石英晶振频率测试系统研究

沈锦雷+徐露

摘要：石英晶振就是通过石英材料加工完成的石英谐振器，具有产生频率的作用，由于其各项特征，通常被用于电子产品生产当中。该文介绍了一种结合单片机、直接数字频率合成器（DDS）和增益鉴相器的简单石英晶振共振频率检测系统，利用晶振阻抗随激励信号频率而变化的特性，在100msw内测得其共振频率，控制成本的同时保证了一定的测量精度。

关键词：石英晶振；频率测试系统；单片机

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）29-0243-02

石英晶振通常被认为是当前科研仪器和信息通信当中一种常用的芯片，并在对频率的控制和对频率的标准上，都起着很大的作用。比如在人们的日常生活中用的长途电话及导航系统等，都安装其保障频率信号源。因此，对石英晶振的谐振频率的相关研究至关重要，其涉及层面大到到我国科技研发，小到人们日常生活，具备较高的研究价值。

1 测试系统工作原理

本次系统主要组成电路有六个，分别是PC机、单元机机、DDS 频率源、二次网络、被测晶振、A/D转化单元六个。其中PC机主要工作内容是将指令由串口发往单片机，而单片机在收到该指令之后，将其译码并运用数据总线将DDS单元模块其中的缓冲寄存器赋值，以此使DDS单元模块发出符合指令所要求的相关信号。通过滤波器（LPF）将信号进行单元滤波，再由放大器将产生的最终信号输入波形放大并发送至网络和测晶振。单片机接收从二次网络返回的经过A/D转换后的电信号，并以测试方法要求为依据，对石英晶体是否达到谐振点进行辨识，记录达到谐振点的石英晶体电参数。若石英晶体未达到谐振点，单片机将对DDS单元发出命令，通过其单元模块内的相位累加器以设定好的步长进行相位累加，调高频率并输出新的本振信号。新信号通过滤波放大后，对被测石英晶振进行激励，二次网络因此输出新端口值，再由A/D转化后发送至单片机进行辨识。单片机依据测试条件找到石英晶振的谐振点，并记录晶体谐振点的温度值、电压值、电流值、阻抗值、DDS扫描频率值等，将这些值作为谐振点的特性值，以此不断循环。

1.1 系统框图

结合上述的测试工作原理，可以将其整体架构设计为如图1。

1.2 核心单元模块—频率源DDS

在图1的整体框架中，其核心单元就是DDS频率源。通过该频率源发出频率信号，从而激励石英晶振。DDS的原理是通过采用脉冲，发送一个由频率码直接控制的经过相位累加之后的相位码，然后将相位码存储在只可以进行读取的存储器中，并通过量化后的采样数据值，按照一定的规律将其读出来，最后在通过D/A转换器，得到相应的滤波输出，最后得到经过修正后的正弦波。因此根据上述的原理，DDS中主要包括D/A转换器、滤波器、相位累加器等部分，其中最为核心的部分则为相位累加器。而在系统时钟的作用下，通过相位累加器完成对频率的累加之后，则将每次累加的结果作为其下一步的取样地址，并通过周期性的扫描和D/A转换，将波形转换电压波形。而输出频率、系统始终频率和频率控制字三者之间的关系可以表示为：

其中，表示为输出波形的频率；表示为频率控制字；表示为始终频率；表示相位累加器位长。

2 系统具体设计

2.1 系统硬件模块选型

结合上述石英晶振片的工作原理，选择合适的硬件模块是实现上述的基础，也是关键。对此，本文在对上述框架进行具体搭建的过程中，主要选择以下硬件。

2.2 单片机

在本系统中，单片机则选择S12XS128型号。这类型号是由FREESCale公司生产的，其主要是针对成本敏感型的汽车电子类方向进行应用的一种微控制器。该芯片的时钟频率可达到40MHz，同时拥有128KB的闪存和8KB的RAM存储空间。另外，该芯片还支持CAN、SPI等网络协议。具体的引脚图如图2所示。

2.3 直接数字频率合成器

对该模块的硬件选型中，则选择ADI公司生产的AD9852型合成器，该合成器的内部有两路12位的高速ADC同时拥有高达48位的可编程频率的寄存器和14为的相位寄存器。另外，还拥有12位的可编程幅度调制寄存器。通过这些构成，可以完全保证在300MHz时钟频率下都可具有非常高的分辨率，并且极大地提高了输出的范围。

2.4 频增益鉴相器

要完成对石英晶振幅频特性的测量，在本文中还设计了一款集成电路芯片，型号为AD8302，对该型号来讲，其同样是由ADI公司生产的，并且可用于射频中频幅度和相位进行测量的一款集成电路。而该电路的核心部件是由两精密的宽带对数放大器和线性乘法器/鉴相器构成。通过该装置可以对频率小于2.7GHz的两路输入信号的幅度比和相位差进行比较。

而在本文中增加一个AD8302，主要是因为AD9852是一个电流型的ADC输出装置，在其后增加一个低通滤波器，其目的就是要去除信号中的高频噪声。

2.5 通信设计

对该系统来讲，要保障对石英晶振频率的测试，一个重要的步骤就是就是要保证单片机的通信。但是传统的通信中，可通过USB接口、串口协议等进行通信。但是在本文選择的单片机型号中，并不支持USB通信方式。因此，在对本系统通信的设计中，为增加软件的兼容性，在设计中加入CP2102芯片。通过该芯片，可以将单片机中的串口转换为可通过USB接口通信。

3 系统软件实现

结合系统实现的流程，本系统设计的目的是对石英晶振频率进行测量。因此其主要其具体的流程可以设计为如图3所示。

在采样之前，都需要将单片机的参数进行初始化设置，并保持采样电路归零。

同时在本研究测试中，其一个关键的问题是对AD9852的输出频率进行计算。其具体的计算公式则为：

4 系统测试

为验证上述方案的可行性，构建模拟测试平台。在模拟测试平台中，上电极固定在千分尺上，并通过旋转旋钮来调节上下电极之间的距离，同时将石英晶片被放置在上下电极之间。

另外，对后台软件的开发中，则采用LabView对程序进行编写，通过测试将测量得到的共振频率显示在后台软件界面上（见图4）。

通过界面可以看出，被测晶片的共振频率为41.44MHz。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。而通过该界面看出，本测试系统可完整显示石英晶振片的频率。

5 结束语

本文结合当前比较流行的DDS技术，同时采用低通滤波器等方式，完成对晶振共振频率测量。而通对实验方案的验证，表明该实验可以很好地完成对石英晶振频率的测量，并为当前石英晶振的测量提供了一种低成本和便捷的试验方案，为石英晶振分选提供了参考。

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