溫補晶振補償電壓自動測試系統(tǒng)

溫度補償石英晶體振蕩器(TCXO)由于具有較高的頻率穩(wěn)定度，作為一種高精度頻率源被廣泛地應(yīng)用于通訊系統(tǒng)、雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)、精密測控系統(tǒng)等。溫補晶振由石英晶體振蕩電路和溫度補償網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。其中，溫度補償網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計對于改善溫補晶體振蕩器的溫頻特性，提高振蕩器的頻率精度具有重要意義。
1 溫補晶振溫度補償原理

溫補晶振由石英晶體振蕩電路和溫度補償網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。典型的溫補晶振原理示意圖如圖1所示。

振蕩器的頻率溫度特性主要由晶體諧振器的頻率溫度特性決定。常用的AT切晶體諧振器的頻率溫度特性為三次曲線，溫補晶振溫度補償?shù)脑砭褪峭ㄟ^改變振蕩回路中的負(fù)載電容，使其隨溫度變化來補償諧振器由于環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的頻率漂移。

圖1中變?nèi)荻O管D兩端所加電壓(即補償電壓)由溫補網(wǎng)絡(luò)輸出，溫補網(wǎng)絡(luò)隨溫度自動調(diào)節(jié)輸出電壓，變?nèi)荻O管容量隨之改變，以抵消諧振器頻率隨溫度的變化，可使輸出頻率基本不變。

從以上原理分析可得溫補晶振補償過程如下：

(1)測試出補償電壓一溫度曲線(V-T曲線)；

(2)根據(jù)V-T曲線數(shù)據(jù)，計算熱敏網(wǎng)絡(luò)中各電阻的阻值；

(3)裝配溫補網(wǎng)絡(luò)，測試成品振蕩器f-T曲線，評價論證補償效果。

可以看出，獲得準(zhǔn)確的V-T曲線參數(shù)是溫補晶振設(shè)計生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到振蕩器頻率精度的高低，關(guān)系著成品溫補晶振品質(zhì)的優(yōu)劣。

2 系統(tǒng)硬件組成及測試過程

溫補網(wǎng)絡(luò)補償電壓的測量多為人工手動完成。用小功率直流電壓源代替溫補網(wǎng)絡(luò)，改變溫度到目標(biāo)點并保溫，然后調(diào)節(jié)電壓源輸出，使振蕩器輸出達(dá)到中心頻率，此時電壓源輸出即為該溫度點的補償電壓；在各測試溫度點重復(fù)以上操作，得到一組數(shù)據(jù)，即V-T曲線數(shù)據(jù)。這種手動測量方法效率低下，人力成本較高，而且手工記錄測試數(shù)據(jù)，容易產(chǎn)生誤差，難以實現(xiàn)精確快速的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。

本文設(shè)計提出一種溫補網(wǎng)絡(luò)補償電壓的自動測試方法，對該過程實現(xiàn)了自動控制與測量。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

溫補網(wǎng)絡(luò)補償電壓自動測試系統(tǒng)以計算機(jī)為控制核心，結(jié)合應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了補償電壓測試過程的自動化測試。系統(tǒng)可以完成設(shè)備自動控制，儀器的自動測試，數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)分析等功能，大大提高了測試速度，節(jié)省了工作時間，還可以提高測試準(zhǔn)確度，比傳統(tǒng)的人工手動測試具有明顯的優(yōu)越性。

本系統(tǒng)以計算機(jī)為控制中心，包括高低溫箱、程控電源、數(shù)字頻率計和數(shù)字萬用表等設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

(1)高低溫箱S&A4220MR

支持GPIB接口程控，滿足-50～+80℃測試要求，箱內(nèi)的測量圈設(shè)有50個工位，每個工位通過5根導(dǎo)線連接一個待測補償電壓的半成品活件，分別接活件的GND，VCC，VDD，OUT和E+，高低溫箱與外部儀表連接如圖3所示。

(2)程控電源Agilent3631A

支持GPIB接口程控，滿足獨立雙路供電，其中0～6 V為E+供電，其分辨率可達(dá)2 mV以內(nèi)；0～25 V為TCXO系統(tǒng)提供工作電壓。

(3)數(shù)字頻率計EE3386A1

支持串口程控，用于獲取TCXO輸出頻率。

(4)FLUKE45萬用表

支持串口程控，用于獲取TCXO內(nèi)部三端穩(wěn)壓器的輸出電壓VDD，為補償網(wǎng)絡(luò)分析計算輔助數(shù)據(jù)。

2.2 補償電壓自動測試過程

根據(jù)系統(tǒng)硬件組成與測試目的要求，補償電壓自動測試過程如下：

將未裝配補償網(wǎng)絡(luò)的待測半成品活件裝入高低溫箱，連接好各儀器設(shè)備，打開電源，運行程序，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置(如工作電壓為8 V，中心頻率為19.2 MHz，測試溫度范圍為-40～+70℃，10℃步進(jìn))；點擊開始按鈕，程序控制高低溫箱自動回0號參考工位，開始降溫至-40℃，保溫30 min后，工位進(jìn)1，根據(jù)1號位活件設(shè)置調(diào)節(jié)程控電源工作電壓輸出，獲取振蕩器頻率，變化E+，使振蕩器頻率越來越接近中心頻率，直到滿足要求，記錄此時程控電源的E+即為所測補償電壓結(jié)果，同時記錄振蕩器內(nèi)為溫補網(wǎng)絡(luò)供電的穩(wěn)壓器輸出電壓VDD；然后高低溫箱輪位進(jìn)1，移向2號位測量，直到所有工位測試完畢；開始升溫10℃至-30℃，保溫20 min，測試記錄數(shù)據(jù)，完成所有工位測試；繼續(xù)升溫，保溫、測量，直至全部溫度點測試完畢，一個測試過程完成。

3 軟件組成

應(yīng)用軟件采用VB 6.0編寫，后臺數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫。運行軟件，可以對程控儀器設(shè)備進(jìn)行操作和控制，實現(xiàn)測試過程的自動控制、數(shù)據(jù)自動測試以及自動記錄，為溫補晶振補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算過程提供準(zhǔn)確可靠的輸入數(shù)據(jù)。

應(yīng)用軟件主要分為3個模塊：活件參數(shù)管理模塊，自動測試模塊以及數(shù)據(jù)處理與存儲模塊。

3.1 活件參數(shù)管理模塊

活件參數(shù)管理模塊是系統(tǒng)控制軟件的最上層，它直接面向用戶，提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息：用戶在測試前需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如設(shè)備信息錄入，產(chǎn)品編號設(shè)置，高低溫箱輪位、溫度及步進(jìn)參數(shù)等；自動測試過程中顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)，如當(dāng)前輪位、當(dāng)前溫度、E+、VDD等實時數(shù)據(jù)，也可顯示其他歷史數(shù)據(jù)；同時提供對用戶的誤操作進(jìn)行處理、提示及相應(yīng)的幫助系統(tǒng)。

3.2 自動測試模塊

自動測試模塊是系統(tǒng)功能的具體實施部分，能夠?qū)Τ炭貎x器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制檢測。

自動測試模塊通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)VISA32.DLL來控制系統(tǒng)所用的GPIB設(shè)備或儀器，用VB自帶MSCOMM32.OCX控件對系統(tǒng)中的串口程控儀器進(jìn)行控制。該測試模塊是系統(tǒng)軟件中較關(guān)鍵也較復(fù)雜的部分，需要充分了解儀器功能及程控指令系統(tǒng)，并根據(jù)控制過程安排程序指令順序。

下面就系統(tǒng)中程控設(shè)備的設(shè)置控制語句做關(guān)鍵性說明。

3.3 數(shù)據(jù)處理與存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊是測試系統(tǒng)的重要組成部分，它由活件信息表，儀器設(shè)備信息表及測試數(shù)據(jù)表等組成，主要完成系統(tǒng)各儀器的基本信息、測試過程及測試數(shù)據(jù)的管理工作。在系統(tǒng)工作界面中通過相關(guān)控件可瀏覽、調(diào)用、修改及編輯相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)系統(tǒng)硬件組成與測試過程要求，軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)以計算機(jī)為控制中心，結(jié)合應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了溫補晶振補償網(wǎng)絡(luò)補償電壓的自動測試，系統(tǒng)中儀器設(shè)備的功能量程設(shè)置、數(shù)據(jù)的獲取記錄等均由計算機(jī)來完成，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠，并且大大縮短了測試時間，提高了工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本系統(tǒng)投入使用后，經(jīng)過實踐和進(jìn)一步改善，系統(tǒng)中各設(shè)備儀器工作正常有序，穩(wěn)定可靠，滿足了用戶的需求。