基于LabVIEW的晶體振蕩器測試系統(tǒng)

 石英晶體振蕩器是一種用于穩(wěn)定頻率和選擇頻率的重要電子元件，也簡稱為“晶振”。由于石英晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、具有很高的頻率穩(wěn)定性和良好的溫度特性，因此被廣泛應(yīng)用于通信、廣播、導(dǎo)航、電子對抗及精密測量儀器中。目前，大多數(shù)測試人員對晶體振蕩器的測量還采用手工測試。無論在初測、老化測試還是終測中，測試人員需要先連接好測試電路，然后將晶體振蕩器放入夾具，打開穩(wěn)壓電源并不斷地調(diào)整示波器顯示的波形，在各項(xiàng)指標(biāo)都滿足后開始從頻率計(jì)中讀取數(shù)據(jù)并手工記錄。有時(shí)為了得到穩(wěn)定精確的數(shù)據(jù)，還要等待一段時(shí)間再讀數(shù)，可見操作步驟十分繁瑣，并且容易造成人為誤差。為了簡化測試工作，提高工作效率及提高測試數(shù)據(jù)的可靠性，本文介紹的是一種在LabView虛擬儀器平臺(tái)上開發(fā)的晶體振蕩器測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)協(xié)調(diào)測量儀器，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集并處理，自動(dòng)生成電子表格等功能，具有高度的靈活性、可靠性及可操作性。

1 系統(tǒng)總體概述

該系統(tǒng)是在LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)上開發(fā)的晶體振蕩器測試系統(tǒng)，它可以測量晶體振蕩器的輸出頻率、高電平、低電平、上升時(shí)間和下降時(shí)間，可以觀測輸出波形并計(jì)算頻率精度。它還可以自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，具有友好的人機(jī)操作界面。

系統(tǒng)將各個(gè)測試儀器連接在一起，通過PC端下達(dá)指令來操控各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作，該系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)由兩部分組成，即硬件部分和軟件部分。硬件部分主要由具有程控功能的直流穩(wěn)壓電源、示波器、頻率計(jì)構(gòu)成，軟件部分則為在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)的控制程序及操作界面。下面將對各部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 硬件工作原理

該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)通過GPIB標(biāo)準(zhǔn)串行接口連接Agilent6054A示波器、Agilent 3031A穩(wěn)壓電源和Pendulum CNT90頻率計(jì)，控制每個(gè)設(shè)備工作并從中讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。

晶體振蕩器則放在專用夾具上，這里以表面貼裝晶體振蕩器為例，夾具引腳圖如圖3所示，1號(hào)引腳為空引腳，作為參考點(diǎn)，2號(hào)引腳為接地引腳，3號(hào)引腳為輸出引腳，連接示波器和頻率計(jì)，4號(hào)引腳為供電引腳，接穩(wěn)壓電源。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分主要基于NI公司的LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的，LabVIEW是通過圖形編譯(Craphics，G)語言來編寫程序的，程序類似流程圖，這為編程人員提供了一個(gè)直觀的編程環(huán)境。它可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，用戶可以根據(jù)自己的需要來創(chuàng)造并模擬出各種儀器。

在LabVIEW中，VISA稱為虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(Virtual Instrument Software Architecture)，作為LabVIEW程序中驅(qū)動(dòng)程序間相互通信的底層功能模塊，可以連接不同標(biāo)準(zhǔn)的I/O設(shè)備，是一個(gè)用來在串口通信設(shè)備、VXI設(shè)備、GPIB設(shè)備以及其它基于計(jì)算機(jī)設(shè)備之間通信的函數(shù)庫。在本次設(shè)計(jì)中，所選用的三種型號(hào)的儀器在LabVIEW中的Instrume nt Drivers選項(xiàng)卡中都可以安裝已經(jīng)開發(fā)好的驅(qū)動(dòng)模塊，這樣就簡化了驅(qū)動(dòng)開發(fā)的過程。

2.2.1 圖形功能界面設(shè)計(jì)

利用LabVIEW的圖形操作界面設(shè)計(jì)功能，為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)友好的人機(jī)操作界面，如圖4所示。

1)參數(shù)設(shè)置部分，其中包括：頻率精度判限、重測頻率精度判限、電源電壓、鉗位電流、標(biāo)稱頻率。其中頻率精度判限用來判斷頻率精度是否超出范圍;電源電壓是設(shè)置晶體振蕩器的供電電壓;鉗位電流是限制最大電流的參數(shù);標(biāo)稱頻率為晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)頻率。

2)路徑設(shè)置，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供存儲(chǔ)位置。

3)波形示意圖，可讀取示波器信號(hào)，供測試人員分析波形。

4)輸出結(jié)果部分，該部分包括：測試頻率、最高電平、最低電平、上升時(shí)間和下降時(shí)間?？蓴U(kuò)展其他數(shù)據(jù)結(jié)果。

5)控制部分，該部分包含兩個(gè)按鈕，“測試”和“重測”，還有一個(gè)超范圍指示燈，用來提醒是否超出范圍，由測試人員決定是否進(jìn)行重測。

6)數(shù)據(jù)記錄窗口。在該窗口中，會(huì)橫向顯示每個(gè)晶振的五種測試數(shù)據(jù)，在第一列會(huì)為每次測量的晶振自動(dòng)編號(hào)，重測不計(jì)入其中，方便測試人員核對數(shù)量。

2.2.2 DC穩(wěn)壓電源控制模塊

在該設(shè)計(jì)中，分別為DC穩(wěn)壓電源、示波器、頻率計(jì)設(shè)計(jì)了3個(gè)控制模塊的子VI，用來單獨(dú)調(diào)用。其中電源控制模塊的程序如圖5所示。電源模塊只需要輸入兩個(gè)參數(shù)，分別是“電源輸出電壓”和“鉗位電流”。從程序中可以看到，安裝的驅(qū)動(dòng)中已經(jīng)集成了驅(qū)動(dòng)和設(shè)置的模塊，例如“HPE363Xa Initialize.vi”，“HPE363Xa close.vi”，“HPE363 1a getting started.vi”等，這些模塊可以在程序中直接調(diào)用，只需設(shè)置所需的參數(shù)即可。如果模塊中沒有預(yù)留所需功能的連線端，只需重新引出即可，極大地簡化了開發(fā)的過程，其他設(shè)備的編程也類似。

2.2.3 示波器控制模塊

示波器控制部分的程序如圖6所示。這里調(diào)用的模塊主要有：“ag6000a Initialize.vi”，用于初始化設(shè)備的各種參數(shù);“ag6000a Autosetup.vi”，用于將示波器設(shè)置為自動(dòng)讀取模式;“ag6000a Read Single Waveform.vi”，用于讀取示波器采集到的波形;“ag6000a Read Waveform Measurement.vi”，用于讀取波形中所包含的數(shù)據(jù)。該部分主要功能是控制示波器輸出“最高電平”、“最低電平”、“上升時(shí)間”和“下降時(shí)間”4種參數(shù)并讀取示波器的波形。在這里也設(shè)置了超時(shí)參數(shù)，如果5秒內(nèi)沒有控制信號(hào)傳輸進(jìn)來，程序?qū)⒂捎诔瑫r(shí)自動(dòng)終止。

2.2.4 頻率計(jì)控制模塊

頻率計(jì)控制部分的程序設(shè)置如圖7所示。圖中用到的模塊的功能與上一部分類似，其中“pecnt90 Configure Measurement.vi”，模塊可以設(shè)置儀器測量時(shí)的各種參數(shù)，在測試類型一項(xiàng)應(yīng)該選擇“頻率(Frequency)”，該模塊也可修改采樣時(shí)間等參數(shù)。該部分的主要功能是控制頻率計(jì)采集晶體振蕩器的頻率并將其輸出。同樣地，這里也設(shè)置了5秒超時(shí)功能。

由于系統(tǒng)在為晶體振蕩器加電時(shí)，電壓瞬間達(dá)到設(shè)定值，為了避免瞬間電壓不穩(wěn)定對測試結(jié)果造成影響，特別在這里添加了延時(shí)1秒讀數(shù)的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在晶體振蕩器穩(wěn)定工作后，才開始讀數(shù)。延時(shí)部分程序如圖8所示。

3 實(shí)際測試與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測試的可靠性，進(jìn)行了大量的實(shí)際測試。通過實(shí)際測試，對系統(tǒng)做出了諸多改進(jìn)。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)速度快

在實(shí)際測試中，我們對比了手動(dòng)測試和系統(tǒng)自動(dòng)測試所花費(fèi)的時(shí)間。正常情況下，手動(dòng)測試1個(gè)晶體振蕩器平均需要1分鐘，在進(jìn)行批量測試時(shí)，必然會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。而使用該系統(tǒng)進(jìn)行測試，平均測試一個(gè)晶體振蕩器的時(shí)間為5秒，節(jié)省了90%的時(shí)間，這是因?yàn)樽詣?dòng)測試節(jié)省了人工觀察、記錄示波器數(shù)據(jù)和等待頻率計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定的時(shí)間，也節(jié)省了計(jì)算數(shù)據(jù)的時(shí)間。

2)精度高

人工測試時(shí)，由于測試頻率一直在細(xì)微地變化，導(dǎo)致測試人員在記錄數(shù)據(jù)時(shí)晶體振蕩器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)生變化，這就使得各項(xiàng)測試結(jié)果不匹配，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)產(chǎn)生誤差。而該系統(tǒng)由于使用計(jì)算機(jī)控制，各個(gè)設(shè)備協(xié)調(diào)工作，處理速度非常快，讀數(shù)準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)上述情況，這就大大提升了測試的精度。此外該系統(tǒng)計(jì)算的數(shù)據(jù)精確度非常高，讀數(shù)精確到小數(shù)點(diǎn)后六位，實(shí)際測試中，例如計(jì)算頻率精度，計(jì)算公式為：

計(jì)算結(jié)果的單位為ppm，由公式可知：該計(jì)算結(jié)果精確到百萬分之一。在手工測試的條件下，例如一種精度要求在1 ppm以內(nèi)的晶體振蕩器，通常計(jì)算結(jié)果為20 ppm以上，計(jì)算準(zhǔn)確性非常低，而該系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果全部在要求范圍內(nèi)。測試結(jié)果如表1所示。

3)可靠性強(qiáng)

為了檢驗(yàn)可靠性，我們特別對同一批晶體振蕩器進(jìn)行了10次測試，每次測試間隔10分鐘以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每次試驗(yàn)結(jié)果的偏差都不超過0.00001%。此外，使用該系統(tǒng)連續(xù)測試200個(gè)已檢驗(yàn)合格的晶體振蕩器，并保持系統(tǒng)持續(xù)工作5小時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，可見該系統(tǒng)的可靠性非常強(qiáng)。

4 結(jié)束語

晶體振蕩器的測試技術(shù)在電子工業(yè)領(lǐng)域是非常實(shí)用的。傳統(tǒng)的手工測試、人工記錄已經(jīng)滿足不了更高的生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)可以很好地解決這一問題，并具備高精度、高速度等特點(diǎn)，可以滿足正常的測量需求，達(dá)到了自動(dòng)化測試的目的。該系統(tǒng)也具備一定的擴(kuò)展性，例如可以連接多個(gè)測試通道，讓系統(tǒng)自動(dòng)切換通道進(jìn)行測試等。本文對其他自動(dòng)化測試系統(tǒng)的開發(fā)也具有一定參考價(jià)值。