石英晶體諧振頻率測量系統(tǒng)

摘要：在石英晶振的生產(chǎn)過程中，切割后的晶振片需要對其共振頻率進(jìn)行快速測量，并通過機(jī)械手按頻率分選。本文介紹了一種結(jié)合單片機(jī)、直接數(shù)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(lì)信號頻率而變化的特性，在100ms內(nèi)測得其共振頻率，控制成本的同時(shí)保證了一定的測量精度。
關(guān)鍵詞：晶振；諧振頻率；單片機(jī)；直接數(shù)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(yīng)產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種被動(dòng)電子元器件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)今的電子產(chǎn)品中。但在晶振的實(shí)際生產(chǎn)過程中，將研磨到設(shè)計(jì)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(xì)微差別，導(dǎo)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(jìn)行實(shí)際共振頻率的測定和分揀，以便后續(xù)加工。生產(chǎn)率和成本對測量精度和分揀速度都提出了很高的要求。現(xiàn)代化的專用測量-分揀設(shè)備要求在1 s以內(nèi)完成晶片的抓取、測量與分類投放工作，其中機(jī)械臂的抓取、投放等機(jī)械運(yùn)動(dòng)要耗費(fèi)大部分時(shí)間，故留給晶振片參數(shù)測量的時(shí)間要求遠(yuǎn)小于機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間，即在100 ms以內(nèi)。
國內(nèi)外最早使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來對晶振的電參數(shù)進(jìn)行測量，以此對晶片進(jìn)行分揀。但是網(wǎng)絡(luò)分析儀是針對更大帶寬、更普遍應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)儀器，用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量晶振的電參數(shù)，雖然能獲得較高的精度與指標(biāo)，但其投入也相當(dāng)高。針對這樣的實(shí)際應(yīng)用，本文介紹了一種單片機(jī)、直接數(shù)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(wǎng)絡(luò)分析儀來說成本大大降低，且能滿足設(shè)備的測量速度要求，現(xiàn)已應(yīng)用于實(shí)際的晶振分揀設(shè)備中。

1 測量原理
石英晶體的電學(xué)行為與RLC電路釋放類似，在鏈路應(yīng)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(dāng)施加在晶振上的電信號的頻率等于其自身諧振頻率時(shí)，晶振呈純阻性，且阻抗值最小。利用該特性，可以設(shè)計(jì)測量網(wǎng)絡(luò)來對晶振進(jìn)行掃頻，依據(jù)測量網(wǎng)絡(luò)兩端的電信號的變化來判斷晶振是否諧振。

2 技術(shù)方案描述
根據(jù)上述測量方案，本系統(tǒng)基本的設(shè)計(jì)框架是利用單片機(jī)控制DDS對晶振進(jìn)行掃頻(激勵(lì))，通過鑒幅器來獲得測量網(wǎng)絡(luò)兩端電壓的比值(響應(yīng))，最后由單片機(jī)上的ADC來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(測量)，進(jìn)行必要的處理后通過通信模塊發(fā)送至上位PC機(jī)。這樣一個(gè)激勵(lì)-響應(yīng)-測量的過程能夠建立起線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸阻抗特性的數(shù)據(jù)模型，相當(dāng)于一個(gè)針對常用晶振頻帶的小型網(wǎng)絡(luò)分析儀。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)包括測量部分(測量網(wǎng)絡(luò)、AD9852、AD8302)，控制與計(jì)算部分(Freescale單片機(jī))和通信模塊部分。測量時(shí)，上位PC機(jī)通過通信模塊對單片機(jī)進(jìn)行初始設(shè)置和簡單控制，單片機(jī)即可自動(dòng)控制測量部分對晶片進(jìn)行測量。獲得相關(guān)測量參數(shù)后，單片機(jī)會(huì)對其進(jìn)行存儲(chǔ)，最后將所有數(shù)據(jù)遞交給上位PC機(jī)。
2．1 單片機(jī)
本系統(tǒng)使用的單片機(jī)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(yīng)用優(yōu)化的16位微控制器，是S12XE系列的精簡版。該單片機(jī)的最高總線時(shí)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(zhuǎn)換精度，10位精度下平均單次轉(zhuǎn)換時(shí)間約3μs左右。另外，S12還支持控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)、本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)和串行外設(shè)接口(SPI)協(xié)議等，具有16位計(jì)數(shù)器的8通道定時(shí)器等。
2．2 直接數(shù)字頻率合成器與射頻中頻增益鑒相器
AD9852是ADI公司生產(chǎn)的一款直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，其內(nèi)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(shí)還具有12位可編程幅度調(diào)制寄存器。這保證了AD9852在300 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下具有極高的頻率分辨率，且輸出相位、幅度可調(diào)。同時(shí)，輸出信號最高可達(dá)150 MHz的輸出范圍也滿足了設(shè)計(jì)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(chǎn)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(gè)精密匹配的寬帶對數(shù)放大器和線性乘法器／鑒相器構(gòu)成，能同時(shí)測量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內(nèi)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(yīng)用電路圖。