基于STM32的双通道石英晶体信号源设计

摘 要： 介绍了一种双通道石英晶体测试系统中信号源的设计方法，整个系统以直接数字频率合成技术为核心，以高稳定度恒温晶振为参考时钟，使用 ARM微控制器实现对信号源的控制。该信号源具有4路输出、输出频率范围宽、频率转换速度快、频率分辨率高的优点，并且可以编程设定振幅、相位等，为石英晶体电参数测量提供了技术支持，提高了石英晶体测量的精度。测量统计结果表明：信号源输出频率精度高于±0.1 ppm，长期频率稳定度高于±0.1 ppm。

关键词： 双通道； 石英晶体； DDS； AD9959

中图分类号： TN911.7⁃34；TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）03⁃0097⁃03

Design of double⁃channel quartz crystal signal source based on STM32

CUI Li⁃feng， LI Dong， WANG Yan⁃lin

（Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： A design method of signal source in the double⁃channel quartz crystal testing system is introduced in this paper. The DDS （direct digital frequency synthesis） technology is adopted as the core of the whole system， a high⁃stability constant temperature crystal oscillator is taken as its reference clock， and an ARM micro controller is used to control the signal source. This signal source has the four output channels， wide output frequency range， fast frequency switching speed and high frequency resolution capacity， and can set the amplitude and phase by programming. This design provided technical support for measurement of quartz crystal electric parameters， and improved the accuracy of quartz crystal measurement. The measurement and statistical results show that the accuracy of the signal source output frequency is better than ± 0.1 ppm， and long⁃term frequency stability is better than ± 0.1 ppm.

Keywords： double⁃channel； quartz crystal； DDS； AD9959

0 引 言

石英晶体一般用于时间频率基准，因此对其谐振频率的一致性要求非常高。我国目前采用的石英晶体电参数测量方法——π网络零相位法，也是国际电工委员会（IEC）推荐的石英晶体的标准测量方法。

网络零相位法是将石英晶体置于网络中，对石英晶体施加激励信号，当石英晶体处于谐振状态时，此时石英晶体等效为一电阻，在理想状态下，网络两端信号的相位差为零，相位差为零时的激励信号的频率即为石英晶体的串联谐振频率。

采用π网络法测量石英晶体的谐振频率对于信号源有着非常高的要求，而AD9959有4路输出信号，可以满足双通道的测量要求，因此，本课题设计了基于STM32的AD9959信号源控制系统。

1 系统总体设计方案

基于π网络零相位测试方法的双独立通道石英晶体测试系统可同时测试2只石英晶体，其测试系统框图如图1所示。

图1中DDS信号源在ARM微控制器的控制下可输出2路频率、幅值可调的信号，经放大后分别输入到2个π网络，2路独立的鉴相电路用于检测π网络两端的相位差，相位差信号经ARM微控制器内部A/D采样后进行判断，当相位差为零时，石英晶体达到谐振，此时，DDS的输出频率即为石英晶体的谐振频率。

ARM微控制器选用32位基于ARM核心的带512 KB闪存的微控制器芯片STM32F103ZET6。STM32F103ZET6是ST（意法半导体）公司推出的ARM Crotex⁃M3产品线中功能最强大的一款CPU。 片内集成512 KB FLASH，64 KB RAM，1个USB，1个CAN，8个定时器，5个USART，3个ADC，2个DAC，3个SPI，2个I2C，2个I2S，1个SDIO，112个GPIO，FSMC总线（支持NOR，NAND，SRAM）。CPU主频为72 MHz，广泛适用于各种应用场合。

DDS是信号源设计的核心，本系统使用的AD9959是美国ADI公司生产的一款低功耗DDS频率合成器，支持最高500 MHz的主频，可生成最高200 MHz的正弦波。芯片体积小、功耗低，可很容易地对信号实现全数字调制。AD9959内部集成了4个DDS核，可对4个通道分别编程，每个通道可以独立调节输出信号的幅值、频率和相位。4个通道采用同一时钟，并在结构上进行了优化，最大程度上保证了4个通道信号的同步性，很适合用于生成多通道的振动台的控制信号。

2 软件设计

2.1 模式选择

AD9959有4个串行数据引脚（SDIO_0：3），通过配置相应的寄存器可以有4种编程方式进行串行I/O操作，分别是单bit两线模式，单bit三线模式，双bit模式和四bit模式。

设置为单bit两线模式时，SDIO_0为双向数据引脚。设置为单bit三线模式时，SDIO_0为数据输入引脚，SDIO_2为数据输出引脚。在这两种模式下，SDIO_3都作为串口同步恢复信号引脚，通过一个正脉冲使串口恢复为初始等待指令状态。设置为双bit模式时，SDIO_0和SDIO_1同时作为双向数据引脚，每个SCLK周期传输2位数据，这样，传送一个8位的数据信息只需要四个SCLK周期，SDIO_3仍作为串口同步恢复信号。设置为四bit模式时，SDIO_0：3可同时作为双向数据引脚，每个SCLK周期传输4位数据，故传送一个8位数据信息仅需要两个SCLK周期。

根据AD9959芯片的资源以及本课题的应用，本课题采用的工作模式为单bit两线模式。

2.2 串行I/O操作

AD9959和微控制器之间采用串行I/O操作进行通信。在单bit两线串行模式下，可以写数据到所有的寄存器以达到配置AD9959的目的。在单bit两线模式下，SDIO_0为双向数据引脚，SDIO_3作为串口同步恢复信号引脚，通过一个正脉冲使串口恢复为初始等待指令状态。图2给出了单bit两线模式的串口读时序。图3给出了单bit两线模式的串行写时序。

2.3 系统控制程序

AD9959可以产生单频信号、单脉冲信号、连续线性调频（调相、调幅）信号、脉冲线性调频（调相、调幅）信号、相位（频率、幅度）编码信号等各种各样的信号形式。在本课题中，采用单频模式，单频模式是AD9959的默认模式。首先，对单片机的引脚进行初始化，其次，依次配置AD9959的寄存器。

在本设计中，外部参考晶振为50 MHz，内部锁相环采用10倍倍频，则参考时钟系统频率为500 MHz，功能寄存器（FRl：0x01[23：16]）设置为0xA8。AD9959拥有4个独立的DAC核，这里4个通道全部使用，则CSR[7：4]全部设置为1，此外，串行数据（SPI）的模式设置为单比特两线模式，则CSR[2：1]设置为00，CSR设置为0xF0。AD9959内部每个通道都拥有32 b频率控制字，其输出信号频率计算公式如下：

3 实验分析

采用瑞典Pendulum公司的CNT_90频率计（时基长期频率稳定度高于±0.01 ppm，频率测量位数可达12 b）对信号源的输出频率进行长期（6个月）测量，每次信号源和频率均开机预热半小时以上，测量统计结果表明信号源输出频率精度高于±0.1 ppm，长期频率稳定度高于±0.1 ppm，与所选作为参考时基的恒温晶振的长期频率稳定度具有一致性。记录每隔1月的实验数据如表l所示，其中，[fo]为设定的输出频率，[f]为实际测得的输出频率均值，[Δff]为相对偏差。

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