石英晶體諧振頻率測量系統(tǒng)

摘要：在石英晶振的生產(chǎn)過程中，切割后的晶振片需要對其共振頻率進(jìn)行快速測量，并通過機(jī)械手按頻率分選。本文介紹了一種結(jié)合單片機(jī)、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(lì)信號頻率而變化的特性，在100ms內(nèi)測得其共振頻率，控制成本的同時(shí)保證了一定的測量精度。
關(guān)鍵詞：晶振；諧振頻率；單片機(jī)；直接數(shù)字頻率合成器

引言
    石英晶振(quartz crystal unit，XTAL)簡稱晶振，是利用石英晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種被動電子元器件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)今的電子產(chǎn)品中。但在晶振的實(shí)際生產(chǎn)過程中，將研磨到設(shè)計(jì)厚度的大片石英晶體切割成小片后，每片石英晶體的尺寸有著細(xì)微差別，導(dǎo)致不同晶振小片之間共振頻率存在著差異。晶振在切割后必須先進(jìn)行實(shí)際共振頻率的測定和分揀，以便后續(xù)加工。生產(chǎn)率和成本對測量精度和分揀速度都提出了很高的要求?，F(xiàn)代化的專用測量-分揀設(shè)備要求在1 s以內(nèi)完成晶片的抓取、測量與分類投放工作，其中機(jī)械臂的抓取、投放等機(jī)械運(yùn)動要耗費(fèi)大部分時(shí)間，故留給晶振片參數(shù)測量的時(shí)間要求遠(yuǎn)小于機(jī)械運(yùn)動時(shí)間，即在100 ms以內(nèi)。
    國內(nèi)外最早使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來對晶振的電參數(shù)進(jìn)行測量，以此對晶片進(jìn)行分揀。但是網(wǎng)絡(luò)分析儀是針對更大帶寬、更普遍應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)儀器，用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量晶振的電參數(shù)，雖然能獲得較高的精度與指標(biāo)，但其投入也相當(dāng)高。針對這樣的實(shí)際應(yīng)用，本文介紹了一種單片機(jī)、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)芯片、增益鑒相器芯片組成的晶振諧振頻率測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)相對網(wǎng)絡(luò)分析儀來說成本大大降低，且能滿足設(shè)備的測量速度要求，現(xiàn)已應(yīng)用于實(shí)際的晶振分揀設(shè)備中。

1 測量原理
    石英晶體的電學(xué)行為與RLC電路釋放類似，在鏈路應(yīng)用中大致可以等效為圖1所示的RLC電路。

    該等效電路的阻抗值可以表示為：
    Z(s)=[1／(s·C1)+s·L1+R1]‖[1／(s·C0)]           (1)
    當(dāng)施加在晶振上的電信號的頻率等于其自身諧振頻率時(shí)，晶振呈純阻性，且阻抗值最小。利用該特性，可以設(shè)計(jì)測量網(wǎng)絡(luò)來對晶振進(jìn)行掃頻，依據(jù)測量網(wǎng)絡(luò)兩端的電信號的變化來判斷晶振是否諧振。

2 技術(shù)方案描述
    根據(jù)上述測量方案，本系統(tǒng)基本的設(shè)計(jì)框架是利用單片機(jī)控制DDS對晶振進(jìn)行掃頻(激勵(lì))，通過鑒幅器來獲得測量網(wǎng)絡(luò)兩端電壓的比值(響應(yīng))，最后由單片機(jī)上的ADC來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(測量)，進(jìn)行必要的處理后通過通信模塊發(fā)送至上位PC機(jī)。這樣一個(gè)激勵(lì)-響應(yīng)-測量的過程能夠建立起線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸阻抗特性的數(shù)據(jù)模型，相當(dāng)于一個(gè)針對常用晶振頻帶的小型網(wǎng)絡(luò)分析儀。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

    整個(gè)系統(tǒng)包括測量部分(測量網(wǎng)絡(luò)、AD9852、AD8302)，控制與計(jì)算部分(Freescale單片機(jī))和通信模塊部分。測量時(shí)，上位PC機(jī)通過通信模塊對單片機(jī)進(jìn)行初始設(shè)置和簡單控制，單片機(jī)即可自動控制測量部分對晶片進(jìn)行測量。獲得相關(guān)測量參數(shù)后，單片機(jī)會對其進(jìn)行存儲，最后將所有數(shù)據(jù)遞交給上位PC機(jī)。
2．1 單片機(jī)
    本系統(tǒng)使用的單片機(jī)S12XS128(以下簡稱S12)是Freescale公司針對成本敏感型汽車電子類工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的16位微控制器，是S12XE系列的精簡版。該單片機(jī)的最高總線時(shí)鐘頻率為40 MHz，具有128 KB Flash、8 KBRAM以及8 KB的EEFROM。S12自身帶有16通道的12位ADC，支持8／10／12位轉(zhuǎn)換精度，10位精度下平均單次轉(zhuǎn)換時(shí)間約3μs左右。另外，S12還支持控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)、本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)和串行外設(shè)接口(SPI)協(xié)議等，具有16位計(jì)數(shù)器的8通道定時(shí)器等。
2．2 直接數(shù)字頻率合成器與射頻中頻增益鑒相器
    AD9852是ADI公司生產(chǎn)的一款直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，其內(nèi)部集成了兩路12位高速ADC，具有48位可編程頻率寄存器和14位可編程相位寄存器，同時(shí)還具有12位可編程幅度調(diào)制寄存器。這保證了AD9852在300 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下具有極高的頻率分辨率，且輸出相位、幅度可調(diào)。同時(shí)，輸出信號最高可達(dá)150 MHz的輸出范圍也滿足了設(shè)計(jì)需求。
    石英晶振的幅頻特性可以直接通過另一款集成電路芯片AD8302來測量。AD8302是ADI公司生產(chǎn)的用于射頻中頻(RF／IF)幅度和相位測量的專用集成電路，其核心部件由兩個(gè)精密匹配的寬帶對數(shù)放大器和線性乘法器／鑒相器構(gòu)成，能同時(shí)測量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內(nèi)的兩路輸入信號之間的幅度比和相位差。圖3和圖4顯示了AD9852與AD8302的基本應(yīng)用電路圖。

    AD9852的輸出是由一個(gè)電流型ADC輸出得到的，故而需要在后級增加一個(gè)低通濾波器以濾除高頻噪聲，在AD9852的數(shù)據(jù)手冊上有推薦該部分電路，不再贅述。
    AD8302輸出信號VMAG、VPHS與輸入信號的VINA和VINB關(guān)系由以下公式?jīng)Q定：
   
    其中VCP是AD8302芯片內(nèi)部產(chǎn)生的一個(gè)精密偏置電壓，用來設(shè)置輸出信號的中心工作點(diǎn)，大小為900 mV。當(dāng)AD8302的外部電路如圖4所示時(shí)，輸出信號的刻度分別是30 mV／dB和10 mV／Degree。通過后端ADC的讀取便可以獲得對應(yīng)頻率下測量網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位響應(yīng)。
2．3 通信模塊
    由于異步串行口仍然在工業(yè)界通用，而如今越來越多的PC機(jī)上不再保留串口的9針插頭，為了保持上位機(jī)上層軟件的兼容性，仍需保留串口。該款S12單片機(jī)并不支持USB通信，故而在設(shè)計(jì)中加入了Silicon Labs公司的CP2102芯片，將S12的串口轉(zhuǎn)換為物理上的USB口。這樣在PC端識別的仍然是串口，故在S12以及PC上的編程都能保持兼容。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在100ms內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集以及上傳工作。工作量主要包括：
    ①1000個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。S12單片機(jī)的A／D采樣模塊按200 ksps的采樣速率來計(jì)算，完成1000個(gè)頻點(diǎn)的采集共需要5 ms，每個(gè)頻點(diǎn)按4次測量以減小誤差來估算，則共需要20 ms；同時(shí)，由于整個(gè)單片機(jī)對AD9852的控制以及內(nèi)部ADC調(diào)度所需要的額外開銷，可以預(yù)估完成1000個(gè)點(diǎn)的采樣總時(shí)間小于50 ms。
    ②發(fā)送給PC端的總數(shù)據(jù)量為1000×16(12位A／D采樣+4位補(bǔ)零)=16 000位。CP2102最高能支持921 600的波特率，在這一速率下整個(gè)傳輸時(shí)間為17．4 ms，加上調(diào)用程序等額外開銷，數(shù)據(jù)發(fā)送部分的時(shí)耗在30 ms以內(nèi)。
    綜上所述，整體的時(shí)耗可控制在要求的100 ms以內(nèi)。另一方面，為適應(yīng)921 600的高波特率，單片機(jī)外部選用的晶振頻率為14．745 6 MHz。在這一頻率下，對應(yīng)的SCI波特率控制寄存器的分頻值恰為整數(shù)，以減小通信時(shí)鐘頻率偏差。

3 系統(tǒng)工作流程與軟件實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)工作時(shí)，大致的數(shù)據(jù)采集分析流程如圖5所示。

3．1 單片機(jī)與AD9852的初始化
    單片機(jī)的初始化主要是對系統(tǒng)時(shí)鐘、SCI、ADC等相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，配置SCI波特率為921 600，ADC的時(shí)鐘頻率為7．372 8 MHz、分辨率為12位，每次采樣前給采樣保持電路歸零。
    AD9852的配置可以選用串行或者并行接口配置。這里系統(tǒng)選用了并行接口方式配置，優(yōu)點(diǎn)是配置相對簡單，缺點(diǎn)是占用單片機(jī)I／O較多。AD9852部分控制寄存器的初始化設(shè)定如表1所列。

    在進(jìn)行寄存器配置時(shí)，按照AD9852數(shù)據(jù)手冊上的時(shí)序要求來對單片機(jī)的I／O進(jìn)行相關(guān)操作，此處不再贅述。
3．2 運(yùn)行狀態(tài)機(jī)與測量過程
    系統(tǒng)的整個(gè)測量過程是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，主要包括：待機(jī)狀態(tài)(Standby)、接收命令狀態(tài)(ReCMD)、配置AD9852狀態(tài)(Configuring)、測量狀態(tài)(Measuring)和數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)(UploadDate)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖如圖6所示。

    系統(tǒng)的測量流程主要可歸納為計(jì)算頻率字(FTW)、配置AD9852、A／D采樣、循環(huán)采集等幾個(gè)部分。
    這里的計(jì)算頻率字FTW是AD9852的一個(gè)48位寄存器。該寄存器直接控制AD9852的輸出頻率。其輸出頻率有以下關(guān)系：
   
    其中fREF是AD9852的外接高精度晶振的頻率值，Multiple是AD9852的PLL倍頻系數(shù)。
    系統(tǒng)在收到配置命令后，根據(jù)開始掃描頻率值計(jì)算出初始FTW值和△FTW值。然后把FTW值寫入AD9852的寄存器。待AD9852輸出穩(wěn)定頻率后開始A／D采樣，多次重復(fù)測量后，將平均值存入存儲區(qū)。完成該頻點(diǎn)測量后，更新FTW=FTW+△FTW，然后重復(fù)上述過程，直到完成1000個(gè)頻點(diǎn)的測量。

4 系統(tǒng)測試
    圖7是一個(gè)簡易的模擬測試平臺：上電極被固定在一個(gè)千分尺上，通過扭轉(zhuǎn)旋鈕來調(diào)節(jié)上下電極之間的距離，石英晶片被放置在上下電極之間。

    上位機(jī)采用LabVIEW編寫的測試程序，用來與單片機(jī)通信，并顯示上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示晶振的共振頻率，如圖8所示。圖中左側(cè)為串口以及掃描頻率的一些列設(shè)定。右側(cè)測量得到的曲線中，縱坐標(biāo)表示的是共振峰的強(qiáng)度，單位為dB；橫坐標(biāo)表示的是掃描頻率，單位為Hz。從該曲線可以看出，被測晶片的共振頻率為41．447MHz。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。

    實(shí)驗(yàn)中還對測試得到的共振峰的測量穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。連續(xù)750次測得的晶振片的諧振頻率的波動范圍在100 Hz以內(nèi)。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，在更長的時(shí)間范圍內(nèi)(6 000次，10 min左右)，波動范圍在±200 Hz以內(nèi)。

結(jié)語
    結(jié)合了專用DDS芯片、檢波芯片以及包含ADC的單片機(jī)的晶振共振頻率測量系統(tǒng)，可以較好地完成石英晶振的諧振頻率測量，提供了一種在工業(yè)界低成本實(shí)現(xiàn)石英晶振快速分選的解決方案，該方案已被應(yīng)用于專業(yè)的石英晶振分選設(shè)備中，整體效果令人滿意。