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行快速測量，并通過機械手按頻率分選。本文介紹了一種結(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100ms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：晶振；諧振頻率；單片機；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產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種被動電子元器件，廣泛應用于現(xiàn)今的電子產(chǎn)品中。但在晶振的實際生產(chǎn)過程中，將研磨到設計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微差別，導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行實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，其中機械臂的抓取、投放等機械運動要耗費大部分時間，故留給晶振片參數(shù)測量的時間要求遠小于機械運動時間，即在100 ms以內(nèi)。
    國內(nèi)外最早使用網(wǎng)絡分析儀來對晶振的電參數(shù)進行測量，以此對晶片進行分揀。但是網(wǎng)絡分析儀是針對更大帶寬、更普遍應用的實驗儀器，用網(wǎng)絡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，但其投入也相當高。針對這樣的實際應用，本文介紹了一種單片機、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)絡分析儀來說成本大大降低，且能滿足設備的測量速度要求，現(xiàn)已應用于實際的晶振分揀設備中。

1 測量原理
    石英晶體的電學行為與RLC電路釋放類似，在鏈路應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)
    當施加在晶振上的電信號的頻率等于其自身諧振頻率時，晶振呈純阻性，且阻抗值最小。利用該特性，可以設計測量網(wǎng)絡來對晶振進行掃頻，依據(jù)測量網(wǎng)絡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)基本的設計框架是利用單片機控制DDS對晶振進行掃頻(激勵)，通過鑒幅器來獲得測量網(wǎng)絡兩端電壓的比值(響應)，最后由單片機上的ADC來進行數(shù)據(jù)采集(測量)，進行必要的處理后通過通信模塊發(fā)送至上位PC機。這樣一個激勵-響應-測量的過程能夠建立起線性網(wǎng)絡的傳輸阻抗特性的數(shù)據(jù)模型，相當于一個針對常用晶振頻帶的小型網(wǎng)絡分析儀。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

    整個系統(tǒng)包括測量部分(測量網(wǎng)絡、AD9852、AD8302)，控制與計算部分(Freescale單片機)和通信模塊部分。測量時，上位PC機通過通信模塊對單片機進行初始設置和簡單控制，單片機即可自動控制測量部分對晶片進行測量。獲得相關(guān)測量參數(shù)后，單片機會對其進行存儲，最后將所有數(shù)據(jù)遞交給上位PC機。
2．1 單片機
    本系統(tǒng)使用的單片機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)應用優(yōu)化的16位微控制器，是S12XE系列的精簡版。該單片機的最高總線時鐘頻率為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)和串行外設接口(SPI)協(xié)議等，具有16位計數(shù)器的8通道定時器等。
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，輸出信號最高可達150 MHz的輸出范圍也滿足了設計需求。
    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的基本應用電路圖。

    AD9852的輸出是由一個電流型ADC輸出得到的，故而需要在后級增加一個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)生的一個精密偏置電壓，用來設置輸出信號的中心工作點，大小為900 mV。當AD8302的外部電路如圖4所示時，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頻率下測量網(wǎng)絡的幅度與相位響應。
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機上不再保留串口的9針插頭，為了保持上位機上層軟件的兼容性，仍需保留串口。該款S12單片機并不支持USB通信，故而在設計中加入了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)設計要求在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個頻點的數(shù)據(jù)采集。S12單片機的A／D采樣模塊按200 ksps的采樣速率來計算，完成1000個頻點的采集共需要5 ms，每個頻點按4次測量以減小誤差來估算，則共需要20 ms；同時，由于整個單片機對AD9852的控制以及內(nèi)部ADC調(diào)度所需要的額外開銷，可以預估完成1000個點的采樣總時間小于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位補零)=16 000位。CP2102最高能支持921 600的波特率，在這一速率下整個傳輸時間為17．4 ms，加上調(diào)用程序等額外開銷，數(shù)據(jù)發(fā)送部分的時耗在30 ms以內(nèi)。
    綜上所述，整體的時耗可控制在要求的100 ms以內(nèi)。另一方面，為適應921 600的高波特率，單片機外部選用的晶振頻率為14．745 6 MHz。在這一頻率下，對應的SCI波特率控制寄存器的分頻值恰為整數(shù)，以減小通信時鐘頻率偏差。

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

3．1 單片機與AD9852的初始化
    單片機的初始化主要是對系統(tǒng)時鐘、SCI、ADC等相關(guān)寄存器進行設置，配置SCI波特率為921 600，ADC的時鐘頻率為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)點是配置相對簡單，缺點是占用單片機I／O較多。AD9852部分控制寄存器的初始化設定如表1所列。

    在進行寄存器配置時，按照AD9852數(shù)據(jù)手冊上的時序要求來對單片機的I／O進行相關(guān)操作，此處不再贅述。
3．2 運行狀態(tài)機與測量過程
    系統(tǒng)的整個測量過程是一個有限狀態(tài)機，主要包括：待機狀態(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算頻率字(FTW)、配置AD9852、A／D采樣、循環(huán)采集等幾個部分。
    這里的計算頻率字FTW是AD9852的一個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，多次重復測量后，將平均值存入存儲區(qū)。完成該頻點測量后，更新FTW=FTW+△FTW，然后重復上述過程，直到完成1000個頻點的測量。

4 系統(tǒng)測試
    圖7是一個簡易的模擬測試平臺：上電極被固定在一個千分尺上，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。

    上位機采用LabVIEW編寫的測試程序，用來與單片機通信，并顯示上傳的數(shù)據(jù)，同時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定。右側(cè)測量得到的曲線中，縱坐標表示的是共振峰的強度，單位為dB；橫坐標表示的是掃描頻率，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，這些突起應該是晶振片本身存在的寄生峰。

    實驗中還對測試得到的共振峰的測量穩(wěn)定性進行了測試。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)。進一步的實驗表明，在更長的時間范圍內(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)界低成本實現(xiàn)石英晶振快速分選的解決方案，該方案已被應用于專業(yè)的石英晶振分選設備中，整體效果令人滿意。