用于石英晶体测试的双通道鉴相系统设计

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摘  要： 为提高石英晶体的测试效率，搭建了双独立通道的鉴相系统。该系统采用同一DDS信号源同时激励两个π网络电路，设计了两个独立的鉴相电路，可实现两个通道同时鉴相。该系统采用差频鉴相的方法，使用AD8302作为鉴相器件，在提高鉴相的效率的同时确保了π网络零相位法的检测精度。为验证其可行性，将该系统应用到石英晶体电参数测量系统中。该双独立通道鉴相系统的频率测试范围为1～200 MHz，实验结果表明，鉴相精度达到±1°，满足石英晶体的测试需要。

关键词： 石英晶体; 双通道; π网络零相位法; 鉴相器

中图分类号： TN710⁃34; TH70                   文献标识码： A                    文章编号： 1004⁃373X（2015）06⁃0133⁃03

Design of two⁃channel phase discriminator applied to quartz crystal test

WANG Xiao⁃yan， LI Dong， WANG Yan⁃lin

（School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： In order to improve the measuring efficiency of quartz crystal， a two⁃channel phase discriminator system applied to quartz crystal test is designed. One DDS signal generator are used in the system to inspire two π⁃network circuits. The two independent phase discriminator circuits are designed to discriminate the phase of two channels simultaneously. The difference frequency phase discriminating method is adopted in the system. The AD8302 is taken as a phase discriminator， which can improve the testing efficiency and ensure the testing precision simultaneously. In order to verify the viability of two⁃channel phase discriminator， it was used in a electrical parameter measuring system for quartz crystal test. The testing range of the two⁃channel phase discriminator system is 1～200 MHz. The experiment result shows that its phase discrimination accuracy is ±1°， which can meet the testing needs of quartz crystal.

Keywords： quartz crystal; two⁃channel; zero phase technique in π⁃network; phase discriminator

0  引  言

石英晶体谐振器（以下简称石英晶体）广泛应用于现代电子产品中，主要为数字电路提供时间频率基准。随着科学技术的飞速发展，石英晶体元器件的性能有了很好的精度保证。在此基础上，提高石英晶体的测试速率就有了很大的需要。

目前国外应用于石英晶体的设备可以实现多通道同时工作，而国内使用的多通道设备主要是国外进口的，国产设备采用的方法基本是用两套测控系统，采用多线程的方法。多通道鉴相系统不仅可以使用在石英晶体微调、石英晶体测试等的不同加工过程中，而且还在无线电通信等其他领域有非常广泛的应用。因此多通道鉴相系统设计具有很强的实用性。

1  π网络零相位法原理分析

石英晶体电参数的测试方法主要有阻抗计法、π网络最大传输法和π网络零相位法。π网络零相位法是国际电工委员会（IEC）推荐的石英晶体电参数测试的标准方法，也被我国选用为电参数测量的电子行业标准[1]。π网络零相位法的测试原理是将石英晶体插入π网络中，在理想状态下，当电路谐振时，石英晶体对外呈现为纯电阻，且阻抗最小，此时的π网络为一个纯电阻网络，π网络两端的相位差为零，此时激励信号的频率即为石英晶体的串联谐振频率。因此，在π网络零相位法中，相位检测很关键，相位差的检测精度能够影响电参数的测量精度。详细的分析表明，对于一般的石英晶体来说，鉴相精度在±1°以内时，其串联谐振频率的测量误差[2]可以保证在±2 ppm。IEC推荐的π网络电路如图1所示。

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图1 π网络电路

2  双通道石英晶体测试技术研究

2.1  双通道石英晶体测试系统

石英晶体测试的双独立通道石英晶体电参数测试系统采用外差法鉴相，其系统框图如图2所示[3]。

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图2 双通道石英晶体测试系统原理框图

计算机通过ARM控制信号源，信号源采用能够同时发生四路频率、幅度、相位均可独立调节的DDS合成信号源AD9959。通过计算机改变信号源AD9959的频率控制字使AD9959输出扫频信号。在通道1中，f0信号作为混频器的本振信号，f1输入给π网络1，f2输入给补偿网络1，网络补偿是为了补偿π网络与晶体插座引起的相移。f1，f2为同频信号，f0与f1，f2的频率差为10.7 MHz，经过π网络、补偿网络的信号f3，f4（与f3，f4同频）作为混频器的输入，信号f3，f4经过混频器后通过低通滤波器进行滤波，滤波后的信号频率固定为10.7 MHz，这种保相降频处理可以将对高频信号的鉴相转化为固定频率的鉴相，相位检测部分将滤波后的信号之间的相位差转变为与之成一定比例关系的直流电压信号输出，直流电压信号经过放大电路输入A/D转换（选用的ARM自身带有12位ADC），转换为数字量后输入ARM进行处理。当相位差为零时，此时的扫描频率即为石英晶体的串联谐振频率。通道2原理同通道1。

系统中ARM采用STM32F103ZET6，该芯片是基于ARM Cortex⁃M3核心的32位微控制器，CPU主频为72 MHz，共有3路共16通道的12位A/D输入和2路共2通道的12位D/A输出。

2.2  双通道鉴相系统设计

鉴相部分一般采用传统的模拟鉴相的方法对相位差进行测量，主要是将两路正弦信号相乘，然后对乘积项进行积分，得到相位差信息。这种方法对相位差非零时检测精度较高，但相位差为零时检测精度低。系统采用AD8302作为相位检测器件，该器件将精密匹配的两个对数检波器集成到一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度[4]。在使用时只需要接很少的外围器件，其工作电压范围为2.7～5.5 V，输入信号最高频率可达2.7 GHz。同时，它还提供对相位的精确检测，检测范围为0～180°，检测误差小于1°，能够很好地满足系统测试精度的要求。

AD8302在操作时主要有测量、控制和电平比较三种工作方式，其主要的功能是幅度和相位的测量。其相位测量公式为：

[VPHS=VϕϕVINA-ϕVINB]

式中：[ϕVINA]和[ϕVINB]分别是A，B两通道的输入信号的相位;[Vϕ]为斜率（单位为mV/（°））;[VPHS]为相位比较输出。

AD8302在测量模式下的相位差的理想响应特性曲线如图3所示。相位差为零时，电压最大，为1.8 V;相位差为180°时，电压最小，为0 V。

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图3 AD8302的相位差响应特性曲线

3  软件设计

测试程序包括校准和测试两部分，选用VC++ 6.0编写。虽然在硬件电路中已经添加了补偿电路使附加相移减为最小，但是硬件补偿具有一定的局限性，因此必须结合软件补偿方法对电路进行校准。对于单个通道的相位校准，根据IEC标准，采用开路校准、短路校准和50 Ω电阻校准的方法。由于电子元器件的差别以及石英晶体测探头的不同等原因，两个通道的相位特性并不是完全一致，因此需要采取方法来消除通道间的误差。将石英晶体插座短路，此时AD8302的输出值应一致，控制信号源输出频率信号的相位值，分别记录两通道相位差为零时的相位值，此时的相位值即为初始相位。对两个通道进行相位补偿，确保两个通道的相位偏移的一致性。理论上，如果两个通道相位偏移的方向及程度较一致，在一定范围内可认为两通道间的一致性是较好的。在石英晶体的检测过程中，这些误差将被校准，使得鉴相的精度及一致性更为精确。测试流程图如图4所示，首先初始化各个芯片，初始化完成后根据上位机设定标称频率、扫描范围以及扫描步距等参数，通过改变AD9959的频率控制字FTW使AD9959输出扫频信号，信号源以标称频率为中心点，扫描步距为间隔，在扫频范围内从低频到高频输出频率信号，同时检测AD8302的输出值，计算此时的相位值，显示到上位机并将结果存储到RAM中。判断下一个扫描频率信号是否在扫描范围内，若扫描频率不在扫描范围内，结束测量，若扫描频率在扫描范围内，继续重复测量过程。

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图4 软件流程图

由于篇幅问题，这里列出上位机程序的部分代码。

int i;

CString str="";

char tmpbuf[128];

strtime（tmpbuf）;

char chADout[20]="";              //保存A/D转换的字符串值

char chI[20]="";

char chF[20]=""，chR[20]="";

CFile   fileDatafile，fileMuBias，fileMuBias2;

float fCenterFr=0，fStepResolution=0，fTemp，bias;

__int64 nRampRange=0，nFreCycle=0，nStep=0;

__int64 nFTW1=0，nFTW11=0，nFTW12=0;

int nADoutB=0，nADoutA=0;

UpdateData（TRUE）;

KillTimer（3）;

StepNu=1000000*m_nRampRange/m_fFrResolution/m_fCenterFr;

ad9959.OutCpld（）;                                  ///输出控制字

ad9959.OutAmplitude（100）;                           //输出幅值

fCenterFr=（float）（m_fCenterFr）;

//频率合成器将要输出的频率

fStepResolution=m_fFrResolution*fCenterFr*1000/1000000;

nRampRange=（__int64）（0.5*（float）m_nRampRange*1000/（fRefClk*6）*0xffffffffffff）;

nFTW1=（__int64）（fCenterFr*1000/（fRefClk*6）*0xffffffffffff）;                                        //转换成频率控制字

nStep=（__int64）（fStepResolution/（fRefClk*6）*0xffffffffffff）;                      //转换成频率控制字的频率分辨率

nFTW11=nFTW1⁃nRampRange;

nFTW12=nFTW1+nRampRange;

UpdateData（FALSE）;

4  结  语

针对π网络零相位法检测石英晶体电参数，本文介绍了以ARM为核心的双通道鉴相系统。在传统的石英晶体鉴相系统的基础上，将传统的单通道扩展为双通道，并结合了传统PC机和单片机测试系统的优点，在确保精度的同时提高了检测石英晶体电参数的速率。该系统的鉴相精度达到±1°，满足串联频率测试精度±2 ppm的要求。该系统仍然存在很多不足的地方，例如软硬件电路补偿方法的优化以及如何提高通道一致性的方法，还需要进一步的研究。

参考文献

[1] IEC. IEC 444⁃1986 measurement of quartz crystal unit parameters by zero phase technique in π⁃network， part I： basic method for the measurement of resonance frequency and resonance resistance of quartz crystal units by zero phase technique in a π⁃network [S]. [S.l.]： IEC， 1986.

[2] 宋新菊，李东，王艳林，等.用于石英晶体⁃频率测试相位检测技术研究[J].传感器世界，2006（11）：4⁃16.

[3] 王艳林，李东，王中宇，等.双通道石英晶体微调测控系统设计[J].北京信息科技大学学报，2013，28（4）：21⁃23.

[4] 尹莹，裴昌幸，陈南.基于AD8302的幅相测量模块[J].无线电工程，2004，34（1）：59⁃61.

[5] COWLES John， GILBERT Barrie. Accurate gain/phase measurement at radio frequencies up to 2.5GHZ [J]. Analog Dialogue， 2001， 35（5）： 2⁃4.

[6] 王艳林，李东，刘桂礼.石英晶体测试中的π网络零相位检测技术[J].航天制造技术，2004（2）：16⁃20

[7] 陈南，李东.石英晶体测试系统中DDS信号源设计[J].电子科技，2013，26（3）：66⁃68.

[8] 刘解华，张其善，杨军.石英晶体元件串联谐振频率快速测量技术的研究[J].中国测试技术，2006，32（2）：58⁃61.

[9] 李银波，陈华俊.鉴相方法的分析和比较[J].电讯技术，2008，48（6）：78⁃81.

[10] 姚小朋.石英晶体电参数测量系统的设计与开发[D].西安：西北工业大学，2007.

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