晶振二次篩選過程中的電性能測試系統(tǒng)?

劉 雄 琚格格 劉 紅

1 引言

晶振作為一種高精度頻率源被廣泛地應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)、精密測控系統(tǒng)，其質(zhì)量是整個產(chǎn)品乃至整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個小小的晶振失效將導(dǎo)致整機(jī)失效，可能造成重大損失，因此軍工產(chǎn)品所用到的晶振均要求進(jìn)行100%二次篩選［1］。本單位為了提高通信產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，依據(jù)GJB7243-2011《軍用電子元器件篩選技術(shù)要求》，制訂了本單位適用的元器件二次篩選規(guī)范［2］。該規(guī)范中晶振的測試項目包括外觀檢查、常溫初測、溫度循環(huán)、常溫中測、功率老煉、低溫測試、高溫測試、常溫終測、外觀檢查等。

在上述晶振的篩選過程中需要多次對晶振的電性能關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試，包括常溫初測、常溫中測、低溫測試、高溫測試、常溫終測等，其測試的關(guān)鍵電性能指標(biāo)包括晶振的頻率值、頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、電壓幅值等，因此在有多部晶振需要篩選時會出現(xiàn)很多的困難和問題，具體包括多部晶振多次反復(fù)測試導(dǎo)致的測試任務(wù)量大；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需要對晶振在特定的溫度環(huán)境下進(jìn)行測試，因此為了保證測試時的環(huán)境溫度，必須快速高效完成對晶振的測試（從溫度箱拿出來后半個小時內(nèi)測試完成）；晶振在高低溫測試時，需要根據(jù)環(huán)境試驗室統(tǒng)籌安排測試時間，這樣可能導(dǎo)致一些測試被安排在凌晨，而且必須要有人工值守；測試過程中會產(chǎn)生大量的測試記錄，測試完成后測試人員需要將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計算導(dǎo)致測試后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作繁瑣；人工測試易出現(xiàn)誤差大、測試不準(zhǔn)確等問題。

針對以上問題，本文提出了一種晶振自動測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，以計算機(jī)和下位機(jī)控制板為控制核心，通過多路選擇器切換信號通道［3］，控制是德公司（原安捷倫公司）最新頻率計儀表，實現(xiàn)晶振相關(guān)參數(shù)的測試。通過信號通道的自動切換測試保證了晶振測試的效率；通過主控板和晶振測試板的分離設(shè)計，可以將晶振測試板直接放入高低溫試驗箱中，由高低溫試驗箱來保障晶振測試時的環(huán)境溫度，使測試過程更符合規(guī)范要求；通過軟件系統(tǒng)的定時測試設(shè)計可以降低對人工值守的依賴性；測試完成后，通過調(diào)用Word應(yīng)用程序?qū)δ０嫖募M(jìn)行自動編輯處理［4］，大大降低了測試后期測試報告的處理工作。

2 系統(tǒng)工作原理

測試系統(tǒng)組成見下面圖1所示，具體包括PC機(jī)、頻率計、主控板和8塊測試板，其中每塊測試板布置64個工位，整個系統(tǒng)共布置512個工位，可一次性對512部晶振進(jìn)行循環(huán)切換測試。

圖1 測試系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)的應(yīng)用程序在PC機(jī)上采用LabView開發(fā)環(huán)境編寫［5］，其主要功能包括通過人機(jī)交互界面完成基本測試信息的輸入，發(fā)起整個測試過程，控制頻率計對頻率信號進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測試，測試完成后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，然后將測試數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)保存到Sql Server數(shù)據(jù)庫［6］，最后通過調(diào)用Word應(yīng)用程序，對Word模版進(jìn)行自動編輯，實現(xiàn)測試記錄和測試報告電子檔的自動生成。

主控板通過串口與PC機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行通信，其實現(xiàn)的功能是接收上位機(jī)傳輸?shù)目刂泼詈?，根?jù)測試命令具體內(nèi)容對測試板的片選信號、供電信號、頻率通道信號等信號進(jìn)行切換，以保證測試板上晶振的供電準(zhǔn)確，并能依次循環(huán)測試每部晶振的頻率特性。待片選信號、供電信號、頻率通道信號進(jìn)行切換完成后，主控板會向上位機(jī)應(yīng)用程序回送握手信號，通知應(yīng)用程序可以調(diào)用頻率計驅(qū)動程序?qū)︻l率信號相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試［7］。

晶振測試板與主板間通過插線槽進(jìn)行連接，其主要功能為接收主控板發(fā)送的控制信號電平，依次切換選通64路頻率信號，將信號通過主板接口傳輸至頻率計輸入口。由于測試系統(tǒng)的最終測試都是由頻率計完成，而且本系統(tǒng)所選用的頻率計屬于市面上成熟儀器儀表，因此保證了整個測試系統(tǒng)的測試精度和測試準(zhǔn)確度。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括主控制板硬件設(shè)計和晶振測試板硬件設(shè)計［8］。主控制板硬件設(shè)計主要包括處理器、電源切換、3-8譯碼器、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路選擇器（8選1）、系統(tǒng)供電、時鐘等。具體見圖2。

圖2 主控制板硬件電路框圖

如上圖所示，主控制板上處理器主要用于控制信號和信號通道的切換，屬于基本I/O口操作，而且未進(jìn)行復(fù)雜算法計算，因此選擇相對簡單的stc89c51處理器，該處理器由宏晶公司生產(chǎn)且具有在線串口下載功能［9］，操作簡單方便。處理器與PC機(jī)采用串口通信，用于接收上位機(jī)的控制命令和回送握手信號；處理器通過兩路數(shù)字I/O輸出信號控制兩路電磁繼電器，從3.3V、5.0V、12V三路電源中選擇適合被測晶振供電的電源；處理器通過控制3-8譯碼器［10］，輸出8種不同的片選信號，分別選通8塊測試板；處理器通過八路數(shù)字I/O輸出信號控制一路8位D/A轉(zhuǎn)換芯片［11］，為壓控晶振提供準(zhǔn)確的控制電壓；處理器通過3路數(shù)字I/O輸出信號控制一路多路選擇器，從8塊測試板中選擇一路頻率輸出信號，輸送到頻率計輸入口。

晶振測試板硬件設(shè)計主要包括一路三八譯碼器、9路多路選擇器（8選1）、64個晶振工位等。具體硬件框圖見下圖3所示。

圖3 晶振測試板硬件電路框圖

上圖中8路選擇器各切換8路晶振信號，三八譯碼器為這8路選擇器輸出片選信號，另外一路選擇器切換這8路選擇器的輸出信號，一塊測試板可循環(huán)切換64路晶振輸出信號，整個測試系統(tǒng)包含8塊測試板，總共可循環(huán)切換512路晶振輸出信號。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩個方面，具體包括上位機(jī)應(yīng)用程序部分和下位機(jī)處理器部分。上位機(jī)應(yīng)用程序部分為整個系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，具體包括基本測試信息的人工交互輸入、發(fā)起整個測試過程、向下位機(jī)控制板發(fā)送控制信息命令、等待下位機(jī)回送的握手信號，最后控制頻率計對其輸入口的頻率信號進(jìn)行測試。測試完成后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，然后將測試數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)保存到Sql Server數(shù)據(jù)庫，最后通過調(diào)用Word應(yīng)用程序的文檔屬性和文檔操作方法［12］，對Word模版進(jìn)行自動編輯，實現(xiàn)測試記錄的電子檔自動生成和測試報告的自動生成；下位機(jī)軟件部分在接收到上位機(jī)發(fā)送來的信息數(shù)據(jù)后，首先對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取晶振供電信息、測試板號信息、晶振工號等信息，然后根據(jù)解析出的信息執(zhí)行處理器數(shù)字口的輸出轉(zhuǎn)換，切換信號通道，最后向上位機(jī)應(yīng)用程序回送握手信號，通知上位機(jī)信號通道切換完成，可以調(diào)用頻率計驅(qū)動程序?qū)︻l率信號進(jìn)行測試。軟件流程如下面圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)語

本測試系統(tǒng)采用單片機(jī)和成熟儀器儀表結(jié)合上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)д穸魏Y選過程中性能測試過程進(jìn)行智能控制，使晶振二次篩選過程更加符合規(guī)范要求，并且大大提高了測試效率，保障了測試的可靠性。但該測試系統(tǒng)仍然存在一定的缺陷，由于本單位使用到的晶振種類繁多，使用該系統(tǒng)時需要根據(jù)每種晶振的封裝形式制作不同的晶振測試板，這樣會帶來大量的工作，因此下一步應(yīng)當(dāng)收集本單位所使用的所有晶振的封裝形式，結(jié)合系統(tǒng)供電通道和信號通道，探索晶振測試過程中的封裝自適應(yīng)問題，以便更進(jìn)一步完善本測試系統(tǒng)。

［1］王小萍.元器件二次篩選過程中的質(zhì)量控制［J］.電子與封裝，2016，16（6）：39-42.

［2］中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所.航空機(jī)載電子裝備電子元器件二次篩選規(guī)范［S］.成都：中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，2012.

［3］王春燕，楊景常，董慧等.晶振與繼電器多通道高精度可程控自動測深儀［J］.自動化儀表，2012，31（1）：59-60.

［4］曹玉保，周兆慶，吳凱.Labview基于ActiveX技術(shù)的word測試報表研究［J］.中國集成電路，2016，205：71-72.

［5］楊樂平，李海濤.Labview高級程序設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［6］明日科技.SQL Server從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

［7］江金光，唐亞男，李姍姍.基于單片機(jī)的晶振溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計［J］.壓電與聲光，2016，38（3）：492-496.

［8］王淵峰，戴旭輝.AltiumDesigner10［M］.北京：科學(xué)出版社：2011.

［9］曹慶文.自制廉價STC89c52串口ISP下載器［J］.電子制作，2007（2）：23-24.

［10］陳生翰，劉其洪，丁柱.單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20自動識別的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010（5）：16-18.

［11］孫永祥.一種低功耗小信號采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.電工電氣，2010（5）：22-26.

［12］付志超，陳馨，張聰?shù)?LabVIEW中基于ActiveX的報表生成技術(shù)研究［J］.艦電技術(shù)，2010，30（4）：60-63.