基于STM32的雙通道石英晶體信號源設計

摘 要： 介紹了一種雙通道石英晶體測試系統(tǒng)中信號源的設計方法，整個系統(tǒng)以直接數(shù)字頻率合成技術為核心，以高穩(wěn)定度恒溫晶振為參考時鐘，使用 ARM微控制器實現(xiàn)對信號源的控制。該信號源具有4路輸出、輸出頻率范圍寬、頻率轉換速度快、頻率分辨率高的優(yōu)點，并且可以編程設定振幅、相位等，為石英晶體電參數(shù)測量提供了技術支持，提高了石英晶體測量的精度。測量統(tǒng)計結果表明：信號源輸出頻率精度高于±0.1 ppm，長期頻率穩(wěn)定度高于±0.1 ppm。

關鍵詞： 雙通道； 石英晶體； DDS； AD9959

中圖分類號： TN911.7?34；TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0097?03

Design of double?channel quartz crystal signal source based on STM32

CUI Li?feng， LI Dong， WANG Yan?lin

（Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： A design method of signal source in the double?channel quartz crystal testing system is introduced in this paper. The DDS （direct digital frequency synthesis） technology is adopted as the core of the whole system， a high?stability constant temperature crystal oscillator is taken as its reference clock， and an ARM micro controller is used to control the signal source. This signal source has the four output channels， wide output frequency range， fast frequency switching speed and high frequency resolution capacity， and can set the amplitude and phase by programming. This design provided technical support for measurement of quartz crystal electric parameters， and improved the accuracy of quartz crystal measurement. The measurement and statistical results show that the accuracy of the signal source output frequency is better than ± 0.1 ppm， and long?term frequency stability is better than ± 0.1 ppm.

Keywords： double?channel； quartz crystal； DDS； AD9959

0 引 言

石英晶體一般用于時間頻率基準，因此對其諧振頻率的一致性要求非常高。我國目前采用的石英晶體電參數(shù)測量方法——π網(wǎng)絡零相位法，也是國際電工委員會（IEC）推薦的石英晶體的標準測量方法。

網(wǎng)絡零相位法是將石英晶體置于網(wǎng)絡中，對石英晶體施加激勵信號，當石英晶體處于諧振狀態(tài)時，此時石英晶體等效為一電阻，在理想狀態(tài)下，網(wǎng)絡兩端信號的相位差為零，相位差為零時的激勵信號的頻率即為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率。

采用π網(wǎng)絡法測量石英晶體的諧振頻率對于信號源有著非常高的要求，而AD9959有4路輸出信號，可以滿足雙通道的測量要求，因此，本課題設計了基于STM32的AD9959信號源控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計方案

基于π網(wǎng)絡零相位測試方法的雙獨立通道石英晶體測試系統(tǒng)可同時測試2只石英晶體，其測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1中DDS信號源在ARM微控制器的控制下可輸出2路頻率、幅值可調的信號，經(jīng)放大后分別輸入到2個π網(wǎng)絡，2路獨立的鑒相電路用于檢測π網(wǎng)絡兩端的相位差，相位差信號經(jīng)ARM微控制器內部A/D采樣后進行判斷，當相位差為零時，石英晶體達到諧振，此時，DDS的輸出頻率即為石英晶體的諧振頻率。

ARM微控制器選用32位基于ARM核心的帶512 KB閃存的微控制器芯片STM32F103ZET6。STM32F103ZET6是ST（意法半導體）公司推出的ARM Crotex?M3產(chǎn)品線中功能最強大的一款CPU。 片內集成512 KB FLASH，64 KB RAM，1個USB，1個CAN，8個定時器，5個USART，3個ADC，2個DAC，3個SPI，2個I2C，2個I2S，1個SDIO，112個GPIO，F(xiàn)SMC總線（支持NOR，NAND，SRAM）。CPU主頻為72 MHz，廣泛適用于各種應用場合。

DDS是信號源設計的核心，本系統(tǒng)使用的AD9959是美國ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗DDS頻率合成器，支持最高500 MHz的主頻，可生成最高200 MHz的正弦波。芯片體積小、功耗低，可很容易地對信號實現(xiàn)全數(shù)字調制。AD9959內部集成了4個DDS核，可對4個通道分別編程，每個通道可以獨立調節(jié)輸出信號的幅值、頻率和相位。4個通道采用同一時鐘，并在結構上進行了優(yōu)化，最大程度上保證了4個通道信號的同步性，很適合用于生成多通道的振動臺的控制信號。

2 軟件設計

2.1 模式選擇

AD9959有4個串行數(shù)據(jù)引腳（SDIO_0：3），通過配置相應的寄存器可以有4種編程方式進行串行I/O操作，分別是單bit兩線模式，單bit三線模式，雙bit模式和四bit模式。

設置為單bit兩線模式時，SDIO_0為雙向數(shù)據(jù)引腳。設置為單bit三線模式時，SDIO_0為數(shù)據(jù)輸入引腳，SDIO_2為數(shù)據(jù)輸出引腳。在這兩種模式下，SDIO_3都作為串口同步恢復信號引腳，通過一個正脈沖使串口恢復為初始等待指令狀態(tài)。設置為雙bit模式時，SDIO_0和SDIO_1同時作為雙向數(shù)據(jù)引腳，每個SCLK周期傳輸2位數(shù)據(jù)，這樣，傳送一個8位的數(shù)據(jù)信息只需要四個SCLK周期，SDIO_3仍作為串口同步恢復信號。設置為四bit模式時，SDIO_0：3可同時作為雙向數(shù)據(jù)引腳，每個SCLK周期傳輸4位數(shù)據(jù)，故傳送一個8位數(shù)據(jù)信息僅需要兩個SCLK周期。

根據(jù)AD9959芯片的資源以及本課題的應用，本課題采用的工作模式為單bit兩線模式。

2.2 串行I/O操作

AD9959和微控制器之間采用串行I/O操作進行通信。在單bit兩線串行模式下，可以寫數(shù)據(jù)到所有的寄存器以達到配置AD9959的目的。在單bit兩線模式下，SDIO_0為雙向數(shù)據(jù)引腳，SDIO_3作為串口同步恢復信號引腳，通過一個正脈沖使串口恢復為初始等待指令狀態(tài)。圖2給出了單bit兩線模式的串口讀時序。圖3給出了單bit兩線模式的串行寫時序。

2.3 系統(tǒng)控制程序

AD9959可以產(chǎn)生單頻信號、單脈沖信號、連續(xù)線性調頻（調相、調幅）信號、脈沖線性調頻（調相、調幅）信號、相位（頻率、幅度）編碼信號等各種各樣的信號形式。在本課題中，采用單頻模式，單頻模式是AD9959的默認模式。首先，對單片機的引腳進行初始化，其次，依次配置AD9959的寄存器。

在本設計中，外部參考晶振為50 MHz，內部鎖相環(huán)采用10倍倍頻，則參考時鐘系統(tǒng)頻率為500 MHz，功能寄存器（FRl：0x01[23：16]）設置為0xA8。AD9959擁有4個獨立的DAC核，這里4個通道全部使用，則CSR[7：4]全部設置為1，此外，串行數(shù)據(jù)（SPI）的模式設置為單比特兩線模式，則CSR[2：1]設置為00，CSR設置為0xF0。AD9959內部每個通道都擁有32 b頻率控制字，其輸出信號頻率計算公式如下：

3 實驗分析

采用瑞典Pendulum公司的CNT_90頻率計（時基長期頻率穩(wěn)定度高于±0.01 ppm，頻率測量位數(shù)可達12 b）對信號源的輸出頻率進行長期（6個月）測量，每次信號源和頻率均開機預熱半小時以上，測量統(tǒng)計結果表明信號源輸出頻率精度高于±0.1 ppm，長期頻率穩(wěn)定度高于±0.1 ppm，與所選作為參考時基的恒溫晶振的長期頻率穩(wěn)定度具有一致性。記錄每隔1月的實驗數(shù)據(jù)如表l所示，其中，[fo]為設定的輸出頻率，[f]為實際測得的輸出頻率均值，[Δff]為相對偏差。

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