石英晶體測試系統(tǒng)中DDS信號源設計

針對π網絡石英晶體參數測試系統(tǒng)，采用以STM32F103ZET6型ARM為MCU控制DDS產生激勵信號。該測試系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的PC機測試系統(tǒng)具有設備簡單、操作方便，較之普通單片機測試系統(tǒng)又具有資源豐富、運算速度更快等優(yōu)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(tǒng)將以其小巧、快速、操作方便、等優(yōu)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(xù)波信號、掃頻信號和頻率捷變信號等優(yōu)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(wěn)定性對后續(xù)的測量精度至關重要。所以系統(tǒng)采用AD9852型DDS作為信號源。石英晶體電參數測試系統(tǒng)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(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為動態(tài)電感；Rr是串聯諧振電阻；C1為動態(tài)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(tǒng)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??；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(tǒng)稱為π網絡法。

2石英晶體測試系統(tǒng)

硬件框圖系統(tǒng)采用π網絡法，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(tǒng)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(fā)送控制指令控制MCU工作，MCU將測試數據反饋給上位機。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)送控制指令或鍵盤功能按鍵控制系統(tǒng)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