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內部時鐘速度可高迭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20kHz～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：石莢晶體；串聯諧振頻率；π網絡零相位法；DDS AD9912

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。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，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。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±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。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，實際測量對，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
本系統基于霄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 NANDFLASH存儲器電路等組成。圖3是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Cortex-M3 CFU，最高可達72 MHz工作頻率。STM 32F103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。