（测试计量技术及仪器专业论文）零相位法石英晶片测试仪的研制.pdf

v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：工华军 彻俾岁月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在乡年解密后适用 本授权- 1 。 指导教师签名： 零弓 学位论文作者签名：髟降 御多年乡月多l e t泖莎年多月石l e t i i 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 i i i 签名：夏牟埠 洌年3 月多日 摘要 摘要 本文研究了网络零相位法的石英晶片测试技术，在此基础上研制了基于 该测试方法的石英晶片测试仪。 晶片测试仪硬件由测试部分和控制部分组成。其中测试部分包括信号发生 器、滤波、形网络、幅度和相位检测、信号放大和隔离等模块；控制部分包 括单片机、复杂可编程逻辑器件、信号采集与模数转换、键盘控制、数码显示、 串口通信等模块，测试仪应用程序用c 5 1 语言编写。 所设计的晶片测试仪能够在1 m h z 8 0 m h z 频率范围内测试晶片的串联谐振 频率、串联谐振电阻，并可根据预先设定的标称频率和所测的谐振频率实时地 计算出频率偏差等级，由数码管分别显示出谐振频率、谐振电阻和偏差等级三 组参数，频率重复测试精度为5 1 0 一。与国内目前普遍使用的基于振荡器和 阻抗计测量方法的石英晶片测试仪相比较，仪器具有测试方法符合国际标准、 测试频率范围宽、重复精度高、可以测量谐振电阻以及可以检出寄生谐振频率 等特点。 本课题的研究成果有助于在国内晶体生产行业推广使用符合国际标准的测 量方法，解决目前广泛使用的晶片测试仪在性能上存在的若干问题，提高石英 晶片的测试水平和产品质量。 关键词：测试；网络；石英晶片；谐振频率 i v a b s t r a c t a b s t r a c t t h eq u a r t zw a f e rm e a s u r i n gt e c h n o l o g yb yz e r op h a s et e c h n i q u ei na7 c n e t w o r k i sr e s e a r c h e d ，a n dt h e nq u a r t zw a f e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e do nt h em e t h o di s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h eq u a r t z 、a f e r m e a s u r i n gi n s t r u m e n tc o n s i s t so fm e a s u r e m e n tp a r ta n d c o n t r o lp a r t t h em e a s u r e m e n ti sm a d eu po fad i g i t a l s i g n a ls y n t h e s i z e r , af i l t e r , a 兀。n e t w o r k ，ag a i na n dp h a s ed e t e c t o r , s i g n a la m p l i f i e r s ，e t c t h ec o n t r o lp a r ti sm a d e u po fm i c r o c o n t r o l l e r , ac o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s i g n a ls a m p l i n ga n d a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r , k e y b o a r d ，l e d s ，u a r ta n ds oo n ，b e s i d e s ，t h ec l a n g u a g ep r o g r a ma p p l y i n gt ot h i si n s t r u m e n ta l r e a d yw o r k e do u t t h ei n s t r u m e n tc a nm e a s u r et h er e s o n a n c e f r e q u e n c y , e q u i v a l e n t s e r i e s r e s i s t a n c ea n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h em e a s u r e dr e s o n a n c ef r e q u e n c ya n dt h e l a b e l e df r e q u e n c yi nt h e f r e q u e n c yr a n g ef r o m1m h zt o8 0m h z ，d i s p l a yt h e s e p a r a m e t e r sw i t hl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ，a n dt h er e l a t i v er e p e a t a b l ep r e c i s ei su pt o 5 10 c o m p a r i n gw i t ht h ed o m e s t i cs i m i l a rd e v i c e sb a s e do nt h e o s c i l l a t o ro r i m p e d a n c e p r o b e ，i tp r o v i d e sm o r ea d v a n t a g e ss u c ha sa c c o r d a n c ew i t hi e cs t a n d a r d ， w i d e r f r e q u e n c ym e a s u r i n gr a n g e ，s h o w i n ge n e r g yo fq u a r t zw a f e r , e x c e l l e n t r e p e a t a b l ep r e c i s e ，e s p e c i a l l yt h eg o o da b i l i t yt oa c h i e v ee q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e a n ds t r a yf r e q u e n c ye t c t h i sr e s e a r c hp r o je c ti sh e l p f u lt og e n e r a l i z et h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r dm e t h o d i nt h eq u a r t zc r y s t a li n d u s t r y , s o l v es e v e r a lp e r f o r m a n c ep r o b l e m so ft h ec o m m o n q u a r t zw a f e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，a n di m p r o v em e a s u r i n gl e v e lo fq u a r t zw a f e ra n d q u a l i t yo ft h e i rp r o d u c t k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n t ，7 c - n e t w o r k ，q u a r t zw a f e r ，r e s o n a n c ef r e q u e n c y v 目录 目录 第1 章概述1 1 1 石英晶片测试技术发展现状与趋势1 1 2 课题任务及意义2 第2 章石英晶片测试原理和方法4 2 1 石英晶片电路模型与测试方法4 2 1 1 石英晶片的电路模型4 2 1 2 石英晶片的测试方法5 2 2 网络零相位法的电路分析7 2 3 网络零相位测试方法的实现7 第3 章测试仪的设计9 3 1 测试仪的整体设计9 3 2 测试部分设计1 0 3 2 1 信号发生器设计1 0 3 2 2 网络电路设计1 1 3 2 3 幅度、相位检测设计1 2 3 2 4 放大和a d 采集部分设计1 4 3 3 控制部分设计1 6 3 3 1 单片机选择1 6 3 3 2 单片机片内器件管理1 8 3 2 3c p l d 设计1 9 3 3 4 串口通信设计2 2 3 3 5 数码显示设计2 3 3 3 6 键盘控制设计2 4 v i 目录 3 4 软件部分设计2 6 3 4 1 单片机应用程序设计2 6 3 4 2c p l d 接1 2 1 逻辑程序31 3 5 仪器结构与外壳设计3 l 第4 章测试实验和结果分析3 3 4 1 测试仪的重复性测试实验3 3 4 2 与c o m 一1 型石英晶片测试仪比对实验3 4 4 3 结果分析3 7 第5 章结论与展望3 9 致谢4 0 参考文献4 1 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果4 3 v i i 第1 章概述 第1 章概述 1 1 石英晶片测试技术发展现状与趋势 石英晶体谐振器( 以下简称石英晶体) 是现代电子技术领域中的基础元件 之一。石英晶体具有高度稳定的物理化学性能，而且弹性振动损耗极小，与其 它电子谐振器相比，有着很高的频率稳定度和q 值。这些突出的优点使其成为 选择频率和稳定频率的重要元器件，广泛用做时间基准和时序逻辑电路的同步 脉冲，例如频率高度稳定的石英晶体已被广泛应用于通信技术、测量技术、计 算机技术和石英钟表制作技术等领域，它可为各种应用提供精确定时或时钟基 准信号从普通的儿童玩具、电子表到彩电、音响、v c d 、计算机、医用电子设 备、汽车电子等都离不开它。随着计算机、微电子等行业的飞速发展，尤其是 数字电子技术的广泛应用，石英晶体元器件的市场需求量快速增长，同时对其 性能的要求向高频率和高精度的方向发展，因而对其谐振频率及其它电参数的 检测技术提出了更高的要求。 石英晶片是石英晶体在镀电极和封装前的半成品，是晶体振子的核心。在 生产中要求对其串联谐振频率、串联谐振电阻等参数进行全检。 随着石英晶体的广泛应用，研制对石英晶片参数进行批量、快速测量的仪 器成为迫切的需要。目前石英晶片的实用测量方法主要有振荡器法、阻抗计法、 网络最大传输法、网络零相位法，其中丌网络零相位法是国际电工委员会 ( i e c ) 规定的标准方法，该方法也被我国电子行业选用为标准方法。 在生产和试验中应用于石英晶片电参数测量的方法特点比较如下：阻抗计 法的特点是设备简单，操作方便，测量精度能满足一般要求，适于生产上使用， 但是不能测试寄生谐振频率，当谐振电阻很大和频率较高时，均须采用网络 法测量。后两种方法测量精度较高，但网络传输法是通过检测兀网络中石英 晶片的阻抗变化来判断石英晶片的谐振状态，网络零相位法是通过检测网 络中石英晶片两端的相位变化来判断石英晶片的谐振状态，而发生谐振时，石 英晶片的相位变化比阻抗变化更为显著，所以兀网络零相位法的测试精度更高。 目前发达国家主要使用兀网络零相位法测量石英晶体成品参数，其典型仪 器是美国s & a 公司生产的2 5 0 b 零相位测试系统，其测量频率范围0 5 2 0 0 m h z ， 第1 章概述 串联谐振频率测量精度2 p p m 。通过增加一些附件，该系统也可以用于石英晶 片的参数测量，但价格昂贵。 国内目前主要采用振荡器法和阻抗计法测试石英晶片，其典型仪器是本实 验室开发的振荡器型c o m 一工晶片测试仪，其最高测试频率为3 5 m h z ，频率测量 分辨率为l o p p m 。与网络零相位法测量仪器相比，具有测量频率范围窄，精 度低等不足之处。国内也开发有少量的基于网络最大传输法的测试仪器，主 要应用于石英晶片自动分选机。 与石英晶片自动分选机相比，普通的石英晶片测试仪以其使用方便、灵活， 成本较低等特点，仍得到最广泛的应用。 1 2 课题任务及意义 本课题的任务是研究网络零相位石英晶片测试技术，研制基于网络零 相位法的石英晶片测试仪，该仪器能在1 m h z 8 0 m h z 的频率范围内测试石英晶 片的谐振频率、谐振电阻，其中谐振频率的重复测试精度为5 1 0 咱p p m ；并能 依据测试频率与石英晶片的标称频率的偏差，计算出频率偏差等级；仪器能测 试寄生谐振频率，必要时能通过串口与p c 机进行通信，以进行进一步的数据分 析和复杂计算等。仪器配置有键盘和数码显示部分，可通过人工操作灵活地设 置中心频率、电阻阈值、分档间隔数值等参数，加速石英晶片的测试过程。具 体课题内容如下： 选择一种单片机作为仪器的控制核心，要求该款单片机具有足够容量的存 储空间用于存放应用程序，同时具有满足石英晶片测试需要的运行速度，最好 能集成片上模拟信号输入口，直接进行模数转换，采集外部信号，降低电路复 杂度，提高工作可靠性；设计适用于石英晶片参数测量的高频信号源，借助于 适用的i c 芯片，用d d s + c p l d 技术来实现相关信号发生接口电路的设计；用兀网 络零相位石英晶片测试方法实现高精度、高速的石英晶片串联谐振频率、串联 谐振电阻的测量；设计工作可靠、性能稳定的鉴相电路和鉴幅电路，并且配置 合适的选择电路及信号放大电路；借助于集成键盘控制芯片，设计仪器的键盘 扫描和l e d 数值显示电路，以实现良好的人机接口，同时设计串行通信接口， 必要时，可以使测试仪与p c 机进行通信。另外，采用通用性好、便于移植的计 算机语言为单片机编制应用程序，在软、硬件的配合下实现石英晶片测试功能。 本课题中除了设计、制作测试仪核心部分的硬件电路和应用软件，还为之制 2 第1 章概述 作了使用方便的操作面板和机体外壳，进一步完善了测试仪的整体设计。 根据调研情况，目前国内还未研制出符合网络零相位法的石英晶片测试仪 器，并且目前国内对石英晶片基频的测试需求最高为6 0 m h z ，符合国际标准并且 能满足国内石英晶片测试要求的进口仪器的成本又非常昂贵，为此急需提升国 内石英晶片的测试水平，在追赶国际石英晶片测试标准的同时，加速研制具有 自主知识产权的石英晶片测试仪器，摆脱对国外测试仪器的依赖。因此，按照 国际电工委员会推荐的网络零相位石英晶片测试标准( i e c - 4 4 4 ) ，研制出可 满足国内石英晶片频率测试范围和测试精度的石英晶片测试仪器将具有重要的 意义。 目前国内对类似仪器的开发还不成熟，不完善，并且整体水平不高。本课题 组对石英晶片测试技术进行了长期、深入的研究，先后设计、制作出一系列的 石英晶片测试仪器。因此，进一步探索石英晶片参数测量的实现手段，提高相 应的精度和技术水平，具有重要的理论意义。同时本测试仪的研制对石英晶体 生产行业建立统一的和国际接轨的工业检测标准具有重要的促进作用，从而使 我国生产的石英晶体产品符合国际标准，提升产品质量档次，增强产品国际市 场竞争力。 本课题来源于北京市重点实验室( 机电系统测控) 开放项目。 3 第2 章测试原理和方法 第2 章石英晶片测试原理和方法 2 1 石英晶片电路模型与测试方法 2 1 1 石英晶片的电路模型 如果把交变电压施加于石英晶片的两个电极之间，通过逆压电效应，石英 晶片便产生机械振动，同时又通过正压电效应而输出电信号；当交变电压的频 率与石英晶片固有振动频率一致时，石英晶片呈纯阻性，两极间的相位差为零， 而且阻抗最小。此时夕t j j h 信号的频率就称为石英晶片的串联谐振频率，此时的 等效电阻就称为串联谐振电阻。 根据石英晶片的振动特性与电信号的关系，图2 1 为石英晶片的电路符号， 其等效电路如图2 2 ，其中r ，为谐振电阻，l 。为等效电感，c 。为等效电容。 不。 叫口卜 图2 1 石英晶片电路符号 图2 2 石英晶片等效电路 晶片发生谐振时的谐振频率f ，为： 乃：坠一 ( 2 1 ) 2 1 4 c l l l 由石英晶片的等效电路模型，得出其阻抗一频率特性变化曲线如图2 3 所 4 第2 章测试原理和方法 z 图2 3 石英晶片阻抗频率特性曲线 从图2 3 可知，整个频段可以分成两个部分。在i 部分中，f f r ，石英晶 片呈容性；在i i 部分中，f ) f r ，石英晶片呈感性：在f = f r 处，把f r 称为该 石英晶片的串联谐振频率，此时石英晶片的等效阻抗为一个纯电阻r r 且为最小 值，此电阻即为石英晶片的串联谐振电阻。本仪器主要测试的是石英晶片的串 联谐振频率f 。 2 1 2 石英晶片的测试方法 在生产和试验中应用于石英晶片电参数测量的方法主要有阻抗计法、丌网 络最大传输法和网络零相位法。阻抗计法的特点是设备简单，操作方便，测 量精度能满足一般要求，适于生产上使用，但是当谐振电阻很大和频率较高时， 均须采用网络最大传输法和兀网络零相位法测量。后两种方法测量精度较高， 但测试网络设计和制造要求很严格。 1 、阻抗计法： 阻抗计法是利用石英晶片与外部电路构成的振荡器来确定串联谐振频率和 负载谐振频率。只有石英晶片处于串联谐振或者负载谐振状态时，振荡器才能 满足起振条件并正常工作。此时就可以确定石英晶片的参数。阻抗计法电路简 单、成本低，是确定石英晶片主模的谐振频率和等效电阻的最方便的仪器，但 它并不适用于确定非谐波及其弱激励振动模的频率或等效电阻。阻抗计法适用 于频率低于3 0 m h z 的石英晶片测量。由于该仪器成本低，现在生产石英晶体元 件厂家普遍使用阻抗计来测量并调整石英晶体元件的频率。但是，随着通信与 计算机技术的发展，对高频、高精度、高稳定度的石英晶体元件的需求越来越 5 第2 章测试原理和方法 多。因此，现有的阻抗计法已无法满足高频、高精度晶体元件的生产。 2 、网络最大传输法 石英晶片有固有串联谐振频率，当外加于石英晶片两端的频率等于该频率 时，石英晶片呈纯阻性，而且阻抗最小。n 网络传输法测量石英晶片的参数时， 将石英晶片置于网络的串联支臂中，当石英晶片处于谐振状态，网络输出 端电压最大，此时频率合成器输出的激励信号频率就是最大传输频率f m 。f m 近 似为石英晶片的谐振频率。对于一个宽范围网络的频率响应分析，还可以确 定寄生响应频率的位置和幅度。因此将对石英晶片电参数的测量简化为对网 络在特定激励信号下的响应测量和分析。从网络输出端采集到的在一系列特 定激励频率响应的数据进行分析，可以很方便的测量出晶片谐振频率、寄生频 率、杂波数、相对活力等参数。 3 、网络零相位法 零相位法测量频率范围宽、精度高。它是采用频率扫描的方法测量石英晶 片的固有谐振频率。所以零相位法成为i e c ( 国际电工委员会) 推荐的石英晶片电 参数测量的标准方法。因此，我们采用零相位法测量石英晶片。i e c 推荐的网 络零相位法的测量原理示于图2 4 。 图2 4 兀形网络零相位法测量电路原理图 根据谐振频率的定义，当石英晶片的电气阻抗为电阻性时的频率为谐振频 率。将石英晶片插入形网络的夹具中，信号发生器产生的测量信号经功率衰 减器，由功率分配器分成两个通道，插入石英晶体元件的形网络串接在其中 的一个通道，施加于晶体的激励功率由功率衰减器控制。跨接于兀形网络的相 位计指示晶体传输导纳的相位，当两个通道的相位差为零时，频率计所指示的 频率就是石英晶片的谐振频率。零相位是通过在形网络中插入一个基准电阻 器而校准的，由功率分配器分出的两个通道的电压读数可以计算谐振电阻。由 6 第2 章测试原理和方法 谐振频率和谐振电阻可计算出石英晶片的其他参数。 2 2 网络零相位法的电路分析 兀网络零相位法的实用的测量电路原理口8 1 如图2 5 所示。 u a l lb 图2 5丌网络零相位法测量原理图 图中y 。为被测石英晶片，它与两个低阻值电阻r 。组成一个“ 形网络。 测量时，在网络一端输入一个交流信号u ，由跨接于网络两端的相位 计测量石英晶片两端的相位差，不断改变u 。的频率，一旦相位计的读数为零， 网络处于谐振状态，这时信号u 的频率即为石英晶片的串联谐振频率。此时 的谐振电阻r r 计算公式如下： r ，：堑二堕尺， 甜b ( 2 2 ) c 小c 小c 。是测量中所使用的石英晶片的夹具、网络设计中所使用电阻 及布线等因素所引入杂散电容，它们将影响石英晶片参数的测量精度，这可以 通过硬件和软件两个方面进行补偿。 2 3 网络零相位测试方法的实现 按照前一节的零相位法测试原理，结合形网络电路的特点，所设计的硬 件测试流程图，如图2 6 所示。 7 第2 章测试原理和方法 图2 6 测试流程图 测试方法的实现思路为：以c p u 为仪器的测试和控制的核心；在c p u 的控 制下，信号发生器产生特定相位、幅度、频率的正弦波，经低通滤波、幅度放 大后输入兀形网络；共有两路形网络，一路加有石英晶片，另一路是纯阻性 网络，信号经这两路网络之后，进入幅度、相位检测部分；一旦两路n 网络的 输出信号的相位差为零，即石英晶片处于谐振状态，也呈纯阻性时，与该零相 位点对应的转换电压将达到最大值；电压的变化情况经采样、a d 转换之后，输 入c p u 进行处理；当在特定的频率点时，采集电压达到最大值，则判定此时的 频率为所测试晶片的串联谐振频率。 人机交互部分方便了对仪器实时的调整和操作。首先操作者要根据待测石 英晶片的标称频率，对仪器设置一个测试的“中心频率”，这样有利于仪器快速、 准确地测试晶片；其次需要对测试的分档间隔、谐振电路阈值等进行预先设定； 最后，晶片的测试结果需要由显示部分显示出来，供操作者判断晶片是否合格、 合理分档。 8 第3 章测试仪的设计 第3 章石英晶片测试仪的设计 3 1 测试仪的整体设计 测试仪主要由单片机、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 、信号发生器( d d s ) 、 九网络、幅度相位检测、信号放大、键盘控制、数码显示、串口通信等硬件部 分和c p l d 逻辑连接程序、单片机应用程序等软件部分组成。图3 1 是测试仪原 理框图。 图3 1测试仪原理框图 如图3 1 所示，整个仪器的控制核心是单片机；仪器上电复位后，需要由 人工通过4 4 键盘设置本批次待测石英晶片的中心频率和频率分档间隔；c p l d 对单片机的输入输出接口进行逻辑扩展，使之与外围键盘控制器、d d s 等不同的 外围硬件进行连接；单片机通过c p l d 来控制d d s ，使之产生正弦扫频信号，在 被测石英晶片标称频率附近由低到高扫描包含石英晶片的兀网络；由幅度、相 位检测期间对含有石英晶片的网络输出信号进行处理，由兀网络零相位法的 原理知道，当扫描频率与石英晶片的谐振频率相同时，石英晶片呈纯阻性， 网络两端信号的相位差为零，此时相位检测部分将之转化为最大输出电压。单 片机通过片上集成a d 采集此电压，以作出石英晶片是否出于谐振的判断。仪 器还设置了具有1 6 按键的键盘和1 0 位八段数码管，用于对仪器进行操作和测 9 第3 章测试仪的设计 试结果显示。 3 2 测试部分设计 测试部分包括信号发生器、网络、幅度相位检测以及检测信号的放大输 出等模块。如图3 2 所示。 图3 2 测试部分框图 v 娃6 信号发生器包括d d s 、低通滤波网络和信号放大等，用于产生频谱纯净、频 率变化可实现程控的正弦信号，以对网络电路进行扫描；幅度相位检测器件 对网络两端的相位差和幅度差进行检测，并将之转变成相应的电压信号v p n s 和 v 姒g - 这两路信号经放大之后，输入单片机的模拟信号输入口。 3 2 1 信号发生器设计 兀网络零相位法石英晶体测试仪需要的信号发生器具备以下要求：输出信号 为正弦波；输出频率范围宽( i 、8 0 m h z ) ；信号的频率稳定度好( 优于l p p m ) ；频 率分辨率高( 优于l p p m ) ；测试高q 石英谐振器时相位抖动应小于0 2 0 。另外根 据实际使用要求，还要求频率切换速度快。根据这些要求，需要选用适当的设 计方法才能达到上述要求。 正弦波信号发生器的设计方法很多，主要为振荡法、利用集成函数发生器 的方法、合成法等。以r c 、l c 为主振级的信号源中，频率准确度达到1 0 1 量级， 频率稳定度达到1 0 门1 0 。4 量级，远远达不到我们的要求。以石英晶体组成的振荡 器的频率稳定度可以满足要求，但是它只能产生某些特定的频率，也不能满足 我们的要求。为此需要采用频率合成技术设计本仪器中的信号发生器。 10 第3 章测试仪的设计 频率合成是指对一个或几个高精度、高稳定的标准信号频率，经过一系列 加、减、乘、除算术运算，产生有相同精度和稳定度的大量离散频率的技术。 频率的加、减由混频获得，乘、除通过倍频、分频获得。这种方法是目前应用 最广泛的高性能信号发生器的设计方法。频率合成方法主要有三种：直接频率 合成法、锁相环频率合成方法和直接数字频率合成方法。 仪器信号源采用基于先进的直接数字频率合成技术n 1 的d d s 芯片，它内部包 括可编程d d s 系统，高速、高性能d a c 及高速比较器，能实现全数字编程控制 的频率合成器和时钟发生器。它具有信号的频率扫描范围宽( 最高达1 5 0 m h z ) 、 频率转换时间极短( i i s 级) 、频率分辨率很高( 可达uh z 级) ，信号的频率、相 位和幅度均可实现程控等优点。外接精密时钟源( 参考时钟) 时，d d s 信号发生 器可产生一个频谱纯净，频率和相位都可以编程控制且频率分辨率高、稳定性 很好的模拟正弦波电压信号，适合作为石英晶片测试仪的信号源。测试仪所需 的信号合成过程如图3 3 所示。 图3 3d d s 信号合成流程 信号发生器部分的工作流程为：单片机通过c p l d 复位d d s ，清除d d s 先前 的工作状态，重新输入对信号的相位、幅度、频率进行设定的控制字，然后启 动信号合成；初次合成的信号含有较多杂波，必须通过低通滤波网络滤除；由 于d d s 最高可输出频率为1 5 0 m h z 的信号，所以设计一个上限为1 5 0 m h z 的低通 滤波网络是合适的。经过一次设定控制字，本部分最终可合成频谱纯净、符合 扫频信号要求的正弦波。如果该扫频信号的峰一峰值不能满足实际的石英晶片 测试电平，将进行适当放大。 3 2 2 兀网络电路设计 第3 章测试仪的设计 兀网络是应用冗网络法测试石英晶片参数的基础，它的性能对测试仪的测试 精度有至关重要的影响。本系统中构成兀网络的电阻是贴片电阻，这种的电阻的 高频性能较好，感抗小，再从电磁兼容性( e m c ) 角度，表贴元件是首选器件， 因为其寄生参数小得多，而且能在直到很高的频率提供令人满意的参数。在p c b 布线上尽量使双7 【网络对称设计，增大线宽，尽量减少引线拐弯，尽量使信号线 远离其它线路，并于电路板上的数字部分开布局，避免信号线上出直角拐弯。 石英晶片与石英晶体在起振条件上有所不同，故在测试石英晶片时需要设计适 合于石英晶片自身的兀网络。石英晶片测试时，需要从测试位置引线到电极，这 就产生了引线电感，系统应该尽量减小引线电感对石英晶片测量的影响，考虑 引线的长度与引线的材料。 如图3 4 中的所示，丌网络的输入信号i n 和输出信号o u t 的变化情况都将 被幅度相位检测器件进行检测。由石英晶片的特性可知，随着输入信号的频率 的变化，加在形电路网络中的石英晶片的阻抗将不断变化；一旦石英晶片处 于谐振状态，石英晶片呈纯阻性，网络两端信号的相位差为零，该零相位点 将是判断石英晶片处于谐振状态的关键。图3 4 中的元件参数均按照i e c 一4 4 4 标准设置。 图3 4形电路网络 而待测的7 c 网络两端的电压信号具有频率范围广、强度弱以及信号之间的幅 度差别大等特点，因此需要采用适当的测试电路和方法，才能达到相位检测要 求。 3 2 3 幅度、相位检测设计 测试相位差的方法比较多，主要有矢量法、零交叉检波法、开槽线法、高 1 2 第3 章测试仪的设计 频替代法、频率变换法、标准频率法等。根据石英晶体串联谐振频率测试的要 求及现有的技术条件，本测试仪采用了零交叉检波法来进行检测。 幅度相位检测器件口3 由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、 输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时 测量从低频到2 7 g h z 频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差，集成的 对数检波器可将误差源及温度漂移减小到最低限度幅度测量的动态范围扩展到 6 0 d b ，并且相位测量范围可达1 8 0 度。 相位检测芯片主要有测试、控制器和电平比较器三种工作方式。根据待测 信号的相位、幅值特点以及兀网络测试仪的要求，将其设计为幅度和相位测试方 式。鉴相电路框图如图3 5 所示。 图3 5 相位检测电路框图 本部分电路的基本功能是直接测试两路输入信号的幅度比和相位差，测试 模式下精确幅度测试比例系数为：3 0 m v d b ，精确相位测试比例系数为：l o m v 度。 在低频条件下，幅度和相位测试方程式为： = r p i 观el o g ( ) 一 。， g = ( 尺f k 2 0 ) ( 一) + ( 3 2 ) = 一尺f 忙) 一) 一9 0 。i ) + ( 3 3 ) 式中：和是以d b m 为单位的功率，在指定的参考阻抗下，它们可以 与输入的电压信号乖iv m b ( 单位为v ) 等价。对于幅度测试方程函数，尺f ，乩p 1 3 第3 章测试仪的设计 代表斜率为6 0 0 m v 度或者3 0 m v d b 。中心点9 0 0 m v 代表o d b 增益，从一3 0 d b 至1 + 3 0 d b 的增益区间覆盖了整个从0 v 到1 8 v 的输出电压变化范围，默认测试模式下的 幅度的理想响应特性曲线如图3 6 所示。 对于相位测试方程函数，r ，i + 代表斜率为l o m v 度。中心点9 0 0 m v 对应于 9 0 0 的情况下，从0 0 到1 8 0 0 的相位范围对应于从1 8 v 到0 v 的变化区间。从0 0 到一1 8 0 0 的对应同样大小相同的输出电压变化范围，只是斜率恰好相反，默认测 试模式下的相位的理想响应特性曲线如图3 6 所示。 图3 6幅值比响应曲线图3 7 相位差响应曲线 3 2 4 信号放大和a d 转换通道设计 单片机集成了一个快速的、8 通道、1 2 位、单端供电的模数转换模块( a d c ) 。 这个模块为用户提供了多通道选择，跟踪保持，片内参考电源，校准特性，以 及可以通过3 个s f r 接口寄存器来方便地配置该模块中所有的组件。 a d c 转换器由一个基于电容型d a c 的传统逐次逼近型转换器组成。转换器可 接受0 到v 唧范围内的模拟输入电压。片内还提供一个高精度( 1 5 p p m ) ，低漂移， 经工厂校准的2 5 v 电源参考端，也可连接一个外部参考电压。外部参考电压应 该在l v 和模拟电源之间。 用软件的方法或者对外部引脚施加一个转换信号，都可以初始化单步或连续 转换模式。定时器2 也可配置成用来产生a d c 转换的不断重复的触发器。a d c 可 以配置成d m a 模式，借此来进行连续的转换和捕获采样到外部r a m 空间中，而 没有来自单片机内核的任何中断。这种自动捕获方法可以通过一个1 6 m b 的外部 数据存储空间来扩展。 1 4 第3 章测试仪的设计 a d u c 8 4 2 自带已在工厂预编的校准系数表，上电的时候自动下载到a d c ，确 保了最佳a d c 性能。a d c 内核包含内部偏差和增益校准寄存器，可通过硬件校准 到最小系统误差。 a d c 的模拟输入范围是0 v 到v 。哪针对这个范围，被设计的代码跳变发生在 连续的整形l s b 值的中间时刻，例如，0 5 l s b ，1 5 l s b ，2 5 l s b ，f s - 1 5 l s b 。 当v 唧= 2 5 v 时，输出编码是直接二进制的，如1 l s b = f s 4 0 9 6 或者 2 5 v 4 0 9 6 = 0 6 1 m y 。 一旦经a d c c o n l 3 s f r 配置好，a d c 转换模拟输入，在a d c d a t a h l 提供一个 a d c1 2 位的结果字。a d c d a t a hs f r 的高四位是通道选择位，以指明通道结果， a d c1 2 位结果字的格式如表3 1 所示。 表3 1a d c 转换结果字格式 o 12 3 4567 a d c d a t a h转换电压的通道号( 0 - 7 ) 转换电压数码高4 位 a d c d a t a l 转换电压数码低8 位 为了使幅相检测部分的最大输出电压放大到a d 口的最高采集电压2 5 v ， 提高电压采集时的分辨率，同时又囚为单片机内部的a u 保持部件在训换米集 通道时，内部采样电容释放原通道的电荷需要一定的时间，如果直接将当前输 入通道切换至另一通道，所产生的瞬间累积高压将会损坏外部器件，仪器增加 了增益放大部分，来缓冲通道切换的影响，以保证仪器的可靠工作，因此选用 了一款既能放大信号又具有光隔离功能的放大器。仪器中所设计的信号放大部 分如图3 8 。 图3 8 仪器信号放大电路原理图 1 5 第3 章测试仪的设计 以a 通道为例，已知单片机最高转换电压为2 5 v ，外部输入信号最高电压 为1 8 v ，因此设定增益a 为： 么：一r f 2 ：型1 3 9 ( 3 4 )以= = 1 j yt ：5 4 ) 尺，l1 8 按上述增益分别配制r f l 和r f 2 、r f 3 和r f 4 ；电容c f l 、c f 2 起到对信号源 滤波的作用。经放大后的两路输出信号v i n l 和v i n 2 分别输入到单片机的a d 采集口中。 3 3 控制部分设计 测试仪的控制部分包括单片机( 片上包含a d 转换模块) 、c p l d 、键盘扫描、 数码显示、串口通信等模块。如图3 9 所示。 图3 9 控制部分框图 仪器的控制和数据处理核心是单片机，它内部集成了a d 转换模块，可对 外部模拟信号直接进行采集；c p l d 对单片机的输入输出口进行逻辑扩展以及实 现逻辑控制功能；单片机通过c p l d 连接键盘、显示控制器和d d s ，最终完成数 码显示、键盘扫描、数字信号合成等功能。 3 3 1 单片机选择 考虑到仪器所要达到的性能、仪器的成本以及所需要的丰富的控制功能等 1 6 第3 章测试仪的设计 问题，本仪器采用了a n a l o gd e v i c e s 公司研制的一款高性能单片机单片机 a d u c 8 4 2 阳1 ，该款单片机具有较强的控制功能和信号处理能力，内部模块结构如 图3 1 0 所示。 l c i 撼f 耵瑚- 1 嗣倒噱 图3 1 0a d u c 8 4 2 内部模块结构 所选用的a d u c 8 4 2 是以8 0 5 2 单片机为内核，集成有串口( u a r t ，s p i ，12 c ) 、 八路模拟信号输入币i a d 转换口、两路d a 转换和模拟输出口、p w m 输出、扩展的 数据和程序存储器、看门狗、电力供应监视器等外围设备。 它的高效率单循环内核，一个时钟周期就可执行一条指令，峰值速率可达每 秒2 0 兆条指令，并且可对内部锁相环( p l l ) 部分进行编程，对来自外部3 2 k h z 的时钟信号实现不同倍频，调节内核的实际运行速率，利于匹配其它外围速度 较慢的部件。片内集成的存储器部分有多达6 2 k b 的片内可电擦除程序存储器 ( f l a s h e ep r o g r a mm e m o r y ) ，4 k b 的片内可电擦除数据存储器 ( f l a s h e e p r o g r a mm e m o r y ) ，可方便地通过串口( u a r t ) 进行控制程序的下载、更新。它 集成有八通道、每秒可完成4 2 万次高精度转换的1 2 位的模一数转换器( a d c ) 端 1 7 第3 章测试仪的设计 口，可以直接采集外部的模拟信号。内核具有两级管理，1 2 个中断源，具有较 强的中断处理功能，利用对外部信号的实时响应。片内集成了多种串行通信接 口，如通用异步接收器发送器( u a r t ) 、智能总线控制器( 1 2c ) 、以及s p i 类型 串行输入输出口。除了通用的两个定时计时器之外，单片机还带有一个定时中 断计时器。 单片机a d u c 8 4 2 所具有的丰富的外围接口、较强的控制功能，运算能力以 及6 2 k b 的程序存储空间，可满足仪器的设计和性能要求。 3 3 2 单片机片内器件管理 仪器设计中采用的单片机是一个集成了许多外围器件的单片机，这就为整个 仪器的控制提供极大的方便。根据仪器设计所要达到的功能要求，使用到的片 内器件有：串口、外部中断、看门狗、e 2 r o m 、定时器、a d 转换器件、锁相环路、 输入输出管理等部分，它们与单片机的连接框图如图3 1 0 所示。 单片机的内核微处理器具有p o 、p 1 、p 2 、p 3 四组共3 2 个i o 口，其中：p o 口用于单片机与外部器件数据、地址的输入输出；p 1 口是单片机的模拟数据采 集口，共有八个模拟信号输入通道，具有1 2 位的转换精度，由片内的a d 转换 器在微处理器内核控制下完成数据的采集、转换，可以选择单点转换方式或连 续转换方式；p 2 口主要用于高位地址、控制信号的输出；p 3 口的各个管脚都具 有功能复用的特性，包括串口通信、外部中断输入、定时计数等功能。 除了上述片内器件之外，仪器设计中还使用了锁相环、看门狗、e 2 r o m 。 锁相环路将外部3 2 7 6 8 k h z 的时钟信号倍频到1 6 7 8 m h z ，供内部微处理器 使用，通过写相应的寄存器，可根据实际需要，对该1 ( 5 7 8 m h z 信号进行分频， 如1 6 分频、8 分频、4 分频、2 分频或直接使用等，仪器默认的是8 分频信号， 即2 0 9 7 1 5 2 m h z 的信号。根据实际外部测试、a d 数据采集速度，需要调整该时 钟信号，以使处理器内核的运行速度与其它器件的工作速度相匹配，有关具体 选择，由大量的测试实验来决定。 看门狗定时器的功能是在处理器进入一个错误状态或则受到噪声的影响，产 生一个中断，使处理器重新复位，保证整个仪器的正常工作。看门狗的延迟复 位时间可在1 5 6 m s 到2 0 0 0 m s 内选择。 片内e 2 r o m 包括p r o g r a me 2 r o m 和d a t ae 2 r o m 两种类型，是新型的闪速型存 储器，支持存储内容的多次更新，擦写。仪器设计中使用d a t ae 2 r o m 来存放用 1 8 第3 章测试仪的设计 户在测试前所设定的参数，以及刷新测试中更改的参数，以防止突然断电，或 者本次测试产品与上次测试的晶片是同一批次，具有相同的参数，这样当用户 再次开机进行测试时，直接使用d a t ae z r o m 所保存的参数进行测试，免去了不 断重复设定各种预设参数的麻烦。 按上述各部分的功能和与微处理器内核的关系，画出的简化的片上器件连接 框图如图3 1 1 所示： 蓁董雾藿 相中门豆 环断滴爱 图3 1 1 单片机片内器件连接框图 图中的i o 部分是用于单片机与外界进行信息交换的通道。 3 3 3c p l d 设计 仪器的设计中，单片机需要通过i o