【技术实现步骤摘要】
一种在线研磨测频系统
本专利技术涉及石英晶片领域，更具体的说，它涉及一种在线研磨测频系统。
技术介绍
晶体振荡器(有源晶振、oscillator)和晶体谐振器(无源晶振、crystal)的核心部件是石英晶片，石英晶片的设计优劣在很大程度上决定了振荡器和谐振器的性能。石英晶片的材料是石英棒材(quartz)，由于晶体存在各向异性特征，从石英棒材的不同方向切割下来的石英晶片有着截然不同的效果，石英棒材的切割方法决定了石英晶片的弹性常数、介电常数、膨胀系数、温度特性等，比如频率温度系数，频率厚度系数，应力补偿系数等，这些特性的差异决定了晶体在不同场合的应用。石英棒材的切割能力(如切割精准度、双转角切割技术)往往反映一个晶体生产商的技术能力。常见的切割方式有单转角的AT、BT、音叉，双转角的SC、IT等。SC切型是比较常见的一种切型，尤其是在恒温晶体振荡器(OCXO)中有着重要的应用。在切角时，双转角石英晶片的应力系数为零,这种切型的谐振器被称为SC(stressed-应力，compensated-补偿)切型谐振器，即应力并补偿型谐振器。由于SC切型谐振器具有应力补偿和热瞬变补偿的特点,所以用SC切谐振器具有以下优点：1、开机特性好。因为SC切谐振器的热过冲比AT切约小两个数量级，故SC切晶体振荡器加电后能很快达到频率稳定，一般加电6分钟后稳定度可达2×10-9。2、老化率小。SC切谐振器的应力效应很小，由应力效应引起的老化也小。高精度SC切谐振器的老化率可达(10-11～10-12)...
【技术保护点】
1.SC切型石英晶片在线研磨测频系统，其特征在于，包括测频测试功能和在线测频功能；/n测频测试功能包括单次扫频双谐振频率波形匹配功能、单次扫频谐振频率数据处理功能、单位时间内数据处理功能；具体过程如下：/n1.1)参数设置步骤：读取系统中掉电存储模块内测频测试参数和SC晶片设置参数；/n测频测试参数，通过掉电存储模块读取，其包括扫频参数和测频参数；其中扫频参数包括扫频起始频率和扫频截止频率、扫频步进、扫频速度、扫频幅度，测频参数包括高频搜索宽度、低频搜索宽度和峰值约束；SC晶片设置参数，通过掉电存储模块读取，其包括SC频率比、频率比上限、频率比下限；/n对上述参数进行约束条件判断，若上述参数存在不满足约束条件的情况，则将其根据新设置的值写入到掉电存储模块内，若掉电存储模块中不存在上述参数，则将上述参数设置为默认值，并将其写入掉电存储模块；/n将上述测频测试参数和SC晶片参数分别发送给显示模块显示，用户根据需要进行参数修改，若修改后的参数与当前MCU中存储的值不同，则将MCU中的值更新为显示的新参数值；/n1.2)扫频准备步骤：对测频测试功能的相关变量进行初始化，变量包括界面显示的变量、...
【技术特征摘要】
1.SC切型石英晶片在线研磨测频系统，其特征在于，包括测频测试功能和在线测频功能；
测频测试功能包括单次扫频双谐振频率波形匹配功能、单次扫频谐振频率数据处理功能、单位时间内数据处理功能；具体过程如下：
1.1)参数设置步骤：读取系统中掉电存储模块内测频测试参数和SC晶片设置参数；
测频测试参数，通过掉电存储模块读取，其包括扫频参数和测频参数；其中扫频参数包括扫频起始频率和扫频截止频率、扫频步进、扫频速度、扫频幅度，测频参数包括高频搜索宽度、低频搜索宽度和峰值约束；SC晶片设置参数，通过掉电存储模块读取，其包括SC频率比、频率比上限、频率比下限；
对上述参数进行约束条件判断，若上述参数存在不满足约束条件的情况，则将其根据新设置的值写入到掉电存储模块内，若掉电存储模块中不存在上述参数，则将上述参数设置为默认值，并将其写入掉电存储模块；
将上述测频测试参数和SC晶片参数分别发送给显示模块显示，用户根据需要进行参数修改，若修改后的参数与当前MCU中存储的值不同，则将MCU中的值更新为显示的新参数值；
1.2)扫频准备步骤：对测频测试功能的相关变量进行初始化，变量包括界面显示的变量、统计变量和测频变量；在扫频模块开始扫频前，先将上升沿和下降沿的信号采样次数清零，将上升沿和下降沿扫频信号采样完成标志位清零；根据测频测试的界面中设置的扫频参数设置扫频模块的参数、控制扫频模块进行扫频；
1.3)波形匹配步骤：步骤1.2)中若上升沿或者下降沿采样完成，则进入单次扫频双谐振频率波形匹配功能，单次扫频双谐振频率波形匹配后进行单次扫频谐振频率数据处理，获得单位时间内高频谐振频率和低频谐振频率的平均值，用于下次数据处理比较使用，同时将单次扫频相关变量清零；当单位时间内数据处理中设定的单位时间到达后，进行相关的数据处理，对单位时间内测到的所有高频和低频谐振频率求平均值和标准差，求实时峰高和谐振宽度的平均值，求高频频率和低频频率的比值，同时设置界面测频结果指示灯，并将相关数据处理完成后，将这些数据发送给显示模块进行显示，完成本轮单位时间内的测频过程后，将高频谐振频率平均值的初始值设置为扫频截止频率，低频谐振频率平均值的初始值设置为扫频起始频率，同时将高频和低频对应的频率、峰高、线宽等统计变量清零，进行下一轮的测频过程；
在线测频功能包括自动搜索功能和跟踪测频功能；自动搜索功能实现对SC晶片当前频率的搜索，并且根据自动搜索的不同结果进行不同的处理，若指定圈数内未搜索到频率则系统提示搜索异常报警，若搜索到一个频率则进行单频率跟踪测频流程，若搜索到两个频率则进行双频率跟踪测频流程；同时当系统出现测频异常且频率未到达停机阈值时，调用自动搜索功能重新搜索频率；
跟踪测频功能包括双频率跟踪功能、单频率跟踪功能、测频参数初始化、扫频参数设置和两个功能之间的切换功能；
双频率跟踪功能对两个频率跟踪测频的单次扫频测到谐振波形情况进行分析，两个频率跟踪测频的扫频范围能保证覆盖两个谐振频率，扫频得到的两个谐振频率F1和F2之间的波形包括测不到波形、测到1个波形、测到2个及2个以上波形；F1和F2的扫频范围与搜索宽度有关，在一定的搜索宽度下，F1的扫频范围和F2的扫频范围会存在一定的重叠区域；重叠区域具体先判断F1和F2的扫频范围是否存在重叠区域，若存在重叠区域，则F1+24SSL>F2-12SSH，需判断F1扫频范围内测到的频率是否为F2；若不存在重叠区域，则F2-12SSH>F1+24SSL，F1内测到频率不是F2；
其中，单次扫频测频包括第一方案和第二方案；第一方案对单次扫频低频扫频范围内的波形采用9点波形匹配算法，当匹配到一个波形后，根据比例系数，对1.095附近的N*SSH范围进行高频谐振频率9点波形匹配，N为系统设置参数，SSH为高频搜索宽度；当N设为0时，相当于18点波形匹配算法；若匹配到波形，且得到的高频谐振频率和低频谐振频率的比值在频率比最大值和频率比最小值范围内，则认为获取到了符合条件的高频谐振频率和低频谐振频率，本次测频完成，存入晶片区分数组；若指定范围的高频波形未匹配到，则继续进行低频谐振频率的9点波形匹配，直到找到满足条件的高频谐振频率和低频谐振频率；若遍历低频扫频范围内所有点仍未匹配到满足条件的高频谐振频率和低频谐振频率，则结束本次测频；
第二方案对扫频范围内对单个谐振波形采用9点匹配算法进行全范围测频，将测到的谐振频率统一存到数组内，当完成全范围测频后，对数组内的数据统一处理；通过两轮循环，依次取出数组内两个不同的数据进行除法运算，若其商在频率比最大值和频率比最小值范围内，则认为本次测频测到了符合条件的低频谐振频率和高频谐振频率，若不在范围内，则本次测频未测到符合条件的低频谐振频率和高频谐振频率；
单频率跟踪功能的扫频范围应覆盖将当前频率视为高频频率对应的低频频率扫频范围，以及将当前频率视为低频频率对应的高频谐振频率扫频范围；当前频率作为单频率跟踪的依据和SC晶片双谐振频率中另一个频率的判断依据；在单次扫频测频过程中，必须先保证测到当前频率，若当前频率未测到，则不作另外两个扫频范围的频率判断，若测到当前频率再进行前向频率波形和后向频率波形的判断；
测频参数初始化和扫频参数设置，测频参数包括双频率跟踪测频流程中的相关测频参数和单频率跟踪测频流程中相关测频参数，扫频参数根据自动搜索的结果设置扫频参数，自动搜索若搜到两个谐振频率，则设置双频率跟踪流程的扫频参数，自动搜索若搜到一个频率，则设置单频率跟踪流程的扫频参数；
双频率跟踪的单次扫频双谐振频率波形匹配过程，先对低频扫频范围做全频段波形匹配，根据低频频率的谐振频率匹配结果，再进行相应第一方案、第二方案的选择；
单频率跟踪的单次扫频在当前频率、前向频率和后向频率三个频率对应的频率范围内扫频，因此分析三个频段的测频情况；系统认为当前频率为当前研磨过程测到的真实频率，必须保证测到符合条件的当前频率的情况下才进行前向频率段和后向频率段的波形匹配，否则直接结束本次测频；
两个功能之间的切换功能，单次扫频测频数据处理完成后，将其通过晶片区分算法，若系统当前为单频率跟踪测频流程则获取当前频率、前向频率和后向频率对应测到晶片数，若系统当前为双频率跟踪测频流程，则获取低频频率和高频频率对应测到的晶片数；据测到的晶片数频率切换判断。
2.根据权利要求1所述的SC切型石英晶片在线研磨测频系统，其特征在于，步骤1.1)中扫频截止频率和扫频起始频率的差值为扫频范围，扫频起始频率和扫频截止频率的取值范围为1MHz～120MHz，同时扫频截止频率至扫频起始频率必须满足大于0MHz小于20MHz，若不满足则将起始频率和截止频率设置为默认值，起始频率默认值为9MHz，截止频率默认值为11MHz；
扫频步进的取值范围为100Hz～8000Hz，若不满足条件，则根据扫频范围设置扫频步进，当扫频范围小于2MHz时，设置扫频步进为1000Hz，当扫频范围为2MHz～4MHz，设置扫频步进为2000Hz，当扫频范围为4MHz～6MHz，设置扫频步进为3000Hz，当扫频范围大于6MHz，设置扫频步进为4000Hz；
扫频速度的取值范围为2uS～100uS，若不满足条件，则设置为默认值50uS；
扫频范围、扫频步进和扫频速度三者之间需满足的约束条件为：(扫频范围/扫频步进*扫频速度)>4mS，若不满足，需将这几个参数设置为默认值；
扫频幅度的取值范围为5～4000，若不满足该条件，则将其设置为默认值1000；
低频搜索宽度和高频搜索宽度的取值范围为1～400kHz，若不满足该条件，则将其都设置为默认值33kHz；
峰值约束的取值范围为1～2000，若不满足条件，则将其设置为默认值500；
SC频率比为SC切型石英晶片高频频率和低频频率的比值，为浮点型数据，占4个字节，根据SC切型石英晶片特性，其取值范围为1.05～1.25，若不满足该条件，则将其设为默认值1.095；
频率比上限为比例值，其取值范围为1～99，若不满足条件，则将其设为默认值10；通过SC频率比和频率比上限，确定(高频频率/低频频率)的最大值，其公式为：(高频频率/低频频率)的最大值＝SC频率比+(SC频率比-1)*频率比上限/100；
频率比下限为比例值，其取值范围为1～99，若不满足条件，则将其设为默认值10；通过SC频率比和频率比下限，确定(高频频率/低频频率)的最小值，其公式为：(高频频率/低频频率)的最小值＝SC频率比-(SC频率比-1)*频率比下限/100。
3.根据权利要求1所述的SC切型石英晶片在线研磨测频系统，其特征在于，步骤1.2)中界面显示的变量包括高频频率相关显示变量和低频频率相关显示变量，其初始化包括：单位时间内谐振频率平均值清零和单位时间内谐振频率次数清零、单位时间内谐振频率标准差清零、1秒内测到的谐振频率次数清零；
统计变量也包括高频频率相关的统计变量和低频频率相关的统计变量，其初始化包括：测频测试过程谐振频率平均值设置，其中高频谐振频率平均值初始化设置为扫频截止频率，低频谐振频率平均值设置为扫频起始频率；单次扫频瞬时频率存储数组清零；单次扫频瞬时峰高存储数组清零；单次扫频瞬时谐振宽度存储数组清零；单次扫频测到谐振频率次数清零；单次扫频频率峰峰值最大时的瞬时频率、峰高和谐振宽度变量清零；单位时间内测频测试每次扫频谐振频率存储数组清零；单位时间内测频测试每次扫频实时峰高存储数组清零；单位时间内测频测试每次扫频谐振宽度存储数组清零；单位时间内谐振频率次数清零；通过SC晶片参数设置高低频频率比的最大值和最小值；
测频变量为波形匹配中使用的搜索宽度，分别设置高频谐振频率和低频谐振频率的波形搜索宽度，其公式为：波形搜索宽度＝界面设置搜索宽度/扫频步进，其中，界面设置搜索宽度通过测频测试界面分别设置高频的搜索宽度和低频的搜索宽度。
4.根据权利要求1所述的SC切型石英晶片在线研磨测频系统，其特征在于，步骤1.3)中单次扫频双谐振频率波形匹配功能的具体步骤如下：
1.3.1.1)对所有采样点从起始点开始，到截止点-9SSmin结束，进行波形匹配；其中，SSmin为低频搜索宽度和高频搜索宽度中的较小值；
1.3.1.2)分别使用低频搜索宽度和高频搜索宽度作为参数进行9点波形匹配，若匹配成功，则获取匹配成功波形的峰峰值，峰峰值为波形中的幅度最大值与最小值的差值；其中，扫频上升沿过程中处理下降沿采集数据，波形峰峰值为波形中的第6点的幅值与波形中第4点的幅值的差值；扫频下降沿过程中处理上升沿采集数据，波形峰峰值为波形中的第4点的幅值与波形中第6点的幅值的差值；
1.3.1.3)波形匹配成功后，比较波形峰峰值与界面设置的峰值约束，若波形峰峰值大于界面设置的峰值约束，则认为搜索成功，记录搜索成功时的搜索宽度SS；
1.3.1.4)对搜索成功的波形进行截取中心6SS的长度，去掉开始2SS和结尾SS的长度后进行数据平滑处理，其中SS为搜索宽度；经平滑处理后再求6SS波形中的幅值最大值和幅值最小值在整个波形中的位置；
1.3.1.5)根据扫频起始频率、扫频截止频率、6SS波形中的幅值最大值和最小值在整个波形中的位置求得当前的瞬时谐振频率、实时峰高和谐振宽度；其中，扫频上升沿和扫频下降沿处理过程不同，扫频上升沿过程处理下降沿数据，具体数据处理公式如下：
瞬时谐振频率＝Fend-(6SS波形中的幅值最大值所在的位置)*扫频步进其中，Fend为扫频截止频率；
实时峰高＝6SS波形幅值最大值-6SS波形幅值最小值；
谐振线宽＝(6SS波形幅值最大值所在位置-6SS波形幅值最小值所在的位置)*扫频步进/3；
扫频下降沿过程处理上升沿数据，具体数据处理公式如下：
瞬时谐振频率＝Fstart+(6SS波形中的幅值最大值所在的位置)*扫频步进
其中，Fstart为扫频起始频率；
实时峰高＝6SS波形幅值最大值-6SS波形幅值最小值；
谐振线宽＝(6SS波形幅值最小值所在位置-6SS波形幅值最大值所在的位置)*扫频步进/3；
1.3.1.6)判断本次测到谐振频率的峰峰值是否大于之前测到谐振频率的峰峰值最大值，若大于，则将本次测到的谐振频率设置为峰峰值最大谐振频率，将本次测到的谐振频率的峰高设置为峰峰值最大谐振频率的峰高，及本次测到的谐振宽度设置为峰峰值最大谐振频率的谐振宽度；
1.3.1.7)判断本次单次扫频波形匹配过程测到的谐振频率次数是否大于设定阈值；若大于，则直接退出本次测频过程，进入单次扫频数据处理流程；若小于且测到谐振频率，则采样点向前推进6SS，进行下一次的波形匹配；若小于且未测到谐振频率，则采样点向前推进1点，进行下一次的波形匹配；
1.3.1.8)如果本次单次扫频波形匹配过程至少测到一个谐振频率则进入单次扫频谐振频率数据处理流程，否则直接退出本次测频，等待下一次采样完成。
5.根据权利要求1所述的SC切型石英晶片在线研磨测频系统，其特征在于，步骤1.3)中单次扫频谐振频率数据处理功能包括3种情况，测到2个以上谐振频率、测到2个谐振频率和测到1个谐振频率；
测到2个以上谐振频率，先遍历存储数组中的所有谐振频率，通过两轮循环从数组中依次取出两个数据进行除法运算，若其商在频率比最大值和频率比最小值范围内，则取出这两个数据分别存入高频频率和低频频率对应的单位时间内谐振频率存储数组，并将对应的实时峰高和谐振线宽分别存入高频频率和低频频率对应的单位时间内，每次扫频实时峰高存储数组和谐振宽度存储数组；同时高频频率和低频频率的单位时间内谐振频率次数进行加1处理，在存入对应存储数组时，若存入的数据个数大于数组大小时，需进行堆栈处理，将先存入的数据剔除，再将后存入的数据存入数组；若数据个数小于数组大小，则直接存入；
若得到符合条件的两个数据，则退出遍历循环，认为本次数据处理完成，得到本次扫频的高频频率和低频频率；
若遍历存储数组中的所有频率都未得到符合条件的数据，则提取单次测频过程中的最大峰峰值对应的频率、实时峰高和谐振宽度；具体提取包括如下四种情况：
第一种当前单位时间内低频谐振频率次数为0而高频谐振频率次数非0，此时判断高频谐振频率平均值与单次测频最大峰峰值对应的频率的比值是否大于频率比最小值，若大于则认为最大峰峰值对应的频率为低频谐振频率，否则认为是高频谐振频率；
第二种当前单位时间内低频谐振频率次数非0而高频谐振频率次数为0，此时判读单次测频最大峰峰值对应的频率与低频谐振频率平均值的比值是否大于频率比最小值，若大于则认为最大峰峰值的频率为高频谐振频率，否则认为是低频谐振频率；
第三种当前单位时间内低频谐振频率次数和当前单位时间内高频谐振频率次数都为0，最大峰峰值对应的频率与单位时间内高频谐振频率平均值和单位时间内低频谐振频率平均值比较，看与其中的哪个频率比较接近，若比较接近低频谐振频率平均值，则将其存入低频单位时间内每次扫频谐振频率存储数组，否则将其存入高频单位时间内每次扫频谐振频率存储数组，同时分别将对应的实时峰高和谐振宽度分别存入高频和低频对应的单位时间内每次扫频实时峰高存储数组和谐振宽度存储数组；
第四种当前单位时间内低频谐振频率次数和当前单位时间内高频谐振频率次数都非0，此时处理方式与第三种相同；
测到2个谐振频率，将测到的两个数据进行除法运行，若其商在频率比最大值和频率比最小值范围内，则将这两个数据分别存入高频和低频对应的单位时间内每次扫频谐振频率存储数组，将对应的实时峰高和谐振宽度分别存入高频和低频对应的单位时间内每次扫频实时峰高存储数组和谐振宽度存储数组；同时高频和低频的单位时间内谐振频率次数进行加1处理；
若两个数据的比值不符合频率比约束，则提取单次扫频波形匹配过程中的最大峰峰值对应的频率、实时峰高和谐振宽度，且具体提取方法与测到2个以上谐振频率的相同；
测到1个谐振频率，提取单次扫频波形匹配过程中的最大峰峰值对应的频率、实时峰高和谐振线宽，具体提取方法与测到2个以上谐振频率的相同。
6.根据权利要求1所述的SC切型石英晶片在线研磨测频系统，其特征在于，自动搜索功能具体包括数据初始化、扫频和测频参数设置、单次扫频双谐振频率波形匹配功能、单次扫频数据处理功能、全频段数据处理功能和频段切换功能；
数据初始化进行频率统计相关变量的初始化，需要初始化的变量包括：单次扫频过程中测频相关变量、全频段分段扫频双谐振频率测频相关变量、全频段分段扫频单谐振频率测频相关变量、自动搜索过程相关控制变量和扫频模块控制变量；
扫频和测频参数设置包括设置扫频参数和测频参数；
扫频参数包括扫频起始频率、扫频截止频率、扫频步进、扫频速度和扫频幅度；在自动搜索扫频过程中采用在指定的圈数内进行周期性扫频的方法，一个周期的扫频为从目标频率开始到起始频率结束进行分段扫频，每段的扫频采用指定时间内重复扫频，每段扫频的扫频范围与频率相关，扫频范围内必须包含高频谐振频率和低频谐振频率；
单次扫频谐振频率波形匹配功能，当单次采样完成后，进入自动搜索单次扫频双谐振频率波形匹配；自动搜索单次测频双谐振频率波形匹配功能与测频测试功能的单次扫频双谐振频率波形匹配功能基本相同，不同的地方在于：开始所有扫频点9点波形匹配算法前先判断当前段测到谐振频率次数是否小于设定阈值，若小于，则进行9点波形匹配，否则认为本段采集到的数据量已经足够，跳过本次9点波形匹配过程；
由于自动搜索过程中每段的扫频范围较大，不同频率对应的搜索宽度会有所差别，从而采用在9点波形匹配过程中采用多个搜索宽度进行匹配；
单次扫频数据处理功能包括处理以下三种情况，测到2个以上谐振频率、测到2个谐振频率和测到1个谐振频率3种情况；
测到2个以上谐振频率时，通过两个循环依次取出瞬时谐振频率存储数组中两个数据进行除法运算；若其商在频率比最大值和频率比最小值范围内，则取出这两个数据分别存入本段高频和低频对应的谐振频率存储数组，同时本段高频和低频测到的谐振频率次数进行加1，然后退出遍历循环，认为得到本次扫频的高频频率和低频频率，本次数据处理完成，否则继续遍历瞬时谐振频率存储数组；
若遍历存储数组中的所有频率都未得到符合条件的数据，则将本次扫频的峰峰值最大值对应的谐振频率存入本段谐振频率存储数组，同时本段测到的谐振频率次数加1；
本段谐振频率存储数组对自动搜索过程中出现只搜索到一个谐振频率、搜索到符合条件的两个谐振频率的数据进行分开存储，并在自动搜索结束后的数据处理过程中也分开处理；
测到2个谐振频率时，将测到的两个数据进行除法运行，若其商在频率比最大值和频率比最小值范围内，则将这两个数据分别存入本段高频和低频对应的谐振频率存储数组，同时本段高频和低频测到的谐振频率次数进行加1；若其商不在频率比最大值和频率比最小值范围内，则将本次扫频的峰峰值最大值对应的谐振频率存入本段谐振频率存储数组即可，同时本段测到的谐振频率次数加1；
测到1个谐振频率时，将本次扫频的峰峰值最大值对应的谐振频率存入本段谐振频率存储数组即可，同时本段测到的谐振频率次数加1；
频段切换功能，通过设置指定的时间进行单频段的重复扫频和测频，当指定的时间到达后，判断全频段扫频是否完成，全频段扫频完成的判断依据为当前扫频的起始频率是否小于用户设置的晶片研磨起始频率，若小于则全频段扫频完成，进行全频段数据处理功能；若不小于，则进行频率切换；
全频段数据处理功能，若全频段扫频完成，进入全频段数据处理，具体包括如下步骤：
2.1.1)遍历自动搜索过程所有频段测到的高频和低频谐振频率；若当前段测到的高频和低频谐振频率次数大于等于系统设定的自动搜索成功谐振频率次数，则对高频和低频谐振频率存储数组内的所有数据进行干扰值剔除后，求...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘凌锋，郭彬，陈浙泊，陈一信，林建宇，余建安，颜文俊，林斌，周巍，吴荻苇，
申请(专利权)人：浙江大学台州研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。