石英晶振頻率測試系統(tǒng)研究

沈錦雷+徐露

摘要：石英晶振就是通過石英材料加工完成的石英諧振器，具有產(chǎn)生頻率的作用，由于其各項特征，通常被用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)當(dāng)中。該文介紹了一種結(jié)合單片機、直接數(shù)字頻率合成器（DDS）和增益鑒相器的簡單石英晶振共振頻率檢測系統(tǒng)，利用晶振阻抗隨激勵信號頻率而變化的特性，在100msw內(nèi)測得其共振頻率，控制成本的同時保證了一定的測量精度。

關(guān)鍵詞：石英晶振；頻率測試系統(tǒng)；單片機

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）29-0243-02

石英晶振通常被認為是當(dāng)前科研儀器和信息通信當(dāng)中一種常用的芯片，并在對頻率的控制和對頻率的標(biāo)準(zhǔn)上，都起著很大的作用。比如在人們的日常生活中用的長途電話及導(dǎo)航系統(tǒng)等，都安裝其保障頻率信號源。因此，對石英晶振的諧振頻率的相關(guān)研究至關(guān)重要，其涉及層面大到到我國科技研發(fā)，小到人們?nèi)粘Ｉ睿邆漭^高的研究價值。

1 測試系統(tǒng)工作原理

本次系統(tǒng)主要組成電路有六個，分別是PC機、單元機機、DDS 頻率源、二次網(wǎng)絡(luò)、被測晶振、A/D轉(zhuǎn)化單元六個。其中PC機主要工作內(nèi)容是將指令由串口發(fā)往單片機，而單片機在收到該指令之后，將其譯碼并運用數(shù)據(jù)總線將DDS單元模塊其中的緩沖寄存器賦值，以此使DDS單元模塊發(fā)出符合指令所要求的相關(guān)信號。通過濾波器（LPF）將信號進行單元濾波，再由放大器將產(chǎn)生的最終信號輸入波形放大并發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)和測晶振。單片機接收從二次網(wǎng)絡(luò)返回的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的電信號，并以測試方法要求為依據(jù)，對石英晶體是否達到諧振點進行辨識，記錄達到諧振點的石英晶體電參數(shù)。若石英晶體未達到諧振點，單片機將對DDS單元發(fā)出命令，通過其單元模塊內(nèi)的相位累加器以設(shè)定好的步長進行相位累加，調(diào)高頻率并輸出新的本振信號。新信號通過濾波放大后，對被測石英晶振進行激勵，二次網(wǎng)絡(luò)因此輸出新端口值，再由A/D轉(zhuǎn)化后發(fā)送至單片機進行辨識。單片機依據(jù)測試條件找到石英晶振的諧振點，并記錄晶體諧振點的溫度值、電壓值、電流值、阻抗值、DDS掃描頻率值等，將這些值作為諧振點的特性值，以此不斷循環(huán)。

1.1 系統(tǒng)框圖

結(jié)合上述的測試工作原理，可以將其整體架構(gòu)設(shè)計為如圖1。

1.2 核心單元模塊—頻率源DDS

在圖1的整體框架中，其核心單元就是DDS頻率源。通過該頻率源發(fā)出頻率信號，從而激勵石英晶振。DDS的原理是通過采用脈沖，發(fā)送一個由頻率碼直接控制的經(jīng)過相位累加之后的相位碼，然后將相位碼存儲在只可以進行讀取的存儲器中，并通過量化后的采樣數(shù)據(jù)值，按照一定的規(guī)律將其讀出來，最后在通過D/A轉(zhuǎn)換器，得到相應(yīng)的濾波輸出，最后得到經(jīng)過修正后的正弦波。因此根據(jù)上述的原理，DDS中主要包括D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器、相位累加器等部分，其中最為核心的部分則為相位累加器。而在系統(tǒng)時鐘的作用下，通過相位累加器完成對頻率的累加之后，則將每次累加的結(jié)果作為其下一步的取樣地址，并通過周期性的掃描和D/A轉(zhuǎn)換，將波形轉(zhuǎn)換電壓波形。而輸出頻率、系統(tǒng)始終頻率和頻率控制字三者之間的關(guān)系可以表示為：

其中，表示為輸出波形的頻率；表示為頻率控制字；表示為始終頻率；表示相位累加器位長。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件模塊選型

結(jié)合上述石英晶振片的工作原理，選擇合適的硬件模塊是實現(xiàn)上述的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵。對此，本文在對上述框架進行具體搭建的過程中，主要選擇以下硬件。

2.2 單片機

在本系統(tǒng)中，單片機則選擇S12XS128型號。這類型號是由FREESCale公司生產(chǎn)的，其主要是針對成本敏感型的汽車電子類方向進行應(yīng)用的一種微控制器。該芯片的時鐘頻率可達到40MHz，同時擁有128KB的閃存和8KB的RAM存儲空間。另外，該芯片還支持CAN、SPI等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。具體的引腳圖如圖2所示。

2.3 直接數(shù)字頻率合成器

對該模塊的硬件選型中，則選擇ADI公司生產(chǎn)的AD9852型合成器，該合成器的內(nèi)部有兩路12位的高速ADC同時擁有高達48位的可編程頻率的寄存器和14為的相位寄存器。另外，還擁有12位的可編程幅度調(diào)制寄存器。通過這些構(gòu)成，可以完全保證在300MHz時鐘頻率下都可具有非常高的分辨率，并且極大地提高了輸出的范圍。

2.4 頻增益鑒相器

要完成對石英晶振幅頻特性的測量，在本文中還設(shè)計了一款集成電路芯片，型號為AD8302，對該型號來講，其同樣是由ADI公司生產(chǎn)的，并且可用于射頻中頻幅度和相位進行測量的一款集成電路。而該電路的核心部件是由兩精密的寬帶對數(shù)放大器和線性乘法器/鑒相器構(gòu)成。通過該裝置可以對頻率小于2.7GHz的兩路輸入信號的幅度比和相位差進行比較。

而在本文中增加一個AD8302，主要是因為AD9852是一個電流型的ADC輸出裝置，在其后增加一個低通濾波器，其目的就是要去除信號中的高頻噪聲。

2.5 通信設(shè)計

對該系統(tǒng)來講，要保障對石英晶振頻率的測試，一個重要的步驟就是就是要保證單片機的通信。但是傳統(tǒng)的通信中，可通過USB接口、串口協(xié)議等進行通信。但是在本文選擇的單片機型號中，并不支持USB通信方式。因此，在對本系統(tǒng)通信的設(shè)計中，為增加軟件的兼容性，在設(shè)計中加入CP2102芯片。通過該芯片，可以將單片機中的串口轉(zhuǎn)換為可通過USB接口通信。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

結(jié)合系統(tǒng)實現(xiàn)的流程，本系統(tǒng)設(shè)計的目的是對石英晶振頻率進行測量。因此其主要其具體的流程可以設(shè)計為如圖3所示。

在采樣之前，都需要將單片機的參數(shù)進行初始化設(shè)置，并保持采樣電路歸零。

同時在本研究測試中，其一個關(guān)鍵的問題是對AD9852的輸出頻率進行計算。其具體的計算公式則為：

4 系統(tǒng)測試

為驗證上述方案的可行性，構(gòu)建模擬測試平臺。在模擬測試平臺中，上電極固定在千分尺上，并通過旋轉(zhuǎn)旋鈕來調(diào)節(jié)上下電極之間的距離，同時將石英晶片被放置在上下電極之間。

另外，對后臺軟件的開發(fā)中，則采用LabView對程序進行編寫，通過測試將測量得到的共振頻率顯示在后臺軟件界面上（見圖4）。

通過界面可以看出，被測晶片的共振頻率為41.44MHz。曲線中主峰兩側(cè)都有一些小突起，這些突起應(yīng)該是晶振片本身存在的寄生峰。而通過該界面看出，本測試系統(tǒng)可完整顯示石英晶振片的頻率。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前比較流行的DDS技術(shù)，同時采用低通濾波器等方式，完成對晶振共振頻率測量。而通對實驗方案的驗證，表明該實驗可以很好地完成對石英晶振頻率的測量，并為當(dāng)前石英晶振的測量提供了一種低成本和便捷的試驗方案，為石英晶振分選提供了參考。

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