石英晶體振蕩器性能參數(shù)測試系統(tǒng)研究

宋 敏，王航宇

（1.西安飛機國際航空制造股份有限公司 計量處，陜西 西安710089；2.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院， 陜西 西安710089）

石英晶體振蕩器簡稱為晶振，晶體振蕩器又分為無源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個說法并不準確；有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。由于石英諧振器具有體積小、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，素有無線電設(shè)備的心臟之稱。石英晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性，它是決定振蕩器價格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬，器件的價格亦愈高。晶體老化是造成頻率變化的又一重要因素。晶體老化會使輸出頻率按照對數(shù)曲線發(fā)生變化，也就是說在產(chǎn)品使用的第一年，這種現(xiàn)象才最為顯著。與穩(wěn)定度有關(guān)的其他因素還包括電源電壓、負載變化、相位噪聲和抖動。因此在使用中對石英晶體振蕩器性能參數(shù)的測試就顯得特別重要[1]。

1 石英晶體振蕩器性能參數(shù)的人工測試方法

石英晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定特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,素有無線電通信設(shè)備的心臟之稱。所以,對石英晶體振蕩器性能參數(shù)的測試顯得特別重要。根據(jù)國家的檢定規(guī)程要求，石英晶體振蕩器性能參數(shù)的計量檢定工作包括要對頻率開機特性（開機1小時后，每隔1小時測量一次，連續(xù)測量8小時）；頻率日波動（經(jīng)說明書規(guī)定的預(yù)熱時間后，每隔1小時測量一次，連續(xù)測量24小時）、頻率穩(wěn)定度、頻率重現(xiàn)性、頻率準確度、頻率老化率（經(jīng)說明書規(guī)定的預(yù)熱時間后，每隔12小時測量一次，連續(xù)測量7天）進行測試以及畫出開機特性、日波動、老化率的曲線，記錄原始數(shù)據(jù)、計算檢定結(jié)果和處理檢定證書。在實際工作中由于要對被測件連續(xù)檢測1～15天，計量工作人員一般都要輪流值班，一面要記錄數(shù)據(jù)，一面還要操作儀器，人工切換測試探頭，這樣容易造成人為誤差，且長期測試，容易出錯，工作起來相當繁瑣，并且在日后對數(shù)據(jù)和證書的保存、管理及查詢都顯得特別麻煩。在大規(guī)模的生產(chǎn)中，減輕批量多種晶振測試過程中繁瑣的人工勞動，對提高生產(chǎn)效率和提高我國晶振生產(chǎn)的整體水平有十分重要的作用[2]。

目前頻率計量只開展了 1 MHz、2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz這幾個頻率點的計量測試工作。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，現(xiàn)在需要測試的頻率點越來越多，例如通信用晶體振蕩器的頻率點有16.384 MHz等，雷達用晶體振蕩器的頻率點有100 MHz等等非整數(shù)點頻率。雖然計量檢定規(guī)程中并沒有要求一定要計量檢定這些頻率點，但是實際工作中又需要測試這些頻率。因此，利用現(xiàn)有的測試條件怎樣測試這樣的頻率就顯得尤其重要了。

目前全國的計量單位在開展計量檢定工作時，選擇的計量標準時一般以銫原子頻率標準，銣原子頻率標準，石英頻率標準為主。以銫原子頻率標準HP5071A為例，其主要技術(shù)指標為短期穩(wěn)定度：≤1.5E-11/1S，≤5E-12/10S，準確度為≤1.0E-12。根據(jù)國家的檢定規(guī)程要求，被測頻率精度比標準精度要低3倍。也就是說測試儀器的測試精度能達到上述要求就可以滿足絕大多數(shù)單位的計量測試要求。國家檢定規(guī)程中允許通過計數(shù)器直接測頻法來測量頻率開機特性，頻率日波動，頻率穩(wěn)定度，頻率重現(xiàn)性，頻率準確度，頻率老化率等指標。但以前由于受到計數(shù)器顯示位數(shù)的限制 （早期最好的通用計數(shù)器的顯示位數(shù)也只有10位/秒），無法測量頻率準確度優(yōu)于3E-10、短期穩(wěn)定度優(yōu)于5E-10/1S的頻率信號。國內(nèi)生產(chǎn)頻率計量設(shè)備的廠家為提高測量精度而開發(fā)了誤差倍增器[3]，通過使用誤差倍增器可以使短期穩(wěn)定度的測量精度達到1E-12/1秒，準確度的測量精度達到1E-12/10秒。使通用計數(shù)器在計量檢定工作中變成了一種與誤差倍增器相輔助配套的設(shè)備。但由于使用了誤差倍增器后使許多非整點頻率和低精度頻率信號無法進行自動化測量，而且大多數(shù)的計量檢定工作并不需要測量如此高的精度，使大多數(shù)單位的通用計數(shù)器不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。因此，建立一套石英晶體振蕩器性能參數(shù)自動測試系統(tǒng)對減輕晶振測試過程中繁瑣的人工勞動，對提高工作效率和提高測試精度有十分重要的作用。

2 自動測試系統(tǒng)工作原理

本測試系統(tǒng)由銣原子頻率標準PO200B—GPS提供參考10MHz標準信號，使Agilent5313XA內(nèi)時基的頻率精度鎖定在銣原子頻率標準上，Agilent5313XA是一臺有12位顯示的通用計數(shù)器，在10 MHz時頻率準確度分辨率達1E-11/1s，完全可以滿足二級頻率計量標準的要求。被測信號的頻率值通過Agilent5313XA的GP—IB接口傳遞到計算機，利用本測試軟件實行對晶體振蕩器的各項性能參數(shù)進行自動測試，并按照國家檢定規(guī)程要求計算測量結(jié)果，可畫出開機特性，日波動，老化率曲線圖，自動生成原始記錄及檢定證書，顯示并打印。連結(jié)上可程控頻標切換器HT2001后可對1—16臺儀器內(nèi)石英晶體振蕩器實現(xiàn)全自動測試。在測試過程中，被測儀器的電源由頻標切換器HT2001控制，按照檢定規(guī)程的要求自動切斷和接通[4]。

3 硬件結(jié)構(gòu)

本測試系統(tǒng)利用現(xiàn)有設(shè)備,包括銣原子頻率標準PO200B-GPS，通用計數(shù)器Agilent5313XA，頻標切換器HT2001，HP82357A,IEEE488接口卡，計算機，打印機等。將銣原子頻率標準PO200B-GPS的10 MHz輸出信號連結(jié)到通用計數(shù)器HP5313X的外接頻標輸入接口上，將IEEE488接口卡HP82357A的一端固定到通用計數(shù)器Agilent5313XA的GP-IB接口上，另一端插入計算機的USB接口。將USB連接線的一端固定在頻標切換器HT2001的接口上，另一端固定在計算機的USB接口上[5]。

測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Test system hardware structure chart

PO200B-GPS銣原子頻率標準在國內(nèi)屬于精度較高，穩(wěn)定性很可靠的一種頻率基準，其準確度優(yōu)于1×10-10（開機1小時后）。開啟 GPS信號鎖定 1小時后，優(yōu)于 5×10-12。Agilent5313XA通用計數(shù)器作為一種高精度時疇參數(shù)測量儀器，利用頻差倍增技術(shù)原理，可以對高精度的頻率標準的準確度，長短期頻率穩(wěn)定度進行快速測量。HT2001頻標切換器，用于多路信號的轉(zhuǎn)換，它備有控制接口，由外部控制實現(xiàn)信號的選擇、轉(zhuǎn)換,用作測試系統(tǒng)的信號自動轉(zhuǎn)換部件。

4 軟件設(shè)計

通電啟動程序運行后，先等待鍵盤輸入，先輸入被測件信息及需要測試的項目，再輸入的是所需測試的臺數(shù)n。其程序流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖Fig.2 Software flow chart

5 測試系統(tǒng)的功能

本系統(tǒng)不但實現(xiàn)簡單的用戶管理，管理員可以刪除、修改、新增用戶；實驗室工作人員可將經(jīng)常接觸的委托檢定方，存于系統(tǒng)中，提供修改、新增、刪除等功能。并可以進行完整測試的歷史查詢，提供詳細的測試，包括測試指標等[6]。

主要功能是可以進行多種測試類型：分自動測試和快捷測試，自動測試和自定義測試任意選擇。自動測試，根據(jù)被檢設(shè)備的類型分電子儀器內(nèi)石英晶振、銣原子頻率標準、石英晶振，3種類型頻率振蕩器的檢定，以上3種頻率源分別遵循《JJG 180-2002電子儀器內(nèi)石英晶體振蕩器》檢定規(guī)程、《JJG 292-2009銣原子頻率標準》檢定規(guī)程、《JJG 181-2005石英晶體頻率》檢定規(guī)程；測試配合HT2001標頻切換器，可實現(xiàn)在檢定電子儀器內(nèi)石英晶振和石英晶振時16路同時測試，銣原子頻率標準10路同時測試。各種測試在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計算算法上完全遵循以上檢規(guī)，檢測完畢后，自動生成Office Word格式的報表。被測儀器的電源可由HT2001控制，即使是測試重現(xiàn)性，也可做到了無人看守，真正做到了減輕測試人員的工作壓力。根據(jù)所選的測試項，出具檢測結(jié)果，如：開機特性、日波動、穩(wěn)定度、重現(xiàn)性等等。

具有快捷測試，分頻率測試和時差測試。

頻率測試，對測試時間不做限制，設(shè)置閘門時間、標稱頻率、Agilent5313XA通道1參數(shù)后，就可以進行測試，通過暫停測試可以實時給出測試過程中的數(shù)據(jù)給出測試結(jié)果，如：開機特性、日波動、準確度、短期穩(wěn)定度，所查看的數(shù)據(jù)范圍可任意選擇。

時差測試，對測試時間不做限制，需要對通道1和通道2的參數(shù)進行設(shè)置，外加定時開關(guān)機功能，然后進入測試，可同時測控16路通道，實現(xiàn)16個儀器的同時檢測。通過暫停測試可以實時給出測試過程中的數(shù)據(jù)給出測試結(jié)果，如：準確度，所查看的數(shù)據(jù)范圍可任意選擇。

6 結(jié)束語

本測試系統(tǒng)采用計算機控制技術(shù)，利用銣原子頻率標準PO200B-GPS為基準，高精度數(shù)字頻率計采集石英晶體振蕩器的測試參數(shù)，操作簡單，使用方便，提高了測試精度，減少了測試人員的勞動強度，啟動后可以無需測試人員看管，并可根據(jù)實際情況隨時停止測試，尤其適用于多臺測試校準的需要，具有廣泛的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].湖南:湖南大學(xué)出版社，1997.

[2]徐偉.低相位噪聲石英晶體振蕩器設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[3]費元春.固態(tài)倍頻[M].北京：高等教育出版社，1985.

[4]Nève A，Schettler H.Powerdelay product minimization in high-performance 64-bit carry-select adders[J].IEEE Trans.Very Large Scale Integrition Systems，2004，12（3）:235-244.

[5]劉樂善.微機接口技術(shù)原理及應(yīng)用[M].湖北：華中理工大學(xué)出版社，2011.

[6]Nève A，Schettler H，Ludwig T，et al.Powerdelay product minimization in high-performance 64-bit carry-select adders[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI）Systems，2004，12（3）:235-244.