（测试计量技术及仪器专业论文）石英晶体测试系统中信号源与计算机控制技术研究.pdf

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。 学位敝储虢节 k 衣o 。 年弓月：，口e t 指导教师签名： 苦豕 学位论文作者签名：节出f 弋 沙矽年岁月【。日劫叼年 = ；月，口日 行 文 的 集 任 日 、 摘要 摘要 本文研究了d d s ( 直接数字频率合成) 技术及嵌入式系统技术在基于网 络零相位法的高频石英晶体测试系统中的应用，设计制作了信号源和石英晶体 测试系统的控制系统，并在此基础上制作了高频石英晶体测试系统，其串联谐 振频率测试范围1 ，- - - 2 0 0 m h z ，串联谐振频率测试精度达到2 1 0 一，重复精度 达到1 1 0 一。 采用d d s 技术制作了输出频率范围0 2 0 0 m h z 的高稳定度、高分辨率、 高频率转换速度的宽带扫频信号源，并且该信号源可以实现四路独立调节频率、 幅值、相位的信号输出。信号源输出频率精度高于1 1 0 一，频率稳定度高于 1 1 0 。7 ，频率转换速度达到u s 级，分辨率达到h z 级。采用嵌入式系统实现 石英晶体测试系统的控制系统，以a r m 和c p l d 为核心设计控制系统的硬件电 路，扩展s d r a m 、f l a s h 以丰富系统资源，扩展以太网、a d 转换用于数据通 信和鉴相电压信号读取。为系统移植了嵌入式l i n u x 作为操作系统，编写l i n u x 下的设备驱动程序及应用程序使系统可以通过以太网通信完成实际测量工作， 采用v i s u a lc + + 6 0 编写p c 端的测量系统人机界面程序。 高频条件下7 【网络零相位法的一个主要误差来源是兀网络的分布参数引起 的附加相移，本文设计的信号源四路输出通道问可独立调节输出信号的相位差， 为兀网络零相位测试方法提供了新的误差补偿方式，提高了测试的精度。信号 源四路输出通道的输出频率可独立调节，满足外差式鉴相的需要。 本课题的研究促进了网络零相位法的应用，推动我国高性能石英晶体测 试系统的自主研发，对于石英晶体的生产发展具有积极的意义。 关键词：测试；丌网络；石英晶体；d d s ；嵌入式 一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e sd i r e c t d i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g ya n d e m b e d d e ds y s t e ma n da p p l i e st h e s et e c h n o l o g i e st oh i 曲f r e q u e n c yq u a r t zc r y s t a l m e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hb a s e do nz e r op h a s et e c h n i q u ei na p i n e t w o r k d e s i g n s a n dd e v e l o p st h es i g n a ls o u r c ea n dc o n t r o ls y s t e mo fh i g hf r e q u e n c yq u a r t zc r y s t a l m e a s u r e m e n ts y s t e m c o n s t r u c t st h eh i 曲f r e q u e n c yq u a r t z c r y s t a lm e a s u r e m e n t s y s t e mw h i c hf r e q u e n c yr a n g e sf r o m1m h zt o2 0 0 m h z ，r e s o n a n c ef r e q u e n c y a c c u r a c yi su pt o 2 10 ，t h er e p e a t a b l ea c c u r a c yi sh i g h e rt h a n 1 10 aw i d e b a n ds w e e ps i g n a ls o u r c ew i t hh i 曲s t a b i l i t y , h i 曲r e s o l u t i o na n dh i 曲 f r e q u e n c yc h a n g es p e e di sd e s i g n e db yd d s t e c h n o l o g y t h i ss i g n a ls o u r c eh a sf o u r o u t p u tc h a n n e l sw h i c hc a nt u n eo u t p u tf r e q u e n c y , a m p l i t u d ea n dp h a s e i n d e p e n d e n t l y t h es i g n a ls o u r c eh a sh i g hp e r f o r m a n c e ，f r e q u e n c ya c c u r a c yi s h i g h e rt h a n 1 10 一，f r e q u e n c ys t a b i l i t yi sh i g h e rt h a n 1 1 0 。7a n df r e q u e n c yr e s o l u t i o ni sl o w e r t h a nh z ，o u t p u tf r e q u e n c yc a nb ec h a n g e di ns e v e r a lm i c r o s e c o n d s t h ec o n t r o l s y s t e mo fq u a r t zc r y s t a lm e a s u r e m e n ts y s t e mi s d e s i g n e da se m b e d d e ds y s t e m d e s i g n st h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do na r ma n dc p l d ，t h e ne x p a n df l a s h ，s d r a m ， e t h e m e ta n da d c 。p o r t st h ee m b e d d e dl i n u xf o rh a r d w a r ea n dp r o g r a m st h ed r i v e r s a n da p p l i c a t i o n t h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea p p l i c a t i o ni sd e v e l o p e db yv c + + o n p ca n dc o m m u n i c a t e sw i t ha r mv i ae t h e m e tt oc o m p l e t et h er e a lm e a s u r e m e n t t h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e r so fp i n e t w o r kc i r c u i tw i l lc a u s ea d d i t i o n a lp h a s ee r r o r i nh i 曲f r e q u e n c ya n dt h i se r r o ri st h em a i ne r r o rs o u r c eo fh i g hf r e q u e n c yq u a r t z c r y s t a lm e a s u r e m e n ts y s t e m t h es i g n a ls o u r c ed e s i g n e di n t h i sp a p e rh a st h ea b i l i t y t ot u n ep h a s eo fo u t p u ta n dp r o v i d ean e wm e t h o dt oc o m p e n s a t et h es y s t e me r r o r t h es i g n a ls o u r c e sf o u rc h a n n e l sc a nc h a n g et h e i ro u t p u tf r e q u e n c yi n d e p e n d e n t l y a n dm e e t st h er e q u i r e m e n to f h e t e r o d y n ep h a s ed e t e c t i o n t h i sr e s e a r c hp r o je c tp o p u l a r i z e st h ea p p l i c a t i o no fz e r op h a s eo np i n e t w o r k t e c h n i q u e ，a c c e l e r a t e st h ed o m e s t i cr e s e a r c ho fh i g hp e r f o r m a n c eq u a r t zc r y s t a l m e a s u r e m e n ts y s t e ma n dc a nb o o s td o m e s t i cq u a r t zm a n u f a c t u r e 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 zc r y s t a l ；d d s ；e m b e d d e d i i 叫 目录 目录 第1 章引言1 1 1石英晶体测试技术发展现状与趋势1 1 2 课题任务及意义3 1 3 本章小结4 第2 章石英晶体的测试原理和方法6 2 1 石英晶体的理论模型和阻抗一频率特性6 2 2石英晶体电参数的测试方法7 2 3 网络零相位法的测试原理9 2 4 本章小结1 0 第3 章信号源与控制系统设计1 1 3 1石英晶体测试系统的整体设计1 1 3 2 信号源设计1 2 3 2 1d d s 技术工作原理1 2 3 2 2 信号源硬件设计1 5 3 3 控制系统设计1 7 3 3 1 控制系统整体设计1 7 3 3 2a r m 处理器的选择1 8 3 3 3 存储器扩展1 9 3 3 4 以太网扩展2 0 3 3 5r s 2 3 2 和j t a g 接口的扩展2 1 3 3 6u s b 接口的扩展2 1 3 3 7c p l d 和a d 转换扩展一2 2 3 4 控制系统软件设计2 4 i i i 目录 3 4 1 嵌入式操作系统选择比较2 4 3 4 2b o o t l o a d e r 的移植2 5 3 4 3 嵌入式l i n u x 内核及文件系统构建2 7 3 4 4 嵌入式l i n u x 下驱动程序及应用程序设计2 7 3 4 5p c 端人机界面程序设计3 3 3 4 6c p l d 桦序设计3 4 3 5 本章小结3 7 第4 章实验及结果分析3 8 4 1 信号源频率精度及频率稳定度测试实验及结果分析3 8 4 1 1 测试条什3 8 4 1 2 实验数据及分析3 8 4 2 信号源通道l 白j 输出信号相位差测试数据及分析4 0 4 2 1 测试条件4 0 4 2 2 实验数据及分析4 0 4 3 采用该信号源的石英晶体测试系统测试结果及分析4 3 4 4 控制系统的综合性能评估4 4 4 5 本章小结4 5 第5 章结论与展望4 6 致谢4 7 参考文献4 8 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果5 0 第1 章引言 第1 章引言 0 1 1 石英晶体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) 是一种广泛应用于通信、计算机、 电子仪表、家用电器等领域的电子元件，由于其具有频率稳定性好、品质因数 高、成本低等优点，被广泛用作时间频率基准和为时序逻辑电路提供同步脉冲。 随着电子科技产业的飞速发展，尤其是数字电子技术的应用越来越成为主流， 石英晶体的市场需求量越来越大，伴随数量的增长的同时对性能也提出了更高 的要求，表现在要求石英晶体频率更高、精度更高、稳定度更高等方面。 我国是石英晶体生产的大国，近年随着发达国家产业结构调整和石英晶体 市场需求的不断增加，我国石英晶体的生产行业飞速发展。在2 0 0 2 年时石英晶 体年产量为1 8 亿只，而到2 0 0 6 年时年产量已经达到5 0 亿只，并且仍有持续高 速增长的趋势。我国作为一个石英晶体的生产大国，其生产过程中使用的测试 仪器及检测设备大多仍依赖进口，进口设备价格昂贵，难以大面积普及推广， 这在一定程度上限制了我国石英晶体制造行业的发展。因此，研发具有自主知 识产权的高精度、宽量程、操作便捷的石英晶体测试设备具有重要的意义，对 于促进我国石英晶体制造行业的迅速发展具有积极的作用。 目前石英晶体测试中所采用的方法主要有阻抗计法、7 1 ；网络最大传输法、7 1 ； 网络零相位法等，其中7 1 ；网络零相位法是国际电工委员会( i e c ) 推荐的石英晶 体电参数测试标准方法，该方法也已经被我国采用作为石英晶体电参数测试的 电子行业标准【1 7 】【1 8 】。 目前发达国家的石英晶体测试系统主要采用兀网络零相位法，该方法的适 用频率范围是1 m h z 2 0 0 m h z ，串联谐振频率的测试精度可达到士2 1 0 ，串联 谐振频率测试重复精度高于士1 1 0 一，串联谐振电阻的测试精度为土5 ，其典型 代表仪器为美国s a u n d e r s & a s s o c i a t e s ( s a ) 公司生产的2 5 0 b 测试系统，该测 试系统可以测试4 0 多种晶体参数，频率范围为1 5 k h z 2 0 0 m h z ，串联谐振频 率测试精度为士2 p p m 。通过采用对高频条件下测试误差进行补偿等手段，可以进 一步提高石英晶体的测试频率范围，例如s & a 公司生产的2 5 0 c 测试系统在保 第1 章引言 证其他条件不变的情况下将测试频率范围扩展到5 0 0 m h z 。 石英晶体测试技术应该是朝着以7 1 ；网络零相位法为测试方法的高精度、宽 频带测试系统方向发展。北京机械工业学院电子信息工程系研制的7 1 ；网络零相 位法石英晶体电参数测试实验系统代表了国内的先进水平，其频率测试范围为 1 m h z 1 2 0 m h z ，串联谐振频率测试精度高于土2 1 0 ，但需要进行逐频点校准， 目前已成功应用于石英晶体微调系统。 信号源是7 1 ；网络零相位测试方法中的一个重要组成部分，采用兀网络零相 位法的石英晶体测试系统需要一个高分辨率、高频率转换速度的高频宽带扫频 信号源，目前广泛应用于信号源设计的频率合成技术主要有以下几种： 一、直接频率合成技术，该技术通过倍频、分频、混频电路对一个或几个 基准频率进行加、减、乘、除操作从而得到所需的频率，该方法具有频率转换 时间短、频率范围宽的优点，但是由于该方法是利用硬件运算电路来实现，所 以具有结构复杂、成本高的缺点，频率分辨率越高其复杂度就越高。 二、间接频率合成技术，又称锁相环技术，该技术通过一个闭环反馈系统 来控制压控振荡器产生输出信号，其产生的信号具声杂散小、远端噪声低、频 率范围宽的优点，但是由于他是一个反馈控制系统，需要一定的时间来完成环 路锁定，这也决定了该方法频率转换速度不高，另外频率切换的分辨率相对比 较粗糙，这些都是锁相频率合成技术的不足之处【6 】。 三、d d s 技术，该技术近年来随着集成电路和计算机的迅速发展而取得了 飞速的发展，他利用存储器将信号波形的数据事先保存起来，然后在频率控制 字和基准脉冲的作用下通过相位累加器从存储器中读出波形数据，经过数模转 换和滤波后得到所需的输出信号，通过存储不同的波形数据，可以生成不同的 波形信号，改变频率控制字可以得到不同的频率信号输出。d d s 技术产生的输 出信号具有较高的精度和相位分辨率、宽输出频率范围和快速的频率转换速度， 并且具有较低的相位噪声【2 1 2 2 7 【8 1 。 高频石英晶体测试系统需要一个高频、宽带、高精度、高分辨率的快速扫 频信号源，d d s 技术可以很好的满足高频石英晶体测试系统对信号源的要求。 目前的石英晶体测试系统大多由计算机控制，计算机控制技术普遍采用采 用p c 机( 或工控机，以下均同) 加板卡或者p c 机结合下位机( 由单片机作为 核心控制单元) 通过串口通信控制的方式，这些控制方式存在以下一些缺点： 一、采用p c 机加板卡设计的系统，例如上面提到的本课题组已经成功研制 2 第1 章引言 的1 m h z 1 2 0 m h z 频率范围的7 【网络零相位法石英晶体参数测试实验系统，其 采用的是p c 机加i s a 板卡的模式，其灵活性受到很大限制，在某些条件苛刻的 工业现场很难应用，并且随着计算机技术的发展，i s a 卡已经逐渐被淘汰，目前 推出的主板中大多已经不提供i s a 接口。 二、采用特定板卡设计的硬件，需要特定的驱动程序来支持，对于不同版本 的操作系统来说，驱动程序之间可能存在兼容性问题，为设备的使用造成了一 定的限制。 三、采用p c 机结合下位机通过串口通信来实现控制的系统，这类系统分离 出主要的测试功能用下位机来实现，下位机采用单片机等工业级设备，可以很 好的满足工业现场对稳定性的要求，也一定程度上提高了系统的柔性，由于普 通r s 2 3 2 串口传输速度较低，使整个测试系统的性能受到很大限制，并且其传 输距离有限，整个系统的灵活性仍受到一定限制。近年来发展迅速的u s b ( 通 用串行总线) 通信技术可以极大的提高串口通信的速度，解决r s 2 3 2 串口速度 低的问题，但是u s b 通信仍然受到通信距离的限制。 普通商用p c 机可靠性差、体积大，不能很好满足工业现场的应用，采用单 片机的系统则功能单一，人机交互能力弱，使其应用受限。然而，嵌入式系统 以及网络技术的发展为我们提供了新的控制模式，采用嵌入式系统的测试系统 具有可靠性高、体积小的特点，可以很好的满足工业现场的使用条件，嵌入式 操作系统的应用为嵌入式系统的开发提供了一个标准的统一的平台，利用嵌入 式操作系统提供的资源可以实现复杂的控制功能和良好的人机界面。通过网络 通信可以扩展设备的功能，并且网络通信具有高速、便捷、传输距离远的优点。 因此，尝试采用嵌入式系统和网络通信技术作为高频石英晶体测试系统的控制 和通信方式，有利于测试系统更好的服务于工业生产，促进石英晶体生产的进 一步发展，并且对于推广嵌入式系统的应用也具有积极的意义。 1 2 课题任务及意义 本课题的任务是研究d d s 技术以及嵌入式系统在高频石英晶体测试中的应 用，以d d s 技术为核心实现高精度的高频宽带扫频信号源，采用嵌入式系统实 现控制系统，在此基础上结合本课题组其他同学设计的鉴相电路制作基于网 络零相位法的高频石英晶体测试系统，整机测试频率范围l m h z 2 0 0 m h z ，串 3 第1 章引言 联谐振频率测试精度高于2 1 0 。6 ，重复精度高于1 1 0 。 具体的研究内容包括：研究d d s 技术，设计制作高频宽带扫频信号源，实 现0 ，- - - 2 0 0 m h z 范围内的频率输出，频率变换速度在“s 级，频率分辨率h z 级， 信号源支持四路信号输出，输出信号内部同步，各路输出间相位差可调。设计 石英晶体测试系统的控制系统，采用a r m 、c p l d 作为核心控制单元，为系统 移植嵌入式l i n u x 操作系统、移植u b o o t 作为b o o t l o a d e r ，编写相关硬件的 驱动程序，为提高硬件驱动的工作效率，研究了l i n u x 内核的内存管理模式，采 用内存映射方式实现驱动程序，在嵌入式l i n u x 上编写石英晶体测试以及网络通 信所需的应用程序，定义控制用协议格式和内容，并利用v c 在p c 机上编写界 面程序与a r m 端通信，用来提供测试所需的的人机交互界面和扩展系统功能。 采用c p l d 作为a r m 与信号源与a d 转换的接口器件，采用v e r i l o g 语言对c p l d 编程来实现s p i 总线和a d 转换芯片的读写操作，其中s p i 总线串行时钟达到 4 5 m h z ，且支持最多四路并行串行数据传输，a d 转换芯片的读写控制程序采用 有限状态机方式设计实现，并且统一了外部编程接口，使a r m 可以采用寄存器 和命令字方式来控制s p i 和a d 转换工作，将编程简化并且提高了系统灵活性和 工作性能。 目前国内很少见到测试频率达到2 0 0 m h z 的采用n 网络零相位法的石英晶 体测试系统方面的研究报道，此类的测试设备完全依靠进口，本课题的研究内 容对推动国产高频石英晶体测试系统的发展以及推动我国石英晶体生产制造行 业的发展具有积极的作用。研究d d s 技术在石英晶体测试中的应用，设计具有 相位差可调的四路输出信号的宽带扫频信号源，利用其输出通道间相位差可调 对兀网络在高频条件下由电路分布参数引起的附加相移进行补偿，为提高网 络零相位法测试精度提供了一种新的途径。另外本课题的研究丰富了嵌入式系 统的应用范围，可作为嵌入式系统在测试测量领域应用的进一步研究的实践参 考。 本课题来源于北京市教委2 0 0 5 年科技发展基金项目“高频石英晶体测试技 术研究”，并且得到北京市重点实验室( 机电系统测控) 支持。 1 3 本章小结 本章介绍了石英晶体测试技术的发展及现状，在此基础上介绍了本课题的 4 第1 章引言 研究任务和所具有的意义。信号源是石英晶体测试系统的重要组成部分，采用 d d s 技术为核心设计高性能的信号源可以很好的满足石英晶体测试系统的需 求。 5 第2 章彳i 英晶体的测试原理和方法 第2 章石英晶体的测试原理和方法 2 1 石英晶体的理论模型和阻抗一频率特性 石英晶体上加上电场时，会产生机械形变，对石英晶体施加作用力则在相 应的方向上产生电场，这就是石英晶体压电效应。如果在石英晶体上加上交变 电场，将产生机械振动，当外加交变电场的频率与石英晶片的固有频率一致时， 石英晶体产生的机械形变最大，这种现象称为压电谐振现象。石英晶体的机械 振动通过压电效应与电气系统相耦合组成振荡电路，具有很高的频率稳定度。 石英晶体是在一块一定形状和切型的石英晶体两边镀上电极，再放入一个 密闭容器内，其电路符号如图2 1 所示。当给电极加上一交变电场时，石英晶体 将产生机械振动，机械振动又通过正压电效应与系统相耦合，其效果相当于在 电路中串联一个由电阻、电容和电感组成的回路。该回路具有一固定串联谐振 频率，当电路工作在这一频率时，石英晶体处于谐振状态，对外呈现纯电阻性。 石英晶体的等效电路模型如图2 2 所示【1 9 1 。 m o e t 卜一 图2 1 石英晶体电路符号图2 2 石英晶体等效电路 其中c o 为石英晶体两电极间的电容，称为静电容，c l 称为动态电容，l 1 称 为动态电感，r r 称为石英晶体的串联谐振电阻。该等效电路模型的阻抗z 可由 公式( 2 1 ) 计算得出。 z ：互le ；r r + j i m l i - 上：j 泣。，z ：兰i 此_ -( 2 1 ， 即水一一去一去j 由石英晶体的等效电路模型及式2 1 ，可得出其阻抗一频率特性变化曲线如 图2 3 所示。整个频段可以分成三个部分。在i 部分中，f f o ，石英晶体呈容性； 第2 章石英晶体的测试原理利方法 在i i 部分中，f o f f ，石英晶体又剧 变成容性。在f = f o 处，把f o 称为该石英晶体的串联谐振频率，用f ，表示，此时 石英晶体的等效阻抗为一个纯电阻r r 且为最小值，此电阻即为石英晶体的串联 谐振电阻。在f = f 1 处，z 。一o o ，该点称为石英晶体的并联谐振频率，用f b 表示， 石英晶体工作于该频率点的状态称为并联谐振状态。我们主要测试的是石英晶 体的串联谐振频率f r 。 ：l | z e i 一么 ， j|i x l 两i 7 f f 7 。i i i ! h i l 图2 3 石英晶体阻抗一频率特性曲线 2 2 石英晶体电参数的测试方法 石英晶体电参数的测试方法较多，一般主要采用的有阻抗计法、网络最 大传输法和j i 网络零相位法。 1 、阻抗计法： 阻抗计法是利用石英晶体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。测试原理如图2 4 所示。 7 第2 章石英晶体的测试原理和方法 图2 4 阻抗计原理图 当石英晶体处于串联谐振或者负载谐振状态时，振荡器满足起振条件并正 常工作，此时就可以确定石英晶体的参数。阻抗计法电路简单、成本低，测试 精度可满足一般要求，但测试频率范围较窄，一般适用于频率低于1 0 0 m h z 的 石英晶体测试。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 度晶体元件的生产需要。 2 、丌网络最大传输法 j i 网络最大传输法曾经被用作石英晶体电参数测试的标准方法，后来被 网络零相位法所取代。n 网络最大传输法利用石英晶体在谐振态时呈电阻性且 阻抗最小的特性，由于石英晶体处在谐振时对于一定的输入信号其输出信号强 度为最大，因此称为最大传输法。测量时将石英晶体置于型网络中，不断改 变网络输入端输入信号的频率，同时测量兀网络输出端信号的幅值，当输出 端信号幅值为最大时对应的输入信号频率即为被测石英晶体的串联谐振频率。 该方法测试精度高，但是测量速度较慢。 2 、网络零相位法 网络零相位法是i e c ( 国际电工委员会) 推荐的石英晶体电参数测量的标 准方法，目前该方法也被我国采用作为石英晶体电参数测量的电子行业标准。 零相位法测量频率范围宽、精度高。该方法的测试原理是将石英晶体插入兀型网 络中，通过不断改变兀网络一端输入信号的频率，测试兀网络两端的相位差，测 得相位差为零时的频率即为石英晶体的串联谐振频率。由于石英晶体谐振点附 8 第2 章石英晶体的测试原理和方法 近相位一频率特性的变化要比幅度一频率特性的变化尖锐，因而网络零相位 法测试结果易于检测，精度更高。下面将对n 网络零相位法的测试原理做详细 介绍。 2 3网络零相位法的测试原理 i e c 推荐的网络如图2 5 所示。 v a 图2 5 网络 图中m o 为待测石英晶体，v a 为兀网络输入信号，v b 为网络输出信号，测量 时，不断改变输入信号的频率，测量输入信号和输出信号的相位差，当石英晶 体处在谐振态时，他相当于一个纯电阻，整个兀网络呈纯电阻性，输入信号和输 出信号之间相位差为零，压降最小。因此，我们可以通过检测相位差是否为零 来判断待测石英晶体是否谐振，一旦相位差为零就表示石英晶体处在谐振态， 此时的输入信号频率就是待测石英晶体的串联谐振频率。 i e c 推荐的石英晶体电参数测试系统原理框图如图2 6 所示。 图2 6 兀网络法测试系统框图 信号发生器的输出信号经衰减器做匹配后被功分器分成相位、频率和幅值 均相同的两路信号，其中一路经过兀网络，测量经过7 c 网络后和未经过7 c 网络的两 路信号，当二者相位差为零时记下此时频率计测得的信号发生器输出信号频率， 9 第2 章f i 英晶体的测试原理和方法 即为被测石英晶体的串联谐振频率。 在高频条件下电路的分布参数影响加剧，图2 5 所示的兀网络将对通过他的 信号产生附加的相移，这是7 c 网络零相位测试方法的主要误差来源之一。为了提 高测试精度，需要对兀网络产生的附件相移进行一定形式的补偿，为此我们提出 了如图2 7 所示的改进的兀网络法测试系统。该系统采用一个具有多路输出的信 号源，提供频率相同的激励和补偿信号，两路信号间具有一个恒定的相位差， 用来补偿掉兀网络分布参数所带来的附加相移，从而提高测试的精度。该系统中 信号源在扫频工作过程中始终保持激励和补偿信号的频率相同、相位差恒定， 当鉴相电路测得信号a 和b 问的相位差为零时，此时信号源的输出信号频率即 为待测石英晶体的串联谐振频率。 2 4 本章小结 图2 7 改进的兀网络法测试系统框图 本章介绍了石英晶体的电参数模型以及石英晶体的测试方法，重点介绍了 n 网络零相位法的原理及其测试系统组成，网络零相位法是i e c 推荐的标准 测试方法，具有测试精度高、速度快的优点。高频条件下分布参数的影响是石 英晶体测试系统的主要误差来源之一，针对这一情况对九网络零相位法测试系 统进行了改进，利用信号源提供相位差可独立调节的两路输出来对系统进行相 位差补偿，提高系统整体的测试精度。 1 0 第3 章信号源与控制系统设计 第3 章信号源与控制系统设计 3 1石英晶体测试系统的整体设计 i e c 推荐的兀网络测试系统模型通过比较尢网络两端信号的相位差是否为零 来判断被测石英晶体是否处于谐振态。在高频条件下，兀网络自身的分布参数对 信号会产生一定的附加相移，这是兀网络零相位测试法的一个主要误差来源。为 减小测试误差，本文采用的改进的兀网络法测试系统设计石英晶体测试系统，整 体设计原理图如图3 1 所示，其中鉴相电路部分由本课题组其他同学完成，不是 本文的研究内容。 图3 1 石英晶体测试系统原理框图 以d d s 技术为核心的信号源提供四路信号输出，在我们整个的测试系统中 用到了其中的三路信号。信号c h l 用来提供7 r 网络激励信号，信号c h 3 为补偿 信号，与c h l 始终保持同样频率，但其与c h l 存在一个相位差用来补偿兀网络 自身的分布参数对c h l 造成的附；h n 4 h 移。由于对高频鉴相存在一定的困难，为 了提高鉴相精度，在鉴相前采用混频方法将两路待鉴相信号作降频处理，这样 的处理方式并不影响待鉴相的两路信号的相位差信息。信号源的c h 2 通道的信 号输出为混频提供本振信号，该信号的频率值与c h l 和c h 3 输出频率值始终保 持恒定频差，保证了鉴相电路的两路输入信号包含正确的相位信息且频率为恒 第3 章信号源与控制系统设计 定低频值。 a r m 处理器是整个控制系统的核心，它通过c p l d 来控制信号源和a d 转 换，c p l d 产生s p i ，e 2 , 线信号来控制信号源并且产生用于a d 读写的地址、数据 总线信号来控制a d 完成测量，扩展以太网接口与p c 机进行通信，利用p c 机 实现人机交互界面和功能扩展。 3 2 信号源设计 信号源是兀网络零相位测试方法中的一个重要组成部分，信号源的输出频率 范围决定了整个测试系统的测试频率范围，信号源输出信号的频率稳定度和频 率切换速度也对整个测试系统的测试精度及速度有重要影响。为保证整个石英 晶体测试系统的性能，本课题研究设计的信号源输出频率范围0 2 0 0 m h z ，输 出频率稳定度高于土1x1 0 ，频率切换速度在u s 级，分辨率小于1 h z 。 用来实现信号发生器的频率合成技术主要有三种，分别是直接频率合成技 术、问接频率合成技术( 锁相环技术) 和d d s 技术。近年来，随着集成电路技 术和计算机技术的飞速发展，d d s 技术也取得了快速的发展，可以实现高精度、 高稳定度的信号输出，并且具有快速的频率转换速度，基于以上优点，我们选 择了d d s 技术作为信号源设计的核心技术。 3 2 1d d $ 技术工作原理 d d s 技术是一种以固定时钟为参考基准，利用数字技术产生频率、波形、 相位可调的模拟信号的技术。其基本原理如图3 2 所示 3 1 。 图3 2d d s 基本原理图 1 2 第3 章信号源与控制系统设计 根据频率控制字的写入内容决定相位累加器的步进大小，在系统时钟的控 制下步进累加产生瞬时相位，波形存储器中存放的是相应波形的每个瞬时相位 对应的幅值，在波形存储器中取出相应的幅值送数模转换器将数字信号转化为 模拟信号，最后经低通滤波器后得到我们所要的信号。d d s 工作时的信号流程 大致如图3 3 所示。 频率控制字 川lli|ll i i i i h , i l 频域j 图3 3d d s 结构中各部分信号图 d d s 技术的缺点体现在输出信号频率范围受参考时钟大小限制，输出信号 频谱中杂散较大。根据奈奎斯特采样定理可知，重建一个信号至少对需要在一 个周期内信号进行两次采样，由此可见，d d s 的理论输出频率上限是参考时钟 的二分之一。他的输出频谱具有如图3 4 所示的特点。图例中的参考时钟为 3 0 0 m h z ，d d s 的输出信号频率为8 0 m h z 。由图可见，对于设定的d d s 输出频 率谱线，存在一条与其关于奈奎斯特频率对称分布的谱线，并且这样的情况在 整个频域内以参考时钟频宽为单位连续重复出现，谱线的幅值呈s i n c 曲线分 布。因此，为了得到纯净的d d s 输出频谱，需要对输出信号进行低通滤波，截 止频率即为奈奎斯特频率。值得注意的是，如果我们设定的输出频率超出了奈 奎斯特频率，则第一条对称谱线将出现在奈奎斯特带宽范围内，此时的这条谱 线将无法利用低通滤波器进行滤除。 1 3 第3 章信号源与控制系统设计 邋 坚 心 坦 一一奈奎斯特一特宽 s i n ( x ) x 包：络线 厂 、 、 、 ，一、 、 、 ， 、 ， 、 n 、，、 、 、 ， 、， 一 1 、，、 ， f，、 l f ?、 ，l ， i lv f t 詈。k1 凳基 5 2 06 6 s 。8 2 09 0 0 频率 奈夸斯鞭簪乜嗽 篙嚣2 耋蔷溅 s x 图3 4d d s 输出信号频谱分析 d d s 输出信号频谱中杂散的产生很大程度上来自于数模转换器的量化误差 以及相位累加器的截断误差。数模转换器都是具有一定的分辨率的，分辨率的 高低对于杂散的产生有着重要的影响，由于数模转换器的位数都是有限的，因 此数字量对模拟量的重建只能是有限的逼近，不可能做到完全的相等，他们之 间存在的误差就是量化误差，由于量化误差的存在从而对结果造成量化失真影 响。数模转换器的位数越高，所产生的量化误差就越小，对输出信号造成的杂 散影响也就越小，图3 5 比较了4 位和8 位数模转换器的输出频谱。 4 一b i tdac频谱8一bit d a c 频谱 趔 1 日 卜 坦 s g 1 4 勺 趔 罂 咖 迎垦 s g -。i 蝴下一骱琉第 ，i tt e 第3 章信号源0 控制系统设计 图3 54 位和8 何数模转换器的输出频谱 相位截断是d d s 的一个比较重要的部分，对于一个3 2 位的相位累加器， 如果对应每一个瞬时相位都在波形存储器中建立一个对应幅值，假定每个幅值 用一个字节进行存储，这样构成的波形存储器将占用4 g 的存储单元，这样的设 计将很难在实际中实现，因此进行相位截断是很必要的，只利用相位累加器输 出的瞬时相位中比较重要的一部分位柬提供相位信息，其他位将被忽略。由相 位截断引入的相位误差将导致相位一幅值映射过程中的幅值误差，并且这种误 差在时域内是周期性的，使得d d s 的输出信号频谱引入杂剖4 儿5 | 。 随着集成电路技术的发展，d d s 的输出频率范围和性能有了很大的提高， 得到越来越广泛的应用。 3 2 2 信号源硬件设计 由于d d s 具有分辨率高、频率转换速度快、频率和相位可调且频率变化时 相位连续、输出信号稳定度高等优点，我们基于d d s 技术设计制作了高频石英 晶体测试系统的信号源，整个信号源的原理框图如图3 6 所示。 图3 6 信号源原理图 输出 输出 输出 输出 其中d d s 器件选用a d i 公司的四通道5 0 0 m s p s 器件a d 9 9 5 9 ，参考时钟 选用5 0 m h z 恒温晶振( 长期频率稳定度高于土1 1 0 7 ) ，经传输线变压器作差 1 5 第3 章信号源与控制系统设计 分变换后提供给a d 9 9 5 9 作为时钟基准，以减少共模干扰，a d 9 9 5 9 内部p l l 将 该时钟倍频至5 0 0 m h z 作为内部系统时钟使用。四路输出都采用双端输出方式， 同样可以减少共模干扰，并经宽带传输线变压器变换为单端模式提供给后续电 路使用。低通滤波器设计采用7 阶椭圆低通滤波，截止频率设计为2 5 0 m h z 。 a d 9 9 5 9 的编程接口采用s p i 总线，一路串行时钟信号、4 路串行数据信号都由 控制系统的c p l d 来产生，复位和寄存器的更新信号也由c p l d 来产生。 a d 9 9 5 9 是a d i 公司生产的具有4 路同步输出的高性能d d s 器件，其结构 框图如图3 7 所示。a d 9 9 5 9 支持5 0 0 m h z 的系统时钟，内部集成锁相环，可以 提供4 到2 0 倍的倍频，各通道输出信号的频率、相位和幅值均可独立调节。 a d 9 9 5 9 使用了四个1 0 位数模转换器、3 2 位的频率控制字、1 4 位的相位控制字 以及1 0 位的输出信号幅值控制字。另外还支持对输出信号的1 6 级频率、相位、 幅度调制。编程接口采用s p i 总线，串行时钟最高可达2 0 0 m h z ，可同时进行四 路串行数据传输，最高数据吞吐量达到8 0 0 m b p s 【l j 。 图3 7a d 9 9 5 9 结构框图 a d 9 9 5 9 的四路输出内部同步于系统时钟，每路输出可以独立调节，通道间 具有很好的隔离度，大于6 5 d b 。输出信号具有很好的杂散抑制比和相位噪声性 1 6 第3 章信号源与控制系统设计 能，1 2 0 m h z 输出频率范围内的宽带杂散抑制比可达到- - 6 5 d b c ，1 5 0 , 2 0 0 m h z 的频率范围内宽带杂散抑制比可达- - 5 3 d b c ，在1 1 m h z 输出频率的i 1 0 k h z 范围 内的窄带杂散抑制比达到- - 9 0 d b c ，2 0 0 3 m h z 输出频率的士1 0 k h z 范围内的窄带 杂散抑制比可达一8 1 d b c ，输出频率为1 5 1 m h z 偏移为1 m h z 的情况下相位噪声 为一1 6 5 d b c h z ，输出频率为1 0 0 3 m h z 偏移为1 m h z 时相位噪声一1 1 9 d b c h z 。 a d 9 9 5 9 的输出信号频率和相位由公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 决定。其中，f 为 系统时钟，厂n 和为输出信号的频率和相位，刑为频率控制字，p o w 为相 位控制字。 3 3 控制系统设计 f ：! 罂坚10 f 册2 ， 。一。二夏一 ) 1 17 7 ) 二 = 丁p o w 3 6 。 3 3 1 控制系统整体设计 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 本节主要介绍控制系统的硬件平台设计，软件设计部分在后续章节介绍。 控制系统的设计以a r m 处理器为核心，利用c p l d 作为信号源和a d 转换器的 控