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基于DSP的新型频率监控仪研究 阀秋根 阳春华 桂卫华 (中南大学信息科学与L程学院 长沙 410083) 摘要:采用傲相环数字频率合成技术设计信号发生器，并使用具有快速运算能力的数字信号处理器(DSP)作中央处理单元 (CPU〕，研制出了一种新型频率监控仪。该仪器采用万网络零相位技术测盆石英晶体的串联请振频率.设计的软件具有通用 性和灵活性，并可根据未来需要进一步扩展.运行结果表明，系统设计合理，检测精度高，抗+扰能力强。 关键字:数字信号处理器，锁相环数字频率合成技术，9网络 1引言 石英晶体谐振器 (以下简称石英品体)厂泛‘应用于时间频率基准和为时序逻辑电路提供同步脉冲。随 着电子信息技术和产业的t速发展，尤其是数字电子技术的)’泛应用，石英品体元器件的市场需求Jo.快速 增长，同时对其性能的要求向高频率和高精度的方向发展，因而对其谐振频率及其它电参数的检测技术提 出了更高的要求。 石英晶体谐振频率的测量方法主要有阻抗设计法、振荡器法、汀网络法、最大传输法等，其中汀网络 法测量石英晶体谐振频率和电参数的方法是国际电1委‘员会推荐的方法，该方法也被我国选用为石英品体 电参数测量的电子行业标准。日前发达国家土要使用n网络法测最石英品体成品的电参数，而国内土要使 用阻抗计法In。本文采用ry网络零相位测频技术和数字信号处理器(DSP)研制了新刚频率监控仪，该仪器 能够在线监测晶片的频率，提高品片研磨生产效率和晶片谐振频率的精度。 2，网络法石英晶体谐振频率和电参数的测量原理 石英晶体有一个串联谐振频率，当外加电激励的频率等于该频率时，石英品体呈纯阻性，而且阻抗最 小。兀网络法是将石英品体置于厂网络的串联支臂中，当石英品体处于谐振状态时，汀网络为一个纯电阻 网络，厂网络两端的相位差为零，压降最小，这样就可以将石英晶体电参数的测星简化为对兀网络的阻抗 进行测量。尤网络石英品体电参数测量系统如图1121所示。系统中信号发生器作为信号源，输出正弦电压信 号，衰减器用于调节输出信号的功率，功分器用于将信号分成两路相位相同、幅值相等的信号。当信号发 生器的输出信号频率等于石英品体的串联谐振频率时，石英品体上压降最小，厂网络两端的电压信号相位 相同。此时，用频率计记 卜信号发生器输出信号的频率，即为石英品体的串联谐振频率。 图l汀网络法石英品休电参傲测量系统框图 3硬件设计 526 本仪器采用锁相环数字频率合成技术设计信号发生器。锁相就是自动实现两个信号相位的同步锁定，即 实现两个信号的频率完全相等，相位保持恒定值。锁相环是实现两个信号相位同步的闭环系统，其方框图 如图2所示。而频率合成是指将一个高稳定和高精度的标准频率经过加、减、乘、除的四则运算，产生同 样稳定度和精度的大量离散频率的技术。 图2 锁相环方框图 锁相环数字频率合成器的特点是在锁相环路中插入了可变分频器。压控振荡器的输出信号在与基准信号 进行相位比较前先进行N次分频，压控振荡器的输出频率由分频比N来决定。当环路锁定时，压控振荡器 的输出频率与基准频率的关系是f=Nfo通过频率选择开关改变分频比N，使压控振荡器的输出信号频率被 控制在不同的频道上。例如在本仪器中，设基准频率f,=0.37-A.74MHz，如果控制可变分频比N=1-128，则 压控振荡器的输出信号频率为0.37--95MHz。利用锁相环数字频率合成器设计的信号发生器硬件电路图如图 3所示。由鉴相器MC4044,有源滤波器、压控振荡器MC1648和计数器74HC161构成锁相环电路;由压频转 换器AD650,运算放大器和数字/模拟转换器AD7528构成数字频率合成器，其中AD7528由DSP控制。 -5V 图3信号发生器硬件电路图 中央处理单元(CPU)采用美国德仪公司的TMS320F24ODSP芯片。131该芯片采用哈佛结构，具有四级 流水线操作，其指令周期为Sons，执行速度达20MfPS，可寻址224K字存储空间.串行通讯F1可方便地与 上位机通讯，专用的硬件乘法器使乘法可在一个指令