基于FPGA的高精度相位可控DDS的设计与实现

发布时间：2017-10-23 11:38

  本文关键词：基于FPGA的高精度相位可控DDS的设计与实现

  更多相关文章： 直接数字频率合成器 高精度频率 相位可控 铷原子钟

【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。
【关键词】：直接数字频率合成器 高精度频率 相位可控 铷原子钟
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN741
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 频率合成技术的发展状况10-12
• 1.1.1 直接模拟频率合成10
• 1.1.2 锁相频率合成10-11
• 1.1.3 直接数字频率合成11-12
• 1.2 DDS的应用12-13
• 1.3 基于FPGA实现DDS系统的解决方案13-14
• 1.4 本文研究的主要内容与结构14-15
• 2 直接数字频率合成器的理论分析15-30
• 2.1 DDS的基本原理15-18
• 2.2 DDS的基本结构18-24
• 2.2.1 相位累加器18-20
• 2.2.2 波形存储器20-21
• 2.2.3 数模转换器21-23
• 2.2.4 低通滤波器23-24
• 2.3 频率合成技术的性能指标24-25
• 2.4 DDS杂散源分析25-28
• 2.4.1 相位截断误差分析25-26
• 2.4.2 幅度量化误差分析26-27
• 2.4.3 DAC转换误差分析27-28
• 2.5 本章小节28-30
• 3 基于FPGA的DDS的设计30-50
• 3.1 FPGA简述30-34
• 3.1.1 FPGA的选择30-31
• 3.1.2 Spartan-3AN的结构与特点31-32
• 3.1.3 FPGA的设计流程32-34
• 3.2 DDS的模块化设计34-43
• 3.2.1 相位累加器模块设计34-35
• 3.2.2 波形存储器模块设计35-42
• 3.2.3 频率控制器模块设计42-43
• 3.2.4 相位控制器43
• 3.3 NCO各个电路模块仿真43-47
• 3.3.1 相位累加器仿真43-44
• 3.3.2 象限选择器仿真44
• 3.3.3 符号取反器仿真44-45
• 3.3.4 频率控制器仿真45-46
• 3.3.5 相位控制器仿真46
• 3.3.6 NCO仿真46-47
• 3.4 频谱分析47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 4 高精度DDS硬件电路设计50-64
• 4.1 硬件电路总体方案50
• 4.2 铷钟信号输入电路设计50-52
• 4.3 倍频电路设计52-53
• 4.4 FPGA外围电路设计53-54
• 4.5 DAC电路设计54-56
• 4.6 滤波电路设计56-61
• 4.7 输出驱动电路设计61-63
• 4.8 本章小节63-64
• 5 DDS的实现与测试64-69
• 5.1 DDS的实现64
• 5.2 测试与结果分析64-68
• 5.2.1 输出电平65
• 5.2.2 频率分辨率65-66
• 5.2.3 谐波与杂散66-67
• 5.2.4 功耗67-68
• 5.3 本章小节68-69
• 6 总结与展望69-71
• 6.1 总结69
• 6.2 展望69-71
• 附录 1：DDS数控部分原理图71-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果75-76
• 致谢76-77

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 方洪俊;;一种宽频带、高速频率合成方法的研究[J];无线电工程;2000年08期

2 李兆训;现代通信中的频率合成新技术[J];电子产品世界;2002年18期

3 周杰,吕良飞,栾宝宽,董茂林;一种数字式频率合成环路的设计与应用[J];电子工程师;2002年07期

4 周登荣;;频率合成解决方案[J];攀枝花学院学报;2006年04期

5 房启志;张盱昊;罗海明;耿爽;;基于数字补偿的快速频率合成方法的研究[J];沈阳航空工业学院学报;2007年01期

6 董继承;黄宇;;频率合成方案浅析[J];科技资讯;2007年16期

7 姜涛;;频率合成方法与实现[J];中华文化论坛;2008年S1期

8 付聪;;应用于某雷达射频前端的频率合成模块设计[J];大众科技;2010年03期

9 成华强;;锁相环在捷变频率合成中的应用[J];电子质量;2010年07期

10 胡仁深;数字式频率合成的一种新方法[J];电讯技术;1983年02期

中国重要会议论文全文数据库 前7条

1 丁宗文;李铭祥;葛建民;;一种新的锁相式频率合成源的实现[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年

2 方立军;马骏;龚晓凌;;雷达低噪声锁相频率合成[A];中国电子学会第七届学术年会论文集[C];2001年

3 周东明;卢中昊;李高升;何建国;;P波段瞬态极化雷达频率合成控制组件设计[A];2009年全国微波毫米波会议论文集（下册）[C];2009年

4 张显满;;利用声体波器件实现频率合成[A];1991年全国微波会议论文集（卷Ⅱ）[C];1991年

5 管弘;纪华;汪海勇;纪晨华;黄丽芳;龙程;宋伟霖;;1MHz～26.5GHz宽带频率合成信号源[A];2003'全国微波毫米波会议论文集[C];2003年

6 纪晨华;刘同贺;纪华;;1MHz～26.5GHz宽带频率合成信号源ALC稳幅技术的探讨[A];2003'全国微波毫米波会议论文集[C];2003年

7 黄蕾;王祝盈;陈小林;谢中;;改善直接数字频率合成信号质量的研究[A];2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集（下册）[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 浙江 陈军伟;自制宽频带频率合成寻呼码发生器[N];电子报;2002年

2 四川 杨虹;ZN-0112调频立体声发射机及锁相环频率合成单元电路剖析[N];电子报;2002年

3 山东 郑茂欣;频率合成器信号源[N];电子报;2006年

4 武汉 叶启明;自制两功能逻辑笔[N];电子报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 詹铭周;小型毫米波频率合成技术研究[D];电子科技大学;2011年

2 陈海琴;光学频率合成关键技术研究[D];华东师范大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 贺双;低相噪频率合成模块的研究与实现[D];电子科技大学;2015年

2 雷鑫;基于FPGA的数字锁相环与直接数字频率合成器设计与实现[D];电子科技大学;2014年

3 王文超;合成源信号产生与控制模块设计[D];电子科技大学;2014年

4 宗慎言;一种面向微型核磁共振的射频发射电路研究[D];东北大学;2014年

5 杨鉴;声光信号处理测试系统硬件的设计与实现[D];电子科技大学;2015年

6 王宁;基于FPGA的多波形信号源研究和仿真[D];河北科技大学;2015年

7 刘超;10MHz-6GHz频率源研究[D];电子科技大学;2014年

8 彭昭;基于FPGA的直接数字频率合成器的设计[D];电子科技大学;2015年

9 王灵东;光纤频率传输中频率合成模块的设计与实现[D];上海交通大学;2015年

10 王晋伟;基于FPGA的高精度相位可控DDS的设计与实现[D];中北大学;2016年

，

本文编号：1083211