石英晶體諧振頻率測量系統(tǒng)

摘要：在石英晶振的生產過程中，切割后的晶振片需要對其共振頻率進行快速測量，并通過機械手按頻率分選。本文介紹了一種結合單片機、直接數字頻率合成器(DDS)和增益鑒相器的簡單石英晶振共振頻率檢測系統(tǒng)，利用晶振阻抗隨激勵信號頻率而變化的特性，在100ms內測得其共振頻率，控制成本的同時保證了一定的測量精度。
關鍵詞：晶振；諧振頻率；單片機；直接數字頻率合成器

引言
石英晶振(quartz crystal unit，XTAL)簡稱晶振，是利用石英晶體的壓電效應產生高精度振蕩頻率的一種被動電子元器件，廣泛應用于現今的電子產品中。但在晶振的實際生產過程中，將研磨到設計厚度的大片石英晶體切割成小片后，每片石英晶體的尺寸有著細微差別，導致不同晶振小片之間共振頻率存在著差異。晶振在切割后必須先進行實際共振頻率的測定和分揀，以便后續(xù)加工。生產率和成本對測量精度和分揀速度都提出了很高的要求?，F代化的專用測量-分揀設備要求在1 s以內完成晶片的抓取、測量與分類投放工作，其中機械臂的抓取、投放等機械運動要耗費大部分時間，故留給晶振片參數測量的時間要求遠小于機械運動時間，即在100 ms以內。
國內外最早使用網絡分析儀來對晶振的電參數進行測量，以此對晶片進行分揀。但是網絡分析儀是針對更大帶寬、更普遍應用的實驗儀器，用網絡分析儀來測量晶振的電參數，雖然能獲得較高的精度與指標，但其投入也相當高。針對這樣的實際應用，本文介紹了一種單片機、直接數字頻率合成器(DDS)芯片、增益鑒相器芯片組成的晶振諧振頻率測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)相對網絡分析儀來說成本大大降低，且能滿足設備的測量速度要求，現已應用于實際的晶振分揀設備中。

1 測量原理
石英晶體的電學行為與RLC電路釋放類似，在鏈路應用中大致可以等效為圖1所示的RLC電路。

該等效電路的阻抗值可以表示為：
Z(s)=[1／(s·C1)+s·L1+R1]‖[1／(s·C0)] (1)
當施加在晶振上的電信號的頻率等于其自身諧振頻率時，晶振呈純阻性，且阻抗值最小。利用該特性，可以設計測量網絡來對晶振進行掃頻，依據測量網絡兩端的電信號的變化來判斷晶振是否諧振。

2 技術方案描述
根據上述測量方案，本系統(tǒng)基本的設計框架是利用單片機控制DDS對晶振進行掃頻(激勵)，通過鑒幅器來獲得測量網絡兩端電壓的比值(響應)，最后由單片機上的ADC來進行數據采集(測量)，進行必要的處理后通過通信模塊發(fā)送至上位PC機。這樣一個激勵-響應-測量的過程能夠建立起線性網絡的傳輸阻抗特性的數據模型，相當于一個針對常用晶振頻帶的小型網絡分析儀。系統(tǒng)的構成如圖2所示。

整個系統(tǒng)包括測量部分(測量網絡、AD9852、AD8302)，控制與計算部分(Freescale單片機)和通信模塊部分。測量時，上位PC機通過通信模塊對單片機進行初始設置和簡單控制，單片機即可自動控制測量部分對晶片進行測量。獲得相關測量參數后，單片機會對其進行存儲，最后將所有數據遞交給上位PC機。
2．1 單片機
本系統(tǒng)使用的單片機S12XS128(以下簡稱S12)是Freescale公司針對成本敏感型汽車電子類工業(yè)應用優(yōu)化的16位微控制器，是S12XE系列的精簡版。該單片機的最高總線時鐘頻率為40 MHz，具有128 KB Flash、8 KBRAM以及8 KB的EEFROM。S12自身帶有16通道的12位ADC，支持8／10／12位轉換精度，10位精度下平均單次轉換時間約3μs左右。另外，S12還支持控制區(qū)域網(CAN)、本地互聯網(LIN)和串行外設接口(SPI)協(xié)議等，具有16位計數器的8通道定時器等。
2．2 直接數字頻率合成器與射頻中頻增益鑒相器
AD9852是ADI公司生產的一款直接數字頻率合成器(DDS)，其內部集成了兩路12位高速ADC，具有48位可編程頻率寄存器和14位可編程相位寄存器，同時還具有12位可編程幅度調制寄存器。這保證了AD9852在300 MHz系統(tǒng)時鐘頻率下具有極高的頻率分辨率，且輸出相位、幅度可調。同時，輸出信號最高可達150 MHz的輸出范圍也滿足了設計需求。
石英晶振的幅頻特性可以直接通過另一款集成電路芯片AD8302來測量。AD8302是ADI公司生產的用于射頻中頻(RF／IF)幅度和相位測量的專用集成電路，其核心部件由兩個精密匹配的寬帶對數放大器和線性乘法器／鑒相器構成，能同時測量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內的兩路輸入信號之間的幅度比和相位差。圖3和圖4顯示了AD9852與AD8302的基本應用電路圖。