DDS技術在高頻石英晶體測試系統中的應用

摘 要：在此介紹了一種以DDS芯片AD9912作為信號源的高頻石英晶體測試系統。AD9912是一款直接數字頻率合成芯片。一方面，AD9912內部時鐘速度可高達1 GSPS，并集成了14位數/模轉換器，可以直接輸出400 MHz信號；另一方面，AD9912的頻率控制字為48位，可以小于4 μHz的分辨率輸出信號。由于采用了DDS芯片AD9912作為信號源，所設計的石英晶體測試系統能夠在20 kHz～400 MHz范圍內測試石英晶體的串聯諧振頻率。與國內目前普遍使用的基于振蕩器和阻抗計測試方法的測試儀相比，該測試系統具有測試頻率范圍寬、重復精度高等優點。

關鍵詞：石英晶體； 串聯諧振頻率； π網絡零相位法； DDS； AD9912

中圖分類號：TN91934 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22015104

0 引 言

石英晶體諧振器（以下簡稱石英晶體）廣泛用作時間頻率基準和為時序邏輯電路提供同步脈沖［1］。石英晶體的測試方法主要有阻抗計法、π網絡最大傳輸法、π網絡零相位法［2］，其中π網絡零相位法是國際電工委員會（IEC）推薦的標準方法［34］。π網絡零相位法石英晶體測試設備在發達國家已廣泛使用。典型儀器是美國SA公司生產的250B零相位測試系統，其測試頻率范圍為0.5～200 MHz，串聯諧振頻率測試精度［5］±2 ppm。阻抗計型石英晶體測試設備在中國仍然占主導地位。阻抗計型石英晶體測試設備具有制造成本較低，操作簡單的特點。但其串聯諧振頻率測量范圍較小，測量精度較低。因此，研制寬范圍、高精度的石英晶體頻率測試系統，具有服務生產的實際意義。

π網絡零相位法石英晶體測試系統所能測量的頻率范圍和精度直接依賴于π網絡的掃頻信號源，為了使石英晶體測試系統的測量范圍達到20 kHz～400 MHz，需要研究設計一個信號源，該信號源的輸出頻率范圍為0～400 MHz，并且輸出頻率精度高、穩定度高、頻率分辨率高、頻率切換速度快。

1 π網絡零相位法高頻石英晶體測試系統設計

1.1 石英晶體電參數等效模型

石英晶體具有壓電效應，當外加交變電場的頻率等于其固有頻率時，石英晶體將產生機械諧振，該機械振動通過壓電效應與振蕩電路相耦合產生電諧振，這種情況下石英晶體可以等效為圖1所示的RLC諧振電路［6］。其中，C0是靜電容，L1為動態電感，Rr是串聯諧振電阻，C1為動態電容。

1.2 π網絡零相位法石英晶體頻率測試原理

IEC 推薦的π網絡模型如圖2所示，π網絡由對稱的雙π型回路組成，R1，R2和R3構成輸入衰減器，R4，R5和R6構成輸出衰減器，它們的作用是使π網絡的阻抗與測量儀表的阻抗相匹配，并衰減來自測量儀器的反射信號。Y為被測石英晶體。VA為π網絡輸入信號，VB為π網絡輸出信號，實際測量時，不斷改變輸入信號的頻率，測量輸入信號和輸出信號的相位差，當石英晶體處在諧振狀態時，整個π網絡呈純電阻性，輸入信號和輸出信號之間相位差為零。因此，π網絡零相位法可通過檢測π網絡兩端信號的相位差是否為零來判斷待測石英晶體是否諧振，從而測出石英晶體的串聯諧振頻率。當π網絡兩端信號的相位差為零時，石英晶體處在諧振狀態，石英晶體串聯諧振頻率等于π網絡輸入信號頻率。

1.3 測試系統設計

本系統基于π網絡零相位法設計而成，由DDS電路、π網絡電路、鑒相電路、模擬信號處理電路、串口電路、LCD電路、觸摸屏電路、鍵盤電路、512 MB NAND FLASH存儲器電路等組成。圖3是晶體頻率測試系統原理框圖。

圖3 晶體頻率測試系統原理框圖高頻石英晶體測試系統以一款ARM芯片STM32F103作為核心單元。STM32F103內核為32 b的CortexM3 CPU，最高可達72 MHz工作頻率［7］。STM32F103通過內置高速SPI總線與DDS芯片AD9912相連，控制AD9912輸出掃頻信號。

當被測晶體放入π網絡電路后，在不同的掃頻信號作用下，π網絡兩端輸入和輸出信號的相位差不同。π網絡兩端的輸入信號和輸出信號分別送入鑒相電路，在鑒相電路的輸出端得到與π網絡兩端輸入和輸出信號的相位差成正比的電壓信號。鑒相電路的輸出電壓信號和輸入信號相位差之間的關系如圖4所示［8］。

圖4 輸出電壓和輸入信號相位差之間關系鑒相電路的輸出電壓信號經過信號調理電路轉變為適合于進行ADC采集的信號。信號通過STM32F103內置的12位ADC通道采集到處理器內部。測量過程時，DDS輸出信號的頻率由小變大，π網絡兩端輸入信號和輸出信號的相位差絕對值由大變小并逐漸接近于零，之后又由小變大。而ADC采集的結果則由小變大，到達最大值后，又由大變小。因此，這個最大值1.8 V處對應的DDS輸出信號頻率即為石英晶體的串聯諧振頻率。

2 DDS技術在測試系統中的應用

2.1 DDS技術

DDS有2個突出的特點，一方面，DDS工作在數字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應改變，其跳頻速率高；另一方面，由于頻率控制字的范圍寬，頻率分辨率高。與傳統的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和頻率快速轉換等優點，廣泛應用于電子儀器儀表領域。

AD9912是ADI公司于2007年新推出的一款DDS芯片，內部時鐘速度可高達1 GSPS，并集成了14位數模轉換器，因此可以直接輸出400 MHz信號［9］。AD9912采用48位頻率控制字，輸出頻率分辨率小于4 μHz。AD9912兼容多種系統時鐘輸入方式，石英晶體、晶體振蕩器和外部時鐘都可以作為其系統時鐘輸入。由于具有片上系統時鐘鎖相環（PLL），允許系統時鐘輸入低至25 MHz。

2.2 信號源硬件設計

筆者選擇ADI公司的AD9912作為信號源的核心。STM32F103通過內置高速SPI總線控制AD9912輸出0～400 MHz的掃頻信號。AD9912的工作原理如圖5所示。

AD9912的外圍電路主要由5大模塊組成：電源、時鐘源、SPI通信接口、啟動配置邏輯、輸出信號處理電路。

AD9912的電源分為模擬3.3 V、數字3.3 V、模擬1.8 V和數字1.8 V四大類。模擬3.3 V和數字3.3 V經過濾波器互相隔離。模擬1.8 V和數字1.8 V經過濾波器互相隔離。AD9912的參考時鐘選用25 MHz的高性能恒溫石英晶體，AD9912內部的PLL電路對該參考時鐘進行40倍倍頻得到1 000 MHz時鐘信號作為AD9912的系統時鐘。32管腳CLKMODESEL為時鐘模式選擇管腳，如果使用石英晶體作為系統時鐘輸入，該管腳應該接地，如果使用振蕩器或者外部時鐘源作為系統時鐘輸入，該管腳應被上拉至1.8 V。由于選用的是石英晶體，該管腳接地。

圖5 AD9912的工作原理 SPI通信接口硬件連接如圖6所示。

啟動配置邏輯包含S1，S2，S3，S4四個管腳。其中S4為邏輯0時，選擇時鐘模式：使用石英晶體作為系統時鐘輸入，并且由AD9912內部的PLL電路進行倍頻得到時鐘信號；S4為邏輯1時，選擇時鐘模式：由外部直接輸入時鐘信號［9］。因此，把S4設置為邏輯0。S1、S2和S3的8種不同邏輯組合，用來選擇8組預置的16位頻率控制字。允許在未配置I/O寄存器的情況下，產生8種頻率不同的信號。由于本測試系統需要的是掃描信號，不需要某固定頻率的信號，因此，把S1，S2和S3設置為邏輯0，使DDS在啟動時不輸出信號。

圖6 SPI通信接口硬件連接AD9912的輸出信號為差分信號，采用射頻變壓器將差分信號轉換為單端信號，并經過低通濾波電路和功率放大電路后輸入至π網絡和補償網絡。AD9912輸出信號處理電路如圖7所示。其中，DAC_OUT和DAC_OUTB是AD9912輸出的差分信號。

2.3 信號源軟件設計

處理器STM32F103控制AD9912輸出頻率信號，主要是通過SPI向AD9912的寄存器中寫入對應的值。

由于選用25 MHz的高性能恒溫石英晶體作為參考時鐘，需要使能系統時鐘PLL，應將寄存器0x0010的第4位設置為邏輯0。

寄存器0x01A0～0x01AD為輸出信號控制字，其中0x01A0～0x01A5為保留寄存器，0x01A6～0x01AB為頻率控制字，0x01AC～0x01AD為相位控制字。

輸出信號頻率與頻率控制字關系為：fDDS=（FTW/248）fs

（1）式中：fDDS為AD9912輸出信號頻率；FTW為頻率控制字；fs為AD9912的系統時鐘頻率。

由式（1）得到：FTW=round［248（fDDS/fs）］

（2） 例如，當fs=1 GHz，fDDS= 19.44 MHz，則FTW=5 471 873 547 255（即0x04FA05143BF7）［10］。

輸出信號相位與相位控制字關系為：Δφ=2∏（Δphase/214）

（3）式中：Δφ為AD9912輸出信號相位；Δphase為相位控制字。由于信號源需要應用于高頻石英晶體測試系統中，所以，不能只輸出一個固定頻率的信號，必須輸出掃頻信號。測試之前，通過鍵盤或觸摸屏輸入待測晶體的標稱頻率、起始掃描頻率、終止掃描頻率、掃描步進頻率。處理器根據式（2）算法，由掃描步進頻率計算出掃描步進控制字（以下稱為FTWstep）。圖8所示為信號源應用于高頻石英晶體測試系統的軟件流程圖。

3 實驗結果

信號源的精度和穩定度直接影響到測試系統測量石英晶體頻率的精度和穩定度。因此，使用CNT90型頻率計測量本系統信號源輸出的信號頻率。實驗結果表明，信號源輸出信號頻率的精度高于±0.1 ppm，頻率的穩定度高于±0.1 ppm，實驗數據如表1所示。

表中，f為設定的頻率值；f－為實際測量的頻率平均值；Δf/f為相對偏差。

4 結 語

本設計成功地把DDS技術應用到高頻石英晶體測試系統中。實現了基于DDS技術的寬帶信號源。該信號源具有輸出頻率范圍寬、精度高、穩定度高、頻率分辨率高、頻率切換速度快的特點，從而滿足了高頻石英晶體測試系統對信號源的要求。

參 考 文 獻

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作者簡介： 彭翠悅 女，碩士研究生。主要研究方向為測試計量技術及儀器。

王艷林 男，碩士研究生導師，副教授。主要研究方向為測試計量技術及儀器。2012年11月15日第35卷第22期