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針對π網絡石英晶體參數測試系統，采用以STM32F103ZET6型ARM為MCU控制DDS產生激勵信號。該測試系統相對于傳統的PC機測試系統具有設備簡單、操作方便，較之普通單片機測試系統又具有資源豐富、運算速度更快等優點。AD9852型DDS在ARM控制下能產生0～100 MHz掃頻信號，經試驗數據分析得到信號精度達到0.5×10-6，基本滿足設計要求。該系統將以其小巧、快速、操作方便、等優點被廣泛采用。 產生正弦激勵信號一般可以通過振蕩電路或直接數字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，DDS較振蕩電路具有相位噪聲小、雜散抑制好、可產生連續波信號、掃頻信號和頻率捷變信號等優點。石英晶體電參數測試中激勵信號的指標如幅度、頻率的穩定性對后續的測量精度至關重要。所以系統采用AD9852型DDS作為信號源。石英晶體電參數測試系統中，DDS可以同時產生多路正弦信號，并可對信號的頻率、幅度、相位精確控制，用以測量石英晶體電參數，隨著對石英晶體頻率精度的要求越來越高，DDS的信號源設計及控制具有重要現實意義。 1π網絡法測試原理 在串聯諧振狀態下，石英晶體等效電路模型如圖1所示，C0為靜態電容;L1為動態電感;Rr是串聯諧振電阻;C1為動態電容。 其等效阻抗為 式中，ω為信號源所輸出信號的角頻率，ω=2πf;Zs為π網絡的等效阻抗。根據式(1)可以畫出石英晶體阻抗一頻率特性曲線如圖2所示，f0為石英晶體的串聯諧振頻率，f1為并聯諧振頻率，本系統需要測量石英晶體的串聯諧振頻率。 由圖2可以看出，當信號源頻率為f1時，石英晶體的阻抗最小;當信號源頻率為時石英晶體的阻抗最大。利用這個特性可以得到石英晶體的串聯諧振頻率、并聯諧振頻率等參數。石英晶體電參數測試方法有3種：阻抗計法、π網絡最大傳輸法、π網絡零相位法。π網絡最大傳輸法是將石英晶體插入一個π網絡中，不斷改變π網絡一端激勵信號的頻率，在另一端測量輸出信號電壓值，當電壓達到最大值時的頻率即為串聯諧振頻率。其特點是測試設備較復雜，不易捕獲峰值電壓時的頻率，精度較高;π網絡零相位法原理;π網絡零相位法是將石英晶體插入一個π網絡中，在一端不斷輸出掃頻信號，用矢量電壓表檢測π網兩端的相位差，當相位差為零時的頻率即為串聯諧振頻率。π網絡最大傳輸法與π網絡零相位法的主要差別是沒有鑒相電路，將這兩種方法統稱為π網絡法。 2石英晶體測試系統 硬件框圖系統采用π網絡法，硬件框圖如圖3所示。系統以STM32F103ZET6型ARM為的MCU;AD9852型DDS用來產生正弦激勵信號;TXCO(ROJON)型溫度補償晶振給DDS提供參考頻率，此溫度補償晶振標稱頻率50 MHz;LCD作為人機交換接口用以顯示參數和波形;4×4鍵盤可以輸入預置參數，也可以作為功能按鍵控制系統工作;信號調理電路對激勵信號濾波以及放大跟隨，通過π網絡的信號經處理反饋到STM32F103ZET6的A/D端口，對輸出信號進行處理。MCU通過串口(USART)和上位機通信，上位機發送控制指令控制MCU工作，MCU將測試數據反饋給上位機。系統重點是利用STM32F103ZET6控制A139852產生掃頻信號，難點是對π網絡輸出端信號的處理。 3系統測試流程圖 石英晶體測試參數測試儀在通電復位后首先初始化STM32F103ZET6內部寄存器，然后再初始化系統各功能模塊包括LCD、DDS、USART、鍵盤、ADC等。在初始化完成之后通過鍵盤或上位機設定被測石英晶體的標稱頻率、掃描的起始和終止頻率以及掃描步進，參數設置完成后，通過上位機發送控制指令或鍵盤功能按鍵控制系統工作，在串口和鍵盤未產生中斷時，DDS會產生與設置參數相應的掃頻信號，LCD實時顯示π網絡反饋到STM32F103ZET6的ADC管腳的波形，待轉換結束后MCU處理并保存數據，測試結果送回上位機并在LCD上顯示。具體流程圖如圖4所示。 4 DDS掃頻輸出控制 系統對DDS信號源設計的核心是控制產生0～100 MHz掃頻信號，信號的質量直接決定測試精度。由于采用溫度補償晶振給AD9852提供50 MHz參考頻率信號，因為AD9852產生的正弦信號是用于測試石英晶體參數的，所以對其參考頻率信號穩定度要求嚴格，TXC0(ROJON)型溫度補償晶振頻率負載波動±10%時，穩定度最大為±0.1×10-6，滿足系統精度需求。根據AD9852的文檔得到其輸出的最大頻率為 式中，fc為AD9852內部參考頻率;fmax為DDS最大輸出頻率。fc可以通過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.測試時，先通過上位機或鍵盤輸入測試晶體的標稱頻率及掃描步進，然后以標稱頻率為中心設置適當的起始掃描頻率及終止掃描頻率。假設一個步進對應的頻率控制字為DFTW，則每個步進頻率 假設步進為1 kHz，則DFTW=0x53e2d623.AD9852進行掃頻輸出前，首先通過鍵盤或串口設置石英晶體的標稱頻率、起始和終止頻率、掃描步進頻率，STM32F103ZET6初始化AD9852后，按設定參數輸出相應掃頻信號，掃頻信號經過濾波、放大、跟隨等信號調理電路進入π網絡，π網絡輸出信號經過放大限幅處理后反饋到STM32F103ZET6的12位A/D輸入端，在采集數據經過中值濾波去除毛刺處理后保存數據并比較判斷是否為諧振點，如果不是，諧振點將頻率控制字FTW會加上一個步進頻率控制字DFTW，如此直到掃描到終止頻率為止，找出諧振頻率，最后根據公式算出石英晶體的諧振電阻。流程圖如圖5所示。 5結束語 針對石英晶體參數測試系統，介紹了利用STM32F103ZET6控制AD9852作為信號源的方法。這種方法結合了傳統PC機及普通單片機測試系統的優點，避開了前兩者的缺點，可以快速地測試石英晶體電參數。 |
