基于ARM的石英晶体测试系统中DDS信号源设计

摘要 针对π网络石英晶体参数测试系统，采用以STM32F103ZET6型ARM为MCU控制DDS产生激励信号。该测试系统相对于传统的PC机测试系统具有设备简单、操作方便，较之普通单片机测试系统又具有资源丰富、运算速度更快等优点。AD9852型DDS在ARM控制下能产生0～100 MHz扫频信号，经试验数据分析得到信号精度达到0.5×10-6，基本满足设计要求。该系统将以其小巧、快速、操作方便、等优点被广泛采用。

关键词 石英晶体;DDS;AD9852;STM32F103ZET6

产生正弦激励信号一般可以通过振荡电路或直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)，DDS较振荡电路具有相位噪声小、杂散抑制好、可产生连续波信号、扫频信号和频率捷变信号等优点。石英晶体电参数测试中激励信号的指标如幅度、频率的稳定性对后续的测量精度至关重要。所以系统采用AD9852型DDS作为信号源。石英晶体电参数测试系统中，DDS可以同时产生多路正弦信号，并可对信号的频率、幅度、相位精确控制，用以测量石英晶体电参数，随着对石英晶体频率精度的要求越来越高，DDS的信号源设计及控制具有重要现实意义。

1 π网络法测试原理

在串联谐振状态下，石英晶体等效电路模型如图1所示，C0为静态电容;L1为动态电感;Rr是串联谐振电阻;C1为动态电容。

其等效阻抗为

式中，ω为信号源所输出信号的角频率，ω=2πf;Zs为π网络的等效阻抗。根据式(1)可以画出石英晶体阻抗一频率特性曲线如图2所示，f0为石英晶体的串联谐振频率，f1为并联谐振频率，本系统需要测量石英晶体的串联谐振频率。

由图2可以看出，当信号源频率为f1时，石英晶体的阻抗最小;当信号源频率为时石英晶体的阻抗最大。利用这个特性可以得到石英晶体的串联谐振频率、并联谐振频率等参数。石英晶体电参数测试方法有3种：阻抗计法、π网络最大传输法、π网络零相位法。π网络最大传输法是将石英晶体插入一个π网络中，不断改变π网络一端激励信号的频率，在另一端测量输出信号电压值，当电压达到最大值时的频率即为串联谐振频率。其特点是测试设备较复杂，不易捕获峰值电压时的频率，精度较高;π网络零相位法原理;π网络零相位法是将石英晶体插入一个π网络中，在一端不断输出扫频信号，用矢量电压表检测π网两端的相位差，当相位差为零时的频率即为串联谐振频率。π网络最大传输法与π网络零相位法的主要差别是没有鉴相电路，将这两种方法统称为π网络法。

2 石英晶体测试系统硬件框图

系统采用π网络法，硬件框图如图3所示。系统以STM32F103ZET6型ARM为的MCU;AD9852型DDS用来产生正弦激励信号;TXCO(ROJON)型温度补偿晶振给DDS提供参考频率，此温度补偿晶振标称频率50 MHz;LCD作为人机交换接口用以显示参数和波形;4×4键盘可以输入预置参数，也可以作为功能按键控制系统工作;信号调理电路对激励信号滤波以及放大跟随，通过π网络的信号经处理反馈到STM32F103ZET6的A/D端口，对输出信号进行处理。MCU通过串口(USART)和上位机通信，上位机发送控制指令控制MCU工作，MCU将测试数据反馈给上位机。系统重点是利用STM32F103ZET6控制A139852产生扫频信号，难点是对π网络输出端信号的处理。

3 系统测试流程图

石英晶体测试参数测试仪在通电复位后首先初始化STM32F103ZET6内部寄存器，然后再初始化系统各功能模块包括LCD、DDS、USART、键盘、ADC等。在初始化完成之后通过键盘或上位机设定被测石英晶体的标称频率、扫描的起始和终止频率以及扫描步进，参数设置完成后，通过上位机发送控制指令或键盘功能按键控制系统工作，在串口和键盘未产生中断时，DDS会产生与设置参数相应的扫频信号，LCD实时显示π网络反馈到STM32F103ZET6的ADC管脚的波形，待转换结束后MCU处理并保存数据，测试结果送回上位机并在LCD上显示。具体流程图如图4所示。

4 DDS扫频输出控制

系统对DDS信号源设计的核心是控制产生0～100 MHz扫频信号，信号的质量直接决定测试精度。由于采用温度补偿晶振给AD9852提供50 MHz参考频率信号，因为AD9852产生的正弦信号是用于测试石英晶体参数的，所以对其参考频率信号稳定度要求严格，TXC0(ROJON)型温度补偿晶振频率负载波动±10%时，稳定度最大为±0.1×10-6，满足系统精度需求。根据AD9852的文档得到其输出的最大频率为

式中，fc为AD9852内部参考频率;fmax为DDS最大输出频率。fc可以通过AD9852地址为0x1e的寄存器4倍频，所以输出正弦波最大频率为