石英晶体谐振频率测量系统

引言
    石英晶振(quartz crystal unit，XTAL)简称晶振，是利用石英晶体的压电效应产生高精度振荡频率的一种被动电子元器件，广泛应用于现今的电子产品中。但在晶振的实际生产过程中，将研磨到设计厚度的大片石英晶体切割成小片后，每片石英晶体的尺寸有着细微差别，导致不同晶振小片之间共振频率存在着差异。晶振在切割后必须先进行实际共振频率的测定和分拣，以便后续加工。生产率和成本对测量精度和分拣速度都提出了很高的要求。现代化的专用测量-分拣设备要求在1 s以内完成晶片的抓取、测量与分类投放工作，其中机械臂的抓取、投放等机械运动要耗费大部分时间，故留给晶振片参数测量的时间要求远小于机械运动时间，即在100 ms以内。
    国内外最早使用网络分析仪来对晶振的电参数进行测量，以此对晶片进行分拣。但是网络分析仪是针对更大带宽、更普遍应用的实验仪器，用网络分析仪来测量晶振的电参数，虽然能获得较高的精度与指标，但其投入也相当高。针对这样的实际应用，本文介绍了一种单片机、直接数字频率合成器(DDS)芯片、增益鉴相器芯片组成的晶振谐振频率测量系统。本系统相对网络分析仪来说成本大大降低，且能满足设备的测量速度要求，现已应用于实际的晶振分拣设备中。

1 测量原理
    石英晶体的电学行为与RLC电路释放类似，在链路应用中大致可以等效为图1所示的RLC电路。

    该等效电路的阻抗值可以表示为：
    Z(s)=[1／(s·C1)+s·L1+R1]‖[1／(s·C0)]           (1)
    当施加在晶振上的电信号的频率等于其自身谐振频率时，晶振呈纯阻性，且阻抗值最小。利用该特性，可以设计测量网络来对晶振进行扫频，依据测量网络两端的电信号的变化来判断晶振是否谐振。

2 技术方案描述
    根据上述测量方案，本系统基本的设计框架是利用单片机控制DDS对晶振进行扫频(激励)，通过鉴幅器来获得测量网络两端电压的比值(响应)，最后由单片机上的ADC来进行数据采集(测量)，进行必要的处理后通过通信模块发送至上位PC机。这样一个激励-响应-测量的过程能够建立起线性网络的传输阻抗特性的数据模型，相当于一个针对常用晶振频带的小型网络分析仪。系统的构成如图2所示。

    整个系统包括测量部分(测量网络、AD9852、AD8302)，控制与计算部分(Freescale单片机)和通信模块部分。测量时，上位PC机通过通信模块对单片机进行初始设置和简单控制，单片机即可自动控制测量部分对晶片进行测量。获得相关测量参数后，单片机会对其进行存储，最后将所有数据递交给上位PC机。
2．1 单片机
    本系统使用的单片机S12XS128(以下简称S12)是Freescale公司针对成本敏感型汽车电子类工业应用优化的16位微控制器，是S12XE系列的精简版。该单片机的最高总线时钟频率为40 MHz，具有128 KB Flash、8 KBRAM以及8 KB的EEFROM。S12自身带有16通道的12位ADC，支持8／10／12位转换精度，10位精度下平均单次转换时间约3μs左右。另外，S12还支持控制区域网(CAN)、本地互联网(LIN)和串行外设接口(SPI)协议等，具有16位计数器的8通道定时器等。
2．2 直接数字频率合成器与射频中频增益鉴相器
    AD9852是ADI公司生产的一款直接数字频率合成器(DDS)，其内部集成了两路12位高速ADC，具有48位可编程频率寄存器和14位可编程相位寄存器，同时还具有12位可编程幅度调制寄存器。这保证了AD9852在300 MHz系统时钟频率下具有极高的频率分辨率，且输出相位、幅度可调。同时，输出信号最高可达150 MHz的输出范围也满足了设计需求。
    石英晶振的幅频特性可以直接通过另一款集成电路芯片AD8302来测量。AD8302是ADI公司生产的用于射频中频(RF／IF)幅度和相位测量的专用集成电路，其核心部件由两个精密匹配的宽带对数放大器和线性乘法器／鉴相器构成，能同时测量从低频到2．7 GHz频率范围内的两路输入信号之间的幅度比和相位差。图3和图4显示了AD9852与AD8302的基本应用电路图。[page]

    AD9852的输出是由一个电流型ADC输出得到的，故而需要在后级增加一个低通滤波器以滤除高频噪声，在AD9852的数据手册上有推荐该部分电路，不再赘述。
    AD8302输出信号VMAG、VPHS与输入信号的VINA和VINB关系由以下公式决定：
   
    其中VCP是AD8302芯片内部产生的一个精密偏置电压，用来设置输出信号的中心工作点，大小为900 mV。当AD8302的外部电路如图4所示时，输出信号的刻度分别是30 mV／dB和10 mV／Degree。通过后端ADC的读取便可以获得对应频率下测量网络的幅度与相位响应。
2．3 通信模块
    由于异步串行口仍然在工业界通用，而如今越来越多的PC机上不再保留串口的9针插头，为了保持上位机上层软件的兼容性，仍需保留串口。该款S12单片机并不支持USB通信，故而在设计中加入了Silicon Labs公司的CP2102芯片，将S12的串口转换为物理上的USB口。这样在PC端识别的仍然是串口，故在S12以及PC上的编程都能保持兼容。
    系统设计要求在100ms内完成数据的采集以及上传工作。工作量主要包括：
    ①1000个频点的数据采集。S12单片机的A／D采样模块按200 ksps的采样速率来计算，完成1000个频点的采集共需要5 ms，每个频点按4次测量以减小误差来估算，则共需要20 ms；同时，由于整个单片机对AD9852的控制以及内部ADC调度所需要的额外开销，可以预估完成1000个点的采样总时间小于50 ms。
    ②发送给PC端的总数据量为1000×16(12位A／D采样+4位补零)=16 000位。CP2102最高能支持921 600的波特率，在这一速率下整个传输时间为17．4 ms，加上调用程序等额外开销，数据发送部分的时耗在30 ms以内。
    综上所述，整体的时耗可控制在要求的100 ms以内。另一方面，为适应921 600的高波特率，单片机外部选用的晶振频率为14．745 6 MHz。在这一频率下，对应的SCI波特率控制寄存器的分频值恰为整数，以减小通信时钟频率偏差。

3 系统工作流程与软件实现
    系统工作时，大致的数据采集分析流程如图5所示。

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3．1 单片机与AD9852的初始化
    单片机的初始化主要是对系统时钟、SCI、ADC等相关寄存器进行设置，配置SCI波特率为921 600，ADC的时钟频率为7．372 8 MHz、分辨率为12位，每次采样前给采样保持电路归零。
    AD9852的配置可以选用串行或者并行接口配置。这里系统选用了并行接口方式配置，优点是配置相对简单，缺点是占用单片机I／O较多。AD9852部分控制寄存器的初始化设定如表1所列。

    在进行寄存器配置时，按照AD9852数据手册上的时序要求来对单片机的I／O进行相关操作，此处不再赘述。
3．2 运行状态机与测量过程
    系统的整个测量过程是一个有限状态机，主要包括：待机状态(Standby)、接收命令状态(ReCMD)、配置AD9852状态(Configuring)、测量状态(Measuring)和数据上传状态(UploadDate)。状态转换示意图如图6所示。

    系统的测量流程主要可归纳为计算频率字(FTW)、配置AD9852、A／D采样、循环采集等几个部分。
    这里的计算频率字FTW是AD9852的一个48位寄存器。该寄存器直接控制AD9852的输出频率。其输出频率有以下关系：
   
    其中fREF是AD9852的外接高精度晶振的频率值，Multiple是AD9852的PLL倍频系数。
    系统在收到配置命令后，根据开始扫描频率值计算出初始FTW值和△FTW值。然后把FTW值写入AD9852的寄存器。待AD9852输出稳定频率后开始A／D采样，多次重复测量后，将平均值存入存储区。完成该频点测量后，更新FTW=FTW+△FTW，然后重复上述过程，直到完成1000个频点的测量。

4 系统测试
    图7是一个简易的模拟测试平台：上电极被固定在一个千分尺上，通过扭转旋钮来调节上下电极之间的距离，石英晶片被放置在上下电极之间。

    上位机采用LabVIEW编写的测试程序，用来与单片机通信，并显示上传的数据，同时显示晶振的共振频率，如图8所示。图中左侧为串口以及扫描频率的一些列设定。右侧测量得到的曲线中，纵坐标表示的是共振峰的强度，单位为dB；横坐标表示的是扫描频率，单位为Hz。从该曲线可以看出，被测晶片的共振频率为41．447MHz。曲线中主峰两侧都有一些小突起，这些突起应该是晶振片本身存在的寄生峰。

    实验中还对测试得到的共振峰的测量稳定性进行了测试。连续750次测得的晶振片的谐振频率的波动范围在100 Hz以内。进一步的实验表明，在更长的时间范围内(6 000次，10 min左右)，波动范围在±200 Hz以内。

结语
    结合了专用DDS芯片、检波芯片以及包含ADC的单片机的晶振共振频率测量系统，可以较好地完成石英晶振的谐振频率测量，提供了一种在工业界低成本实现石英晶振快速分选的解决方案，该方案已被应用于专业的石英晶振分选设备中，整体效果令人满意。