用于石英晶體測試的雙通道鑒相系統(tǒng)設(shè)計

摘 "要： 為提高石英晶體的測試效率，搭建了雙獨立通道的鑒相系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用同一DDS信號源同時激勵兩個π網(wǎng)絡(luò)電路，設(shè)計了兩個獨立的鑒相電路，可實現(xiàn)兩個通道同時鑒相。該系統(tǒng)采用差頻鑒相的方法，使用AD8302作為鑒相器件，在提高鑒相的效率的同時確保了π網(wǎng)絡(luò)零相位法的檢測精度。為驗證其可行性，將該系統(tǒng)應(yīng)用到石英晶體電參數(shù)測量系統(tǒng)中。該雙獨立通道鑒相系統(tǒng)的頻率測試范圍為1～200 MHz，實驗結(jié)果表明，鑒相精度達(dá)到±1°，滿足石英晶體的測試需要。

關(guān)鍵詞： 石英晶體; 雙通道; π網(wǎng)絡(luò)零相位法; 鑒相器

中圖分類號： TN710?34; TH70 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0133?03

Design of two?channel phase discriminator applied to quartz crystal test

WANG Xiao?yan， LI Dong， WANG Yan?lin

（School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： In order to improve the measuring efficiency of quartz crystal， a two?channel phase discriminator system applied to quartz crystal test is designed. One DDS signal generator are used in the system to inspire two π?network circuits. The two independent phase discriminator circuits are designed to discriminate the phase of two channels simultaneously. The difference frequency phase discriminating method is adopted in the system. The AD8302 is taken as a phase discriminator， which can improve the testing efficiency and ensure the testing precision simultaneously. In order to verify the viability of two?channel phase discriminator， it was used in a electrical parameter measuring system for quartz crystal test. The testing range of the two?channel phase discriminator system is 1～200 MHz. The experiment result shows that its phase discrimination accuracy is ±1°， which can meet the testing needs of quartz crystal.

Keywords： quartz crystal; two?channel; zero phase technique in π?network; phase discriminator

0 "引 "言

石英晶體諧振器（以下簡稱石英晶體）廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，主要為數(shù)字電路提供時間頻率基準(zhǔn)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，石英晶體元器件的性能有了很好的精度保證。在此基礎(chǔ)上，提高石英晶體的測試速率就有了很大的需要。

目前國外應(yīng)用于石英晶體的設(shè)備可以實現(xiàn)多通道同時工作，而國內(nèi)使用的多通道設(shè)備主要是國外進(jìn)口的，國產(chǎn)設(shè)備采用的方法基本是用兩套測控系統(tǒng)，采用多線程的方法。多通道鑒相系統(tǒng)不僅可以使用在石英晶體微調(diào)、石英晶體測試等的不同加工過程中，而且還在無線電通信等其他領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。因此多通道鑒相系統(tǒng)設(shè)計具有很強的實用性。

1 "π網(wǎng)絡(luò)零相位法原理分析

石英晶體電參數(shù)的測試方法主要有阻抗計法、π網(wǎng)絡(luò)最大傳輸法和π網(wǎng)絡(luò)零相位法。π網(wǎng)絡(luò)零相位法是國際電工委員會（IEC）推薦的石英晶體電參數(shù)測試的標(biāo)準(zhǔn)方法，也被我國選用為電參數(shù)測量的電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。π網(wǎng)絡(luò)零相位法的測試原理是將石英晶體插入π網(wǎng)絡(luò)中，在理想狀態(tài)下，當(dāng)電路諧振時，石英晶體對外呈現(xiàn)為純電阻，且阻抗最小，此時的π網(wǎng)絡(luò)為一個純電阻網(wǎng)絡(luò)，π網(wǎng)絡(luò)兩端的相位差為零，此時激勵信號的頻率即為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率。因此，在π網(wǎng)絡(luò)零相位法中，相位檢測很關(guān)鍵，相位差的檢測精度能夠影響電參數(shù)的測量精度。詳細(xì)的分析表明，對于一般的石英晶體來說，鑒相精度在±1°以內(nèi)時，其串聯(lián)諧振頻率的測量誤差[2]可以保證在±2 ppm。IEC推薦的π網(wǎng)絡(luò)電路如圖1所示。

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圖1 π網(wǎng)絡(luò)電路

2 "雙通道石英晶體測試技術(shù)研究

2.1 "雙通道石英晶體測試系統(tǒng)

石英晶體測試的雙獨立通道石英晶體電參數(shù)測試系統(tǒng)采用外差法鑒相，其系統(tǒng)框圖如圖2所示[3]。

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圖2 雙通道石英晶體測試系統(tǒng)原理框圖

計算機通過ARM控制信號源，信號源采用能夠同時發(fā)生四路頻率、幅度、相位均可獨立調(diào)節(jié)的DDS合成信號源AD9959。通過計算機改變信號源AD9959的頻率控制字使AD9959輸出掃頻信號。在通道1中，f0信號作為混頻器的本振信號，f1輸入給π網(wǎng)絡(luò)1，f2輸入給補償網(wǎng)絡(luò)1，網(wǎng)絡(luò)補償是為了補償π網(wǎng)絡(luò)與晶體插座引起的相移。f1，f2為同頻信號，f0與f1，f2的頻率差為10.7 MHz，經(jīng)過π網(wǎng)絡(luò)、補償網(wǎng)絡(luò)的信號f3，f4（與f3，f4同頻）作為混頻器的輸入，信號f3，f4經(jīng)過混頻器后通過低通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號頻率固定為10.7 MHz，這種保相降頻處理可以將對高頻信號的鑒相轉(zhuǎn)化為固定頻率的鑒相，相位檢測部分將濾波后的信號之間的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成一定比例關(guān)系的直流電壓信號輸出，直流電壓信號經(jīng)過放大電路輸入A/D轉(zhuǎn)換（選用的ARM自身帶有12位ADC），轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸入ARM進(jìn)行處理。當(dāng)相位差為零時，此時的掃描頻率即為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率。通道2原理同通道1。

系統(tǒng)中ARM采用STM32F103ZET6，該芯片是基于ARM Cortex?M3核心的32位微控制器，CPU主頻為72 MHz，共有3路共16通道的12位A/D輸入和2路共2通道的12位D/A輸出。

2.2 "雙通道鑒相系統(tǒng)設(shè)計

鑒相部分一般采用傳統(tǒng)的模擬鑒相的方法對相位差進(jìn)行測量，主要是將兩路正弦信號相乘，然后對乘積項進(jìn)行積分，得到相位差信息。這種方法對相位差非零時檢測精度較高，但相位差為零時檢測精度低。系統(tǒng)采用AD8302作為相位檢測器件，該器件將精密匹配的兩個對數(shù)檢波器集成到一塊芯片上，因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度[4]。在使用時只需要接很少的外圍器件，其工作電壓范圍為2.7～5.5 V，輸入信號最高頻率可達(dá)2.7 GHz。同時，它還提供對相位的精確檢測，檢測范圍為0～180°，檢測誤差小于1°，能夠很好地滿足系統(tǒng)測試精度的要求。

AD8302在操作時主要有測量、控制和電平比較三種工作方式，其主要的功能是幅度和相位的測量。其相位測量公式為：

[VPHS=V??VINA-?VINB]

式中：[?VINA]和[?VINB]分別是A，B兩通道的輸入信號的相位;[V?]為斜率（單位為mV/（°））;[VPHS]為相位比較輸出。

AD8302在測量模式下的相位差的理想響應(yīng)特性曲線如圖3所示。相位差為零時，電壓最大，為1.8 V;相位差為180°時，電壓最小，為0 V。

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圖3 AD8302的相位差響應(yīng)特性曲線

3 "軟件設(shè)計

測試程序包括校準(zhǔn)和測試兩部分，選用VC++ 6.0編寫。雖然在硬件電路中已經(jīng)添加了補償電路使附加相移減為最小，但是硬件補償具有一定的局限性，因此必須結(jié)合軟件補償方法對電路進(jìn)行校準(zhǔn)。對于單個通道的相位校準(zhǔn)，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，采用開路校準(zhǔn)、短路校準(zhǔn)和50 Ω電阻校準(zhǔn)的方法。由于電子元器件的差別以及石英晶體測探頭的不同等原因，兩個通道的相位特性并不是完全一致，因此需要采取方法來消除通道間的誤差。將石英晶體插座短路，此時AD8302的輸出值應(yīng)一致，控制信號源輸出頻率信號的相位值，分別記錄兩通道相位差為零時的相位值，此時的相位值即為初始相位。對兩個通道進(jìn)行相位補償，確保兩個通道的相位偏移的一致性。理論上，如果兩個通道相位偏移的方向及程度較一致，在一定范圍內(nèi)可認(rèn)為兩通道間的一致性是較好的。在石英晶體的檢測過程中，這些誤差將被校準(zhǔn)，使得鑒相的精度及一致性更為精確。測試流程圖如圖4所示，首先初始化各個芯片，初始化完成后根據(jù)上位機設(shè)定標(biāo)稱頻率、掃描范圍以及掃描步距等參數(shù)，通過改變AD9959的頻率控制字FTW使AD9959輸出掃頻信號，信號源以標(biāo)稱頻率為中心點，掃描步距為間隔，在掃頻范圍內(nèi)從低頻到高頻輸出頻率信號，同時檢測AD8302的輸出值，計算此時的相位值，顯示到上位機并將結(jié)果存儲到RAM中。判斷下一個掃描頻率信號是否在掃描范圍內(nèi)，若掃描頻率不在掃描范圍內(nèi)，結(jié)束測量，若掃描頻率在掃描范圍內(nèi)，繼續(xù)重復(fù)測量過程。

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圖4 軟件流程圖

由于篇幅問題，這里列出上位機程序的部分代碼。

int i;

CString str=\"\";

char tmpbuf[128];

strtime（tmpbuf）;

char chADout[20]=\"\"; " " " " " " "http://保存A/D轉(zhuǎn)換的字符串值

char chI[20]=\"\";

char chF[20]=\"\"，chR[20]=\"\";

CFile " fileDatafile，fileMuBias，fileMuBias2;

float fCenterFr=0，fStepResolution=0，fTemp，bias;

__int64 nRampRange=0，nFreCycle=0，nStep=0;

__int64 nFTW1=0，nFTW11=0，nFTW12=0;

int nADoutB=0，nADoutA=0;

UpdateData（TRUE）;

KillTimer（3）;

StepNu=1000000*m_nRampRange/m_fFrResolution/m_fCenterFr;

ad9959.OutCpld（）; " " " " " " " " " " " " " " " " "http:///輸出控制字

ad9959.OutAmplitude（100）; " " " " " " " " " " nbsp; " " //輸出幅值

fCenterFr=（float）（m_fCenterFr）;

//頻率合成器將要輸出的頻率

fStepResolution=m_fFrResolution*fCenterFr*1000/1000000;

nRampRange=（__int64）（0.5*（float）m_nRampRange*1000/（fRefClk*6）*0xffffffffffff）;

nFTW1=（__int64）（fCenterFr*1000/（fRefClk*6）*0xffffffffffff）; " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "http://轉(zhuǎn)換成頻率控制字

nStep=（__int64）（fStepResolution/（fRefClk*6）*0xffffffffffff）; " " " " " " " " " " "http://轉(zhuǎn)換成頻率控制字的頻率分辨率

nFTW11=nFTW1?nRampRange;

nFTW12=nFTW1+nRampRange;

UpdateData（FALSE）;

4 "結(jié) "語

針對π網(wǎng)絡(luò)零相位法檢測石英晶體電參數(shù)，本文介紹了以ARM為核心的雙通道鑒相系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的石英晶體鑒相系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的單通道擴展為雙通道，并結(jié)合了傳統(tǒng)PC機和單片機測試系統(tǒng)的優(yōu)點，在確保精度的同時提高了檢測石英晶體電參數(shù)的速率。該系統(tǒng)的鑒相精度達(dá)到±1°，滿足串聯(lián)頻率測試精度±2 ppm的要求。該系統(tǒng)仍然存在很多不足的地方，例如軟硬件電路補償方法的優(yōu)化以及如何提高通道一致性的方法，還需要進(jìn)一步的研究。

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