OCXO老化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙斌

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北石家莊，050200）

1 概述

近年來(lái)，隨著5G通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，時(shí)鐘源的需求量和使用量也呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)的趨勢(shì)，晶體振蕩器作為電子電路中最常用的時(shí)鐘基準(zhǔn)元件，其研究成果與生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。晶振的類(lèi)型很多，按不同性能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以劃分為恒溫晶振、溫補(bǔ)晶振、壓控晶振等，其中OCXO以高精度與高穩(wěn)定度著稱(chēng)，相較于溫補(bǔ)晶振與壓控晶振，OCXO具有更好的溫度特性、短期穩(wěn)定度以及相位噪聲指標(biāo)，被廣泛的應(yīng)用于各級(jí)通信設(shè)備中。OCXO的設(shè)計(jì)原理是將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過(guò)設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使槽體內(nèi)的晶體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。

長(zhǎng)期穩(wěn)定度是OCXO的重要技術(shù)指標(biāo)，通常使用老化率來(lái)表征。在OCXO生產(chǎn)研發(fā)過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行一段時(shí)間的上電老化，監(jiān)測(cè)其輸出頻率，實(shí)時(shí)計(jì)算老化率并預(yù)測(cè)長(zhǎng)期老化率，從而保證其頻率準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。

本文提出一種OCXO老化測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)OCXO老化率的大規(guī)模自動(dòng)化測(cè)試，該系統(tǒng)在大幅提高生產(chǎn)測(cè)試效率的同時(shí)節(jié)省了大量的人力資源，滿足百萬(wàn)級(jí)年產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)測(cè)試需求，測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化傳輸與存儲(chǔ)，便于生產(chǎn)研發(fā)人員分析數(shù)據(jù)，從而更好的管控產(chǎn)品質(zhì)量。

2 系統(tǒng)框架與功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

OCXO老化測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、頻率計(jì)數(shù)器、原子頻標(biāo)、供電設(shè)備、測(cè)試箱體、測(cè)試板、控制板等部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖見(jiàn)圖1。其中，計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)為操作人員提供可視化操作界面與軟件運(yùn)行環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將處在不同位置、操作上相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與高效存儲(chǔ)；頻率計(jì)數(shù)器受控于計(jì)算機(jī)，用于測(cè)量OCXO輸出信號(hào)的頻率，測(cè)試完成后將結(jié)果回傳至計(jì)算機(jī)；原子頻標(biāo)為頻率計(jì)數(shù)器提供測(cè)量基準(zhǔn)；供電設(shè)備為OCXO老化測(cè)試提供穩(wěn)定可靠的供電支持；測(cè)試箱體用于裝載供電設(shè)備、測(cè)試板與控制板；測(cè)試板用于裝載待測(cè)OCXO產(chǎn)品、通道切換控制電路以及LED矩陣電路；控制板用于裝載MCU、通信轉(zhuǎn)換電路、過(guò)壓保護(hù)電路、輸出塊矩陣電路與其他相關(guān)電路，是硬件系統(tǒng)的控制核心。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

本文提出的老化測(cè)試系統(tǒng)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)配置3臺(tái)測(cè)試箱體，分別通過(guò)3根RS232串口通信線與之通信，每臺(tái)測(cè)試箱體中包含12塊控制板與測(cè)試板，控制板固定在測(cè)試箱體內(nèi)，測(cè)試板放置于滑槽上，通過(guò)連接器與控制板對(duì)接，每塊測(cè)試板上包含96個(gè)測(cè)試單元，單套老化測(cè)試系統(tǒng)的OCXO測(cè)試量達(dá)3456只。

2.2 系統(tǒng)功能

OCXO老化測(cè)試系統(tǒng)包含供電電壓設(shè)置與測(cè)量、過(guò)壓斷電保護(hù)、頻率測(cè)量、結(jié)果分析與處理、溫度測(cè)量、開(kāi)機(jī)特性等功能。

（1）供電電壓設(shè)置與測(cè)量：本文提出的測(cè)試系統(tǒng)具有設(shè)置與測(cè)量OCXO供電電壓功能，供電電壓設(shè)置范圍3～16V，設(shè)置精度達(dá)1mV，供電電壓測(cè)量范圍0～16V，測(cè)量精度0.8mV。電壓測(cè)量包括空載電壓與帶載電壓，測(cè)量空載電壓是確保在待測(cè)OCXO上電之前排除電源供電問(wèn)題，從而保障待測(cè)OCXO品質(zhì)。

（2）過(guò)壓斷電保護(hù)：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供電設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間保持較大功率工作，在OCXO大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，每套供電設(shè)備同時(shí)為上千只OCXO供電，供電設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致大批OCXO測(cè)試異常，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。本文提出的測(cè)試系統(tǒng)具有過(guò)壓瞬時(shí)斷電保護(hù)功能，計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)向MCU發(fā)送指令設(shè)置供電上限電壓，在OCXO供電電壓達(dá)到上限電壓時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)立即切斷供電通路，斷電時(shí)間處于微秒級(jí)。

（3）頻率測(cè)量：操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置測(cè)量時(shí)間與測(cè)量位置號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)在設(shè)置的時(shí)間向MCU發(fā)送指令將對(duì)應(yīng)位置號(hào)OCXO的輸出頻率通路導(dǎo)通至頻率計(jì)數(shù)器，頻率計(jì)數(shù)器將測(cè)量結(jié)果傳至PC，計(jì)算機(jī)軟件將測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)并上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）結(jié)果分析與處理：當(dāng)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)達(dá)到一個(gè)老化周期后，計(jì)算機(jī)軟件會(huì)停止頻率測(cè)試并整合老化周期內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算OCXO老化率，將合格品與不合格品的位置號(hào)顯示在軟件界面，提示操作人員進(jìn)行挑選分類(lèi)工作。

（5）溫度測(cè)量： 較高的環(huán)境溫度利于OCXO保持恒溫槽溫度從而達(dá)到減少系統(tǒng)供電功耗的作用，但是當(dāng)環(huán)境溫度高于恒溫槽設(shè)計(jì)溫度后，會(huì)影響OCXO正常工作狀態(tài)，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件向MCU發(fā)送指令，MCU將溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果回傳至PC，對(duì)測(cè)試環(huán)境溫度進(jìn)行持續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)。

（6）開(kāi)機(jī)特性：OCXO的恒溫槽設(shè)計(jì)方案決定了其需要一定的上電穩(wěn)定時(shí)間，上電穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)，恒溫槽溫度趨于穩(wěn)定，同時(shí)OCXO輸出頻率也會(huì)趨于標(biāo)稱(chēng)頻率，通過(guò)對(duì)上電后指定時(shí)間OCXO輸出頻率的測(cè)量能夠計(jì)算出其開(kāi)機(jī)特性指標(biāo)，操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置開(kāi)機(jī)特性測(cè)量時(shí)間與測(cè)量位置號(hào)，計(jì)算機(jī)軟件向MCU發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對(duì)OCXO指定上電時(shí)間后的頻率進(jìn)行測(cè)量。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

老化測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為VS2010，編程語(yǔ)言為VB.NET，軟件系統(tǒng)由顯示窗口、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等部分組成。

（1）顯示窗口包含測(cè)試通道復(fù)選框、測(cè)試日期與時(shí)序設(shè)置框、串口通信設(shè)置框、頻率計(jì)數(shù)器設(shè)置框、測(cè)試控制設(shè)置框、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示框、循環(huán)測(cè)試設(shè)置框、設(shè)計(jì)員調(diào)試控制框與掃碼配置框，老化測(cè)試系統(tǒng)軟件界面見(jiàn)圖2。顯示界面為生產(chǎn)操作人員提供豐富的生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置框體，生產(chǎn)操作人員可根據(jù)不同產(chǎn)品型號(hào)、不同測(cè)試數(shù)量、不同測(cè)試需求自由定制整個(gè)測(cè)試過(guò)程，同時(shí)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)維護(hù)人員提供系統(tǒng)調(diào)試控制窗口，系統(tǒng)調(diào)試控制窗口需輸入后臺(tái)密碼方可進(jìn)入。

圖2 老化測(cè)試系統(tǒng)軟件界面

（2）通信模塊包含RS232通信模塊、TCP/IP通信模塊、USB通信模塊，負(fù)責(zé)與外部設(shè)備之間的互聯(lián)通信。其中，RS232通信模塊負(fù)責(zé)向硬件系統(tǒng)發(fā)送指令與接收硬件系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)，支持多接口、多線程同步通信，同時(shí)具有通信校驗(yàn)功能，最大程度上保證測(cè)試系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行；TCP/IP通信模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器交互，測(cè)試完成后將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳輸至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)；USB通信模塊連通軟件系統(tǒng)與頻率計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)閘門(mén)、輸入阻抗、耦合方式的設(shè)置，同時(shí)接收頻率計(jì)數(shù)器返回的頻率結(jié)果。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析涉及存儲(chǔ)文件的生成、打開(kāi)，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)測(cè)試指標(biāo)結(jié)果。

（4）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，為大規(guī)模生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)提供容器，便于異地?cái)?shù)據(jù)傳輸交互與數(shù)據(jù)融合分析，為管控生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)信息的分析與研究達(dá)到提前排除生產(chǎn)隱患的效果。

測(cè)試時(shí)，操作人員首先勾選測(cè)試通道，隨后掃描待測(cè)OCXO上的二維碼至掃碼配置框，根據(jù)掃描的產(chǎn)品編號(hào)軟件系統(tǒng)自動(dòng)連接至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取OCXO型號(hào)，自動(dòng)配置電源電壓下拉框內(nèi)的電壓值，操作人員確定待測(cè)OCXO電壓無(wú)誤后點(diǎn)擊加電按鈕，軟件系統(tǒng)先測(cè)量一遍所有開(kāi)關(guān)電源的空載電壓，若空載電壓測(cè)量沒(méi)有問(wèn)題，為待測(cè)OCXO上電，上電穩(wěn)定3分鐘后自動(dòng)測(cè)量帶載電壓，若空載電壓測(cè)量有問(wèn)題則立即停止測(cè)試并提示操作人員。OCXO上電后，操作人員確認(rèn)串口通信設(shè)置框與頻率計(jì)數(shù)器設(shè)置框內(nèi)配置無(wú)誤，根據(jù)測(cè)試周期勾選測(cè)試時(shí)序，設(shè)置時(shí)序設(shè)置框內(nèi)的頻率采集時(shí)間后點(diǎn)擊時(shí)間重置按鈕。操作人員點(diǎn)擊新存文件按鈕或打開(kāi)文件按鈕，設(shè)置好存儲(chǔ)文件后點(diǎn)擊時(shí)序測(cè)試按鈕，開(kāi)始自動(dòng)測(cè)試。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、頻率計(jì)數(shù)器、原子頻標(biāo)、供電設(shè)備、測(cè)試箱體、測(cè)試板、控制板組成，其核心電路主要分為供電模塊、頻率選通模塊、RS232通信模塊、MCU控制模塊等。

計(jì)算機(jī)為軟件系統(tǒng)的運(yùn)行提供必要的操作系統(tǒng)與軟件運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)計(jì)算機(jī)具有RS232接口、LAN口與USB接口，為計(jì)算機(jī)軟件與其他硬件設(shè)備的通信提供硬件支持。頻率計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)OCXO輸出頻率的測(cè)量，通過(guò)USB通信將測(cè)試結(jié)果回傳至計(jì)算機(jī)。原子頻標(biāo)為頻率計(jì)數(shù)器提供標(biāo)準(zhǔn)頻率源。供電設(shè)備由若干臺(tái)開(kāi)關(guān)電源組成，為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制電路以及OCXO供電。測(cè)試箱體用于安裝開(kāi)關(guān)電源、測(cè)試板與控制板，同時(shí)密閉的測(cè)試環(huán)境有利于保持老化測(cè)試的環(huán)境溫度長(zhǎng)期穩(wěn)定并隔絕外部干擾。測(cè)試板用于裝載OCXO產(chǎn)品，通過(guò)連接器與控制板插裝對(duì)接，測(cè)試板上的各級(jí)集成電路受控于控制板實(shí)現(xiàn)不同位置號(hào)OCXO輸出頻率的切換?？刂瓢灏琈CU、RS232通信轉(zhuǎn)換電路、模擬開(kāi)關(guān)矩陣、過(guò)壓保護(hù)電路、ADC與DAC，MCU作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制核心負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)指令，根據(jù)指令與控制板和測(cè)試板上的各級(jí)集成電路通信，完成相應(yīng)的測(cè)試要求；RS232通信轉(zhuǎn)換電路將RS232通信電平轉(zhuǎn)換為UART通信電平，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與MCU之間的通信；模擬開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)控制板級(jí)頻率輸出的切換；ADC實(shí)現(xiàn)OCXO供電電壓的測(cè)量，DAC用于調(diào)整開(kāi)關(guān)電源輸出電壓。

（1）供電模塊由程控開(kāi)關(guān)電源矩陣、DA電壓輸出電路、電壓比較電路、栓鎖電路組成，其中程控開(kāi)關(guān)電源矩陣由若干輸出電壓可程控的開(kāi)關(guān)電源組成，為整個(gè)硬件控制系統(tǒng)與待測(cè)OCXO供電，程控開(kāi)關(guān)電源具有電壓調(diào)節(jié)端子，可輸入0～2.5V范圍內(nèi)的模擬電壓調(diào)節(jié)其輸出電壓；DA通過(guò)I2C通信方式受控于MCU，為程控開(kāi)關(guān)電源電壓調(diào)節(jié)端子提供模擬調(diào)整量，同時(shí)為電壓比較電路提供上限電壓基準(zhǔn)；電壓比較電路與栓鎖電路共同作用，保護(hù)OCXO供電的穩(wěn)定與安全，當(dāng)程控開(kāi)關(guān)電源輸出電源高于上限電壓基準(zhǔn)時(shí)，電壓比較電路拉低大功率MOS柵極及時(shí)為OCXO斷電，斷電反應(yīng)時(shí)間處于微秒級(jí)，栓鎖電路鎖定保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)直至操作人員排除供電故障后重新復(fù)位上電。

（2）頻率選通模塊由若干輸出塊芯片、8路模擬開(kāi)關(guān)芯片與8位位移緩存輸出芯片組成，實(shí)現(xiàn)OCXO輸出信號(hào)通路的分選切換，將待測(cè)信號(hào)導(dǎo)通至頻率計(jì)數(shù)器。其中位移緩存輸出芯片控制每個(gè)測(cè)試單元的輸出塊的使能，保證測(cè)試頻率時(shí)僅有待測(cè)單元的OCXO信號(hào)能夠輸出，防止傳輸過(guò)程中測(cè)試單元間信號(hào)互相干擾，保證測(cè)試的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性；模擬開(kāi)關(guān)芯片為OCXO輸出信號(hào)提供傳輸通路，將待測(cè)測(cè)試單元的輸出信號(hào)分選至頻率計(jì)數(shù)器。

（3）RS232通信模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)RS232通信電平與USART通信電平的相互轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)RS232通信信號(hào)通過(guò)串口通信線連接至DB9接頭，傳輸至通信收發(fā)器芯片，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后傳輸至MCU，MCU向計(jì)算機(jī)發(fā)送信息時(shí)則通過(guò)收發(fā)器芯片、DB9接頭與通信串口線傳輸至計(jì)算機(jī)。

（4）MCU控制模塊由MCU、電源管理芯片以及外圍相關(guān)芯片組成，MCU負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)指令，按照通信指令與下級(jí)芯片通信或直接控制下級(jí)芯片完成上位機(jī)指令要求，通過(guò)內(nèi)置的AD與溫度傳感器完成電壓測(cè)量與測(cè)試環(huán)境溫度測(cè)量。電壓監(jiān)管芯片保證MCU供電穩(wěn)定，當(dāng)?shù)陀谙孪揠妷簳r(shí)復(fù)位MCU，保證MCU的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的OCXO老化測(cè)試系統(tǒng)在大幅提升生產(chǎn)測(cè)試效率的同時(shí)降低了操作人員的工作強(qiáng)度，測(cè)試系統(tǒng)上線以來(lái)生產(chǎn)測(cè)試OCXO達(dá)百萬(wàn)級(jí)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。