石英晶體測(cè)試系統(tǒng)中DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)π網(wǎng)絡(luò)石英晶體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，采用以STM32F103ZET6型ARM為MCU控制DDS產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。該測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的PC機(jī)測(cè)試系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，較之普通單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)又具有資源豐富、運(yùn)算速度更快等優(yōu)點(diǎn)。AD9852型DDS在ARM控制下能產(chǎn)生0～100 MHz掃頻信號(hào)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到信號(hào)精度達(dá)到0．5×10-6，基本滿足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)將以其小巧、快速、操作方便、等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。
關(guān)鍵詞 石英晶體；DDS；AD9852；STM32F103ZET6

    產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)一般可以通過(guò)振蕩電路或直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，DDS較振蕩電路具有相位噪聲小、雜散抑制好、可產(chǎn)生連續(xù)波信號(hào)、掃頻信號(hào)和頻率捷變信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。石英晶體電參數(shù)測(cè)試中激勵(lì)信號(hào)的指標(biāo)如幅度、頻率的穩(wěn)定性對(duì)后續(xù)的測(cè)量精度至關(guān)重要。所以系統(tǒng)采用AD9852型DDS作為信號(hào)源。石英晶體電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中，DDS可以同時(shí)產(chǎn)生多路正弦信號(hào)，并可對(duì)信號(hào)的頻率、幅度、相位精確控制，用以測(cè)量石英晶體電參數(shù)，隨著對(duì)石英晶體頻率精度的要求越來(lái)越高，DDS的信號(hào)源設(shè)計(jì)及控制具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 π網(wǎng)絡(luò)法測(cè)試原理
    在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，石英晶體等效電路模型如圖1所示，C0為靜態(tài)電容；L1為動(dòng)態(tài)電感；Rr是串聯(lián)諧振電阻；C1為動(dòng)態(tài)電容。

    其等效阻抗為
   
    式中，ω為信號(hào)源所輸出信號(hào)的角頻率，ω=2πf；Zs為π網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗。根據(jù)式(1)可以畫(huà)出石英晶體阻抗一頻率特性曲線如圖2所示，f0為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率，f1為并聯(lián)諧振頻率，本系統(tǒng)需要測(cè)量石英晶體的串聯(lián)諧振頻率。

    由圖2可以看出，當(dāng)信號(hào)源頻率為f1時(shí)，石英晶體的阻抗最??；當(dāng)信號(hào)源頻率為時(shí)石英晶體的阻抗最大。利用這個(gè)特性可以得到石英晶體的串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率等參數(shù)。石英晶體電參數(shù)測(cè)試方法有3種：阻抗計(jì)法、π網(wǎng)絡(luò)最大傳輸法、π網(wǎng)絡(luò)零相位法。π網(wǎng)絡(luò)最大傳輸法是將石英晶體插入一個(gè)π網(wǎng)絡(luò)中，不斷改變π網(wǎng)絡(luò)一端激勵(lì)信號(hào)的頻率，在另一端測(cè)量輸出信號(hào)電壓值，當(dāng)電壓達(dá)到最大值時(shí)的頻率即為串聯(lián)諧振頻率。其特點(diǎn)是測(cè)試設(shè)備較復(fù)雜，不易捕獲峰值電壓時(shí)的頻率，精度較高；π網(wǎng)絡(luò)零相位法原理；π網(wǎng)絡(luò)零相位法是將石英晶體插入一個(gè)π網(wǎng)絡(luò)中，在一端不斷輸出掃頻信號(hào)，用矢量電壓表檢測(cè)π網(wǎng)兩端的相位差，當(dāng)相位差為零時(shí)的頻率即為串聯(lián)諧振頻率。π網(wǎng)絡(luò)最大傳輸法與π網(wǎng)絡(luò)零相位法的主要差別是沒(méi)有鑒相電路，將這兩種方法統(tǒng)稱(chēng)為π網(wǎng)絡(luò)法。

2 石英晶體測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖
    系統(tǒng)采用π網(wǎng)絡(luò)法，硬件框圖如圖3所示。系統(tǒng)以STM32F103ZET6型ARM為的MCU；AD9852型DDS用來(lái)產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)；TXCO(ROJON)型溫度補(bǔ)償晶振給DDS提供參考頻率，此溫度補(bǔ)償晶振標(biāo)稱(chēng)頻率50 MHz；LCD作為人機(jī)交換接口用以顯示參數(shù)和波形；4×4鍵盤(pán)可以輸入預(yù)置參數(shù)，也可以作為功能按鍵控制系統(tǒng)工作；信號(hào)調(diào)理電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)濾波以及放大跟隨，通過(guò)π網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)經(jīng)處理反饋到STM32F103ZET6的A／D端口，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理。MCU通過(guò)串口(USART)和上位機(jī)通信，上位機(jī)發(fā)送控制指令控制MCU工作，MCU將測(cè)試數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)。系統(tǒng)重點(diǎn)是利用STM32F103ZET6控制A139852產(chǎn)生掃頻信號(hào)，難點(diǎn)是對(duì)π網(wǎng)絡(luò)輸出端信號(hào)的處理。

3 系統(tǒng)測(cè)試流程圖
    石英晶體測(cè)試參數(shù)測(cè)試儀在通電復(fù)位后首先初始化STM32F103ZET6內(nèi)部寄存器，然后再初始化系統(tǒng)各功能模塊包括LCD、DDS、USART、鍵盤(pán)、ADC等。在初始化完成之后通過(guò)鍵盤(pán)或上位機(jī)設(shè)定被測(cè)石英晶體的標(biāo)稱(chēng)頻率、掃描的起始和終止頻率以及掃描步進(jìn)，參數(shù)設(shè)置完成后，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送控制指令或鍵盤(pán)功能按鍵控制系統(tǒng)工作，在串口和鍵盤(pán)未產(chǎn)生中斷時(shí)，DDS會(huì)產(chǎn)生與設(shè)置參數(shù)相應(yīng)的掃頻信號(hào)，LCD實(shí)時(shí)顯示π網(wǎng)絡(luò)反饋到STM32F103ZET6的ADC管腳的波形，待轉(zhuǎn)換結(jié)束后MCU處理并保存數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果送回上位機(jī)并在LCD上顯示。具體流程圖如圖4所示。

4 DDS掃頻輸出控制
    系統(tǒng)對(duì)DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)的核心是控制產(chǎn)生0～100 MHz掃頻信號(hào)，信號(hào)的質(zhì)量直接決定測(cè)試精度。由于采用溫度補(bǔ)償晶振給AD9852提供50 MHz參考頻率信號(hào)，因?yàn)锳D9852產(chǎn)生的正弦信號(hào)是用于測(cè)試石英晶體參數(shù)的，所以對(duì)其參考頻率信號(hào)穩(wěn)定度要求嚴(yán)格，TXC0(ROJON)型溫度補(bǔ)償晶振頻率負(fù)載波動(dòng)±10％時(shí)，穩(wěn)定度最大為±0．1×10-6，滿足系統(tǒng)精度需求。根據(jù)AD9852的文檔得到其輸出的最大頻率為
   
    式中，fc為AD9852內(nèi)部參考頻率；fmax為DDS最大輸出頻率。fc可以通過(guò)AD9852地址為0x1e的寄存器4倍頻，所以輸出正弦波最大頻率為100 MHz。測(cè)試時(shí)，先通過(guò)上位機(jī)或鍵盤(pán)輸入測(cè)試晶體的標(biāo)稱(chēng)頻率及掃描步進(jìn)，然后以標(biāo)稱(chēng)頻率為中心設(shè)置適當(dāng)?shù)钠鹗紥呙桀l率及終止掃描頻率。假設(shè)一個(gè)步進(jìn)對(duì)應(yīng)的頻率控制字為DFTW，則每個(gè)步進(jìn)頻率
   
    假設(shè)步進(jìn)為1 kHz，則DFTW=0x53e2d623。AD9852進(jìn)行掃頻輸出前，首先通過(guò)鍵盤(pán)或串口設(shè)置石英晶體的標(biāo)稱(chēng)頻率、起始和終止頻率、掃描步進(jìn)頻率，STM32F103ZET6初始化AD9852后，按設(shè)定參數(shù)輸出相應(yīng)掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、跟隨等信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入π網(wǎng)絡(luò)，π網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大限幅處理后反饋到STM32F103ZET6的12位A／D輸入端，在采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中值濾波去除毛刺處理后保存數(shù)據(jù)并比較判斷是否為諧振點(diǎn)，如果不是，諧振點(diǎn)將頻率控制字FTW會(huì)加上一個(gè)步進(jìn)頻率控制字DFTW，如此直到掃描到終止頻率為止，找出諧振頻率，最后根據(jù)公式算出石英晶體的諧振電阻。流程圖如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)石英晶體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，介紹了利用STM32F103ZET6控制AD9852作為信號(hào)源的方法。這種方法結(jié)合了傳統(tǒng)PC機(jī)及普通單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，避開(kāi)了前兩者的缺點(diǎn)，可以快速地測(cè)試石英晶體電參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試頻率控制在0～50 MHz時(shí)，測(cè)量的頻率與平均測(cè)量值的相對(duì)偏差為<0．5×10-6，在此區(qū)間測(cè)量得到的石英晶體串聯(lián)諧振頻率精度在2×10-6以?xún)?nèi)，基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。如果增加DDS參考頻率信號(hào)的穩(wěn)定度以及提高信號(hào)調(diào)理電路的抗干擾能力，可大幅提高石英晶體串聯(lián)諧振頻率、串聯(lián)諧振電阻的精度，將對(duì)石英晶體電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用具有重大意義。