现与测试

5.1 DDS的实现

5.2 测试与结果分析

5.3 本章小节

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

附录

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢