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(wǎng)絡最大傳輸法、π網(wǎng)絡零相位法，其中π網(wǎng)絡零相位法是國際電工委員會(IEC)推薦的標準方法。π網(wǎng)絡零相位法石英晶體測試設備在發(fā)達國家已廣泛使用。典型儀器是美國S&A公司生產(chǎn)的250B零相位測試系統(tǒng)，其測試頻率范圍為0．5～200 MHz，串聯(lián)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(lián)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(tǒng)，具有服務生產(chǎn)的實際意義。
π網(wǎng)絡零相位法石英晶體測試系統(tǒng)所能測量的頻率范圍和精度直接依賴于π網(wǎng)絡的掃頻信號源，為了使石英晶體測試系統(tǒng)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(wěn)定度高、頻率分辨率高、頻率切換速度快。

1 π網(wǎng)絡零相位法高頻石英晶體測試系統(tǒng)設計
1．1 石英晶體電參數(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(tài)電感，Rr是串聯(lián)諧振電阻，C1為動態(tài)電容。

1．2 π網(wǎng)絡零相位法石英晶體頻率測試原理
IEC推薦的π網(wǎng)絡模型如圖2所示，π網(wǎng)絡由對稱的雙π型回路組成，R1，R2和R3構(gòu)成輸入衰減器，R4，R5和R6構(gòu)成輸出衰減器，它們的作用是使π網(wǎng)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(wǎng)絡輸入信號，VB為π網(wǎng)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(tài)時，整個π網(wǎng)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(wǎng)絡零相位法可通過檢測π網(wǎng)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(lián)諧振頻率。當π網(wǎng)絡兩端信號的相位差為零時，石英晶體處在諧振狀態(tài)，石英晶體串聯(lián)諧振頻率等于π網(wǎng)絡輸入信號頻率。
1．3 測試系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)基于霄網(wǎng)絡零相位法設計而成，由DDS電路、π網(wǎng)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(tǒng)原理框圖。

高頻石英晶體測試系統(tǒng)以一款ARM芯片STM32F103作為核心單元。STM32F103內(nèi)核為32 b的Cortex-M3 CFU，最高可達72 MHz工作頻率。STM 32F103通過內(nèi)置高速SPI總線與DDS芯片AD9912相連，控制AD9912輸出掃頻信號。

當被測晶體放入π網(wǎng)絡電路后，在不同的掃頻信號作用下，π網(wǎng)絡兩端輸入和輸出信號的相位差不同。π網(wǎng)絡兩端的輸入信號和輸出信號分別送入鑒相電路，在鑒相電路的輸出端得到與π網(wǎng)絡兩端輸入和輸出信號的相位差成正比的電壓信號。鑒相電路的輸出電壓信號和輸入信號相位差之間的關系如圖4所示。

鑒相電路的輸出電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于進行ADC采集的信號。信號通過STM32F103內(nèi)置的12位ADC通道采集到處理器內(nèi)部。測量過程時，DDS輸出信號的頻率由小變大，π網(wǎng)絡兩端輸入信號和輸出信號的相位差絕對值由大變小并逐漸接近于零，之后又由小變大。而ADC采集的結(jié)果則由小變大，到達最大值后，又由大變小。因此，這個最大值1．8 V處對應的DDS輸出信號頻率即為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率。

2 DDS技術(shù)在測試系統(tǒng)中的應用
2．1 DDS技術(shù)
DDS有2個突出的特點，一方面，DDS工作在數(shù)字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應改變，其跳頻速率高；另一方面，由于頻率控制字的范圍寬，頻率分辨率高。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和頻率快速轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，廣泛應用于電子儀器儀表領域。
AD9912是ADI公司于2007年新推出的一款DDS芯片，內(nèi)部時鐘速度可高達1 GSPS，并集成了14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因此可以直接輸出400 MHz信號。AD9912采用48位頻率控制字，輸出頻率分辨率小于4μHz。AD9912兼容多種系統(tǒng)時鐘輸入方式，石英晶體、晶體振蕩器和外部時鐘都可以作為其系統(tǒng)時鐘輸入。由于具有片上系統(tǒng)時鐘鎖相環(huán)(PLL)，允許系統(tǒng)時鐘輸入低至25 MHz。
2．2 信號源硬件設計
筆者選擇ADI公司的AD9912作為信號源的核心。STM32F103通過內(nèi)置高速SPI總線控制AD9912輸出0～400 MHz的掃頻信號。AD9912的工作原理如圖5所示。

AD9912的外圍電路主要由5大模塊組成：電源、時鐘源、SPI通信接口、啟動配置邏輯、輸出信號處理電路。
AD9912的電源分為模擬3．3 V、數(shù)字3.3 V、模擬1．8 V和數(shù)字1．8 V四大類。模擬3．3 V和數(shù)字3．3 V經(jīng)過濾波器互相隔離。模擬1．8 V和數(shù)字1．8 V經(jīng)過濾波器互相隔離。AD9912的參考時鐘選用25 MHz的高性能恒溫石英晶體，AD9912內(nèi)部的PLL電路對該參考時鐘進行40倍倍頻得到1 000 MHz時鐘信號作為AD9912的系統(tǒng)時鐘。32管腳CLKMODESEL為時鐘模式選擇管腳，如果使用石英晶體作為系統(tǒng)時鐘輸入，該管腳應該接地，如果使用振蕩器或者外部時鐘源作為系統(tǒng)時鐘輸入，該管腳應被上拉至1．8 V。由于選用的是石英晶體，該管腳接地。
SPI通信接口硬件連接如圖6所示。

啟動配置邏輯包含S1，S2，S3，S4四個管腳。其中S4為邏輯0時，選擇時鐘模式：使用石英晶體作為系統(tǒng)時鐘輸入，并且由AD9912內(nèi)部的PLL電路進行倍頻得到時鐘信號；S4為邏輯1時，選擇時鐘模式：由外部直接輸入時鐘信號。因此，把S4設置為邏輯0。S1、S2和S3的8種不同邏輯組合，用來選擇8組預置的16位頻率控制字。允許在未配置I／O寄存器的情況下，產(chǎn)生8種頻率不同的信號。由于本測試系統(tǒng)需要的是掃描信號，不需要某固定頻率的信號，因此，把S1，S2和S3設置為邏輯0，使DDS在啟動時不輸出信號。

AD9912的輸出信號為差分信號，采用射頻變壓器將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，并經(jīng)過低通濾波電路和功率放大電路后輸入至π網(wǎng)絡和補償網(wǎng)絡。AD9912輸出信號處理電路如圖7所示。其中，DAC_OUT和DAC_OUTB是AD9912輸出的差分信號。

2．3 信號源軟件設計
處理器STM32F103控制AD9912輸出頻率信號，主要是通過SPI向AD9912的寄存器中寫入對應的值。
由于選用25 MHz的高性能恒溫石英晶體作為參考時鐘，需要使能系統(tǒng)時鐘PLL，應將寄存器0x0010的第4位設置為邏輯0。
寄存器0x01A0～0x01AD為輸出信號控制字，其中0x01A0～0x01A5為保留寄存器，0x01A6～0x01AB為頻率控制字，0x01AC～0x01AD為相位控制字。
輸出信號頻率與頻率控制字關系為：
fDDS=(FTW／248)fs  (1)
式中：fDDS為AD9912輸出信號頻率；FTW為頻率控制字；fs為AD9912的系統(tǒng)時鐘頻率。
由式(1)得到：
FTW=round[248(fDDS／fs)]  (2)
例如，當fs=1 GHz，fDDS=19．44 MHz，則FTW=5 471 873 547 255(即0x04FA05143BF7)。
輸出信號相位與相位控制字關系為：
△φ=2П(△phase／214)  (3)
式中：△φ為AD9912輸出信號相位；△phase為相位控制字。由于信號源需要應用于高頻石英晶體測試系統(tǒng)中，所以，不能只輸出一個固定頻率的信號，必須輸出掃頻信號。測試之前，通過健盤或觸摸屏輸入待測晶體的標稱頻率、起始掃描頻率、終止掃描頻率、掃描步進頻率，處理器根據(jù)式(2)算法，由掃描步進頻率計算出掃描步進控制字(以下稱為FTWstep)。圖8所示為信號源應用于高頻石英晶體測試系統(tǒng)的軟件流程圖。

3 實驗結(jié)果
信號源的精度和穩(wěn)定度直接影響到測試系統(tǒng)測量石英晶體頻率的精度和穩(wěn)定度。因此，使用CNT-90型頻率計測量本系統(tǒng)信號源輸出的信號頻率。實驗結(jié)果表明，信號源輸出信號頻率的精度高于±0．1 ppm，頻率的穩(wěn)定度高于±0．1ppm，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表中，f為設定的頻率值；f為實際測量的頻率平均值；△f／f為相對偏差。

4 結(jié)語
本設計成功地把DDS技術(shù)應用到高頻石英晶體測試系統(tǒng)中。實現(xiàn)了基于DDS技術(shù)的寬帶信號源。該信號源具有輸出頻率范圍寬、精度高、穩(wěn)定度高、頻率分辨率高，頻率切換速度快的特點，從而滿足了高頻石英晶體測試系統(tǒng)對信號源的要求。