基于LabView的晶體振蕩器測試系統(tǒng)

秦魯東，吳加明，楊曉宏，李光燦

（1.貴州大學(xué) 電子信息學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州航天計量測試技術(shù)研究所 貴州 貴陽 550025）

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”[1]。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，在各項指標(biāo)都滿足后開始從頻率計中讀取數(shù)據(jù)并手工記錄。有時為了得到穩(wěn)定精確的數(shù)據(jù)，還要等待一段時間再讀數(shù)，可見操作步驟十分繁瑣，并且容易造成人為誤差[2-3]。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虛擬儀器平臺上開發(fā)的晶體振蕩器測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動協(xié)調(diào)測量儀器，自動數(shù)據(jù)采集并處理，自動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、上升時間和下降時間，可以觀測輸出波形并計算頻率精度。它還可以自動記錄數(shù)據(jù)，具有友好的人機(jī)操作界面。

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

圖1 系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 System implementation work flow chart

2 設(shè)計方案

該設(shè)計由兩部分組成，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、頻率計構(gòu)成，軟件部分則為在LabView平臺上開發(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)利用計算機(jī)通過GPIB標(biāo)準(zhǔn)串行接口連接Agilent 6054A示波器、Agilent 3031A穩(wěn)壓電源和 Pendulum CNT90頻率計，控制每個設(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。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖Fig.2 Connection diagram of the system hardware

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號引腳為空引腳，作為參考點，2號引腳為接地引腳，3號引腳為輸出引腳，連接示波器和頻率計，4號引腳為供電引腳，接穩(wěn)壓電源。

圖3 夾具引腳示意圖Fig.3 Fixture pin schematic

2.2 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件部分主要基于NI公司的LabView平臺開發(fā)的，LabView是通過圖形編譯（Graphics，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直觀的編程環(huán)境。它可以充分發(fā)揮計算機(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[4-5]。

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)備以及其它基于計算機(jī)設(shè)備之間通信的函數(shù)庫[6]。在本次設(shè)計中，所選用的三種型號的儀器在LabView中的Instrument Drivers選項卡中都可以安裝已經(jīng)開發(fā)好的驅(qū)動模塊，這樣就簡化了驅(qū)動開發(fā)的過程。

2.2.1 圖形功能界面設(shè)計

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

圖4 圖形操作界面Fig.4 Graphical user interface

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)存儲提供存儲位置。

3）波形示意圖，可讀取示波器信號，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、上升時間和下降時間。可擴(kuò)展其他數(shù)據(jù)結(jié)果。

5）控制部分，該部分包含兩個按鈕，“測試”和“重測”，還有一個超范圍指示燈，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，會橫向顯示每個晶振的五種測試數(shù)據(jù)，在第一列會為每次測量的晶振自動編號，重測不計入其中，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)計中，分別為DC穩(wěn)壓電源、示波器、頻率計設(shè)計了3個控制模塊的子VI，用來單獨調(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)動中已經(jīng)集成了驅(qū)動和設(shè)置的模塊，例如 “HPE363Xa Initialize.vi”，“HPE363Xa close.vi”，“HPE3631a 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。

圖5 穩(wěn)壓電源控制模塊程序Fig.5 Power supply control module program

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”、“上升時間”和“下降時間”4種參數(shù)并讀取示波器的波形。在這里也設(shè)置了超時參數(shù)，如果5秒內(nèi)沒有控制信號傳輸進(jìn)來，程序?qū)⒂捎诔瑫r自動終止。

圖6 示波器控制模塊程序Fig.6 Oscilloscope control module program

2.2.4 頻率計控制模塊

頻率計控制部分的程序設(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)置儀器測量時的各種參數(shù)，在測試類型一項應(yīng)該選擇“頻率（Frequency）”，該模塊也可修改采樣時間等參數(shù)。該部分的主要功能是控制頻率計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秒超時功能。

圖7 頻率計控制模塊程序Fig.7 Frequency meter control module program

由于系統(tǒng)在為晶體振蕩器加電時，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1秒讀數(shù)的設(shè)計，使系統(tǒng)在晶體振蕩器穩(wěn)定工作后，才開始讀數(shù)。延時部分程序如圖8所示。

圖8 頻率計延時程序Fig.8 Frequency meter delay program

3 實際測試與數(shù)據(jù)分析

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

1）速度快

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

2）精度高

人工測試時，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)時晶體振蕩器的各項數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)生變化，這就使得各項測試結(jié)果不匹配，導(dǎo)致計算時產(chǎn)生誤差。而該系統(tǒng)由于使用計算機(jī)控制，各個設(shè)備協(xié)調(diào)工作，處理速度非常快，讀數(shù)準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)上述情況，這就大大提升了測試的精度。此外該系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)精確度非常高，讀數(shù)精確到小數(shù)點后六位，實際測試中，例如計算頻率精度，計算公式為：

計算結(jié)果的單位為ppm，由公式可知，該計算結(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，通常計算結(jié)果為20 ppm以上，計算準(zhǔn)確性非常低，而該系統(tǒng)計算結(jié)果全部在要求范圍內(nèi)。測試結(jié)果如表1所示。

表1 頻率精度測試結(jié)果Tab.1 Test results of frequency accuracy

3）可靠性強(qiáng)

為了檢驗可靠性，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，實驗結(jié)果表明，每次試驗結(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個已檢驗合格的晶體振蕩器，并保持系統(tǒng)持續(xù)工作5小時，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，可以滿足正常的測量需求，達(dá)到了自動化測試的目的。該系統(tǒng)也具備一定的擴(kuò)展性，例如可以連接多個測試通道，讓系統(tǒng)自動切換通道進(jìn)行測試等。本文對其他自動化測試系統(tǒng)的開發(fā)也具有一定參考價值。

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