OCXO 生產(chǎn)測(cè)試供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/韓文博

1 概述

OCXO 是一種利用控溫電路將晶體諧振器的溫度保持恒定，從而保持輸出頻率穩(wěn)定的時(shí)頻器件。OCXO 工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大電流保持溫槽溫度恒定，所以O(shè)CXO 供電系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間保持較大功率工作，供電系統(tǒng)故障時(shí)有發(fā)生。在OCXO 大批量生產(chǎn)過程中，每套供電系統(tǒng)同時(shí)為上千只OCXO 供電，供電系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致大批OCXO 測(cè)試異常，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，若電壓異常升高甚至?xí)龤CXO。如何在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)地切斷供電電源，是OCXO 生產(chǎn)測(cè)試工作的重中之重。

本文所設(shè)計(jì)的OCXO 生產(chǎn)測(cè)試供電系統(tǒng)具有測(cè)量供電電壓、設(shè)定供電電壓、供電電壓異常斷電示警、設(shè)定示警電壓閾值以及軟/硬件復(fù)位等功能，目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于OCXO的生產(chǎn)測(cè)試工作中，應(yīng)用至今安全可靠，保證大批量生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

OCXO 生產(chǎn)測(cè)試供電系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)和以微型控制單元為核心的硬件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)框架見圖1。

圖1：供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

操作人員通過個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，簡(jiǎn)稱PC）軟件界面查看并控制整個(gè)系統(tǒng)，PC 以串口通信方式向微型控制單元（Microcontroller Unit，簡(jiǎn)稱MCU）發(fā)送指令，MCU 接收PC 指令后控制數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電壓比較模塊與程控電源模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）供電電壓測(cè)量：PC 軟件界面選擇需要測(cè)量的程控開關(guān)電源編號(hào)，測(cè)量指定程控開關(guān)電源的輸出電壓值。

圖2：供電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

圖3：DAC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4：電阻串結(jié)構(gòu)

圖5：電壓比較模塊結(jié)構(gòu)圖

圖6：程控電源模塊結(jié)構(gòu)圖

（2）供電電壓設(shè)定：PC 軟件界面選擇需要設(shè)置的程控開關(guān)電源編號(hào)，輸入設(shè)定電壓值，設(shè)定指定程控開關(guān)電源的輸出電壓值。

（3）示警電壓閾值設(shè)定：PC 軟件界面輸入示警上限電壓值與下限電壓值。

（4）供電電壓異常斷電示警：當(dāng)程控開關(guān)電源輸出電壓值超出閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)切斷OCXO 供電，MCU 向PC 發(fā)送異常程控開關(guān)電源編號(hào)，PC 接收信息并在軟件界面顯示異常程控開關(guān)電源編號(hào)，隨后測(cè)量異常程控開關(guān)電源輸出電壓，并將示警時(shí)間、異常程控開關(guān)電源編號(hào)與異常電壓值記錄在文件中，并鳴笛提示操作人員。

（5）軟/硬件復(fù)位：供電電壓異常斷電示警后，操作人員根據(jù)PC 軟件界面顯示的程控開關(guān)電源編號(hào)對(duì)異常程控開關(guān)電源進(jìn)行維修或更換，按下硬件控制板或PC 軟件界面上的復(fù)位按鈕，測(cè)量維修或更換后的程控開關(guān)電源的輸出電壓，若測(cè)量電壓值處于閾值電壓范圍內(nèi)則恢復(fù)供電，若超出范圍則再次示警。

（6）沖擊測(cè)試：系統(tǒng)根據(jù)操作人員輸入的供電電壓、加斷電時(shí)間與沖擊次數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)示警上限電壓與下限電壓與復(fù)位來實(shí)現(xiàn)OCXO 加斷電沖擊測(cè)試。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

供電保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括MCU、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電壓比較模塊與程控電源模塊四部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架見圖2。

其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，電壓比較電路、復(fù)位電路與栓鎖電路構(gòu)成電壓比較模塊，程控開關(guān)電源與金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡(jiǎn) 稱MOSFET）構(gòu)成程控電源模塊。

3.1 微型計(jì)算單元

供電系統(tǒng)MCU 主要作用是接收PC 指令，根據(jù)指令控制數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電壓比較模塊與程控電源模塊將PC 數(shù)字指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。MCU 通過集成電路總線（Inter Integrated Circuit，簡(jiǎn)稱IIC）與模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器通信來完成測(cè)量/設(shè)定程控開關(guān)電源的輸出電壓值，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器通信為電壓比較電路設(shè)定示警電壓閾值，通過復(fù)位電路解鎖栓鎖電路。

3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用16 位DAC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用MCU 內(nèi)部12 位ADC 模塊。

供電系統(tǒng)共需要三個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別用來設(shè)定程控開關(guān)電源輸出電壓值、示警電壓上限與示警電壓下限。

DAC 內(nèi)部分為寄存器、電阻串與輸出放大器三部分（見圖3），寄存器用于設(shè)定DAC 輸出值與工作模式，DAC 根據(jù)寄存器中寫入的設(shè)定值選擇導(dǎo)通相應(yīng)開關(guān)并經(jīng)放大器輸出（見圖4）。DAC 最終輸出值為VOUT=VREF×D/216，其中VREF為DAC 參考端電壓，一般接DAC 供電，D 為寫入DAC 寄存器的設(shè)定值。

MCU 內(nèi)部12 位ADC 配備8 個(gè)可單獨(dú)配置的外部輸入通道，具有4 種轉(zhuǎn)換模式、16個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)寄存器以及可選內(nèi)部正負(fù)基準(zhǔn)等功能。供電系統(tǒng)采用單通道單次轉(zhuǎn)換模式，每16 次轉(zhuǎn)換取平均值作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，內(nèi)部正基準(zhǔn)選擇MCU 供電電壓，負(fù)基準(zhǔn)選擇地，根據(jù)VCC×A/(212-1)計(jì)算得出測(cè)量電壓值，其中VCC為MCU 供電電壓，A 為ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果平均值。

3.3 電壓比較模塊

雙比較器構(gòu)成的電壓比較電路，NPN 型三極管與PNP 型三極管構(gòu)成的栓鎖電路，NPN 型三極管與按鈕開關(guān)構(gòu)成的復(fù)位電路共同組成電壓比較模塊，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖5。

當(dāng)程控開關(guān)電源超出示警電壓上下限范圍時(shí)，比較器置位PNP 型三極管集電極，此時(shí)栓鎖電路自動(dòng)啟動(dòng)、鎖死并切斷OCXO供電，同時(shí)MCU 檢測(cè)到PNP 型三極管集電極上升沿觸發(fā)外部中斷，立即向PC 發(fā)送示警信息。待程控開關(guān)電源故障問題解決，按下按鈕開關(guān)，MCU 接收到上升沿觸發(fā)外部中斷，測(cè)量程控開關(guān)電源電壓，若電壓正常MCU 置位NPN型三極管基極，解鎖栓鎖電路，OCXO 恢復(fù)供電，并與PC 通信解除示警狀態(tài)；若電壓異常則繼續(xù)維持示警與鎖定狀態(tài)。

3.4 程控電源模塊

程控電源模塊由程控開關(guān)電源與大功率MOS 管組成（見圖6），MCU 根據(jù)PC 指令通過DAC 調(diào)節(jié)程控開關(guān)電源輸出電壓，通過ADC 測(cè)量程控開關(guān)電源電壓。當(dāng)程控開關(guān)輸出電源電壓異常時(shí)，電壓比較模塊通過控制大功率MOS 管的截止切斷OCXO 供電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PC軟件程序設(shè)計(jì)

OCXO 生產(chǎn)測(cè)試供電系統(tǒng)軟件使用VisualStudio2010 開發(fā)，編程語言采用C#，包含示警上、下限電壓設(shè)定、程控開關(guān)電源電壓設(shè)定、異常程控開關(guān)電源電壓編號(hào)顯示、測(cè)量顯示指定程控開關(guān)電源電壓并保存測(cè)試數(shù)據(jù)等功能，PC 軟件界面截圖見圖7。

4.2 MCU軟件程序設(shè)計(jì)

MCU 軟件程序設(shè)計(jì)使用IAR 開發(fā)，編程語言采用C 語言，流程圖見圖8。

5 結(jié)語

本文所提出的系統(tǒng)不僅為大批量OCXO生產(chǎn)測(cè)試提供穩(wěn)定可靠的供電，還具有供電電壓異常斷電示警功能，保證了OCXO 測(cè)試的安全性與連續(xù)性；支持OCXO 供電電壓設(shè)定，擴(kuò)展了生產(chǎn)測(cè)試兼容性；測(cè)量供電電壓并生成OCXO 供電測(cè)試記錄，有助于實(shí)時(shí)把控分析生產(chǎn)測(cè)試過程；OCXO 定時(shí)加斷電沖擊測(cè)試，可以驗(yàn)證OCXO 可靠性。

目前OCXO 生產(chǎn)測(cè)試供電系統(tǒng)協(xié)同OCXO 老化測(cè)試系統(tǒng)、OCXO 溫度特性測(cè)試系統(tǒng)與OCXO 多功能測(cè)試系統(tǒng)，累計(jì)輔助生產(chǎn)測(cè)試OCXO 數(shù)百萬只，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保證了OCXO 大批量生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

圖7：PC 軟件界面

圖8：MCU 程序流程圖