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石英晶体谐振频率测量系统

作者:时间:2013-08-06来源:网络收藏

摘要:在石英晶振的生产过程中,切割后的晶振片需要对其共振频率进行快速测量,并通过机械手按频率分选。本文介绍了一种结合单片机、直接数字频率合成器(DDS)和增益鉴相器的简单石英晶振共振频率检测系统,利用晶振阻抗随激励信号频率而变化的特性,在100ms内测得其共振频率,控制成本的同时保证了一定的测量精度。
关键词:晶振;;单片机;直接数字频率合成器

引言
石英晶振(quartz crystal unit,XTAL)简称晶振,是利用的压电效应产生高精度振荡频率的一种被动电子元器件,广泛应用于现今的电子产品中。但在晶振的实际生产过程中,将研磨到设计厚度的大片切割成小片后,每片的尺寸有着细微差别,导致不同晶振小片之间共振频率存在着差异。晶振在切割后必须先进行实际共振频率的测定和分拣,以便后续加工。生产率和成本对测量精度和分拣速度都提出了很高的要求。现代化的专用测量-分拣设备要求在1 s以内完成晶片的抓取、测量与分类投放工作,其中机械臂的抓取、投放等机械运动要耗费大部分时间,故留给晶振片参数测量的时间要求远小于机械运动时间,即在100 ms以内。
国内外最早使用网络分析仪来对晶振的电参数进行测量,以此对晶片进行分拣。但是网络分析仪是针对更大带宽、更普遍应用的实验仪器,用网络分析仪来测量晶振的电参数,虽然能获得较高的精度与指标,但其投入也相当高。针对这样的实际应用,本文介绍了一种单片机、直接数字频率合成器(DDS)芯片、增益鉴相器芯片组成的晶振。本系统相对网络分析仪来说成本大大降低,且能满足设备的测量速度要求,现已应用于实际的晶振分拣设备中。

1 测量原理
石英晶体的电学行为与RLC电路释放类似,在链路应用中大致可以等效为图1所示的RLC电路。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/192769.htm

b.JPG


该等效电路的阻抗值可以表示为:
Z(s)=[1/(s·C1)+s·L1+R1]‖[1/(s·C0)] (1)
当施加在晶振上的电信号的频率等于其自身时,晶振呈纯阻性,且阻抗值最小。利用该特性,可以设计测量网络来对晶振进行扫频,依据测量网络两端的电信号的变化来判断晶振是否谐振。

2 技术方案描述
根据上述测量方案,本系统基本的设计框架是利用单片机控制DDS对晶振进行扫频(激励),通过鉴幅器来获得测量网络两端电压的比值(响应),最后由单片机上的ADC来进行数据采集(测量),进行必要的处理后通过通信模块发送至上位PC机。这样一个激励-响应-测量的过程能够建立起线性网络的传输阻抗特性的数据模型,相当于一个针对常用晶振频带的小型网络分析仪。系统的构成如图2所示。

c.JPG


整个系统包括测量部分(测量网络、AD9852、AD8302),控制与计算部分(Freescale单片机)和通信模块部分。测量时,上位PC机通过通信模块对单片机进行初始设置和简单控制,单片机即可自动控制测量部分对晶片进行测量。获得相关测量参数后,单片机会对其进行存储,最后将所有数据递交给上位PC机。
2.1 单片机
本系统使用的单片机S12XS128(以下简称S12)是Freescale公司针对成本敏感型汽车电子类工业应用优化的16位微控制器,是S12XE系列的精简版。该单片机的最高总线时钟频率为40 MHz,具有128 KB Flash、8 KBRAM以及8 KB的EEFROM。S12自身带有16通道的12位ADC,支持8/10/12位转换精度,10位精度下平均单次转换时间约3μs左右。另外,S12还支持控制区域网(CAN)、本地互联网(LIN)和串行外设接口(SPI)协议等,具有16位计数器的8通道定时器等。
2.2 直接数字频率合成器与射频中频增益鉴相器
AD9852是ADI公司生产的一款直接数字频率合成器(DDS),其内部集成了两路12位高速ADC,具有48位可编程频率寄存器和14位可编程相位寄存器,同时还具有12位可编程幅度调制寄存器。这保证了AD9852在300 MHz系统时钟频率下具有极高的频率分辨率,且输出相位、幅度可调。同时,输出信号最高可达150 MHz的输出范围也满足了设计需求。
石英晶振的幅频特性可以直接通过另一款集成电路芯片AD8302来测量。AD8302是ADI公司生产的用于射频中频(RF/IF)幅度和相位测量的专用集成电路,其核心部件由两个精密匹配的宽带对数放大器和线性乘法器/鉴相器构成,能同时测量从低频到2.7 GHz频率范围内的两路输入信号之间的幅度比和相位差。图3和图4显示了AD9852与AD8302的基本应用电路图。

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