OCXO 生產測試供電系統設計

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定的時頻器件。OCXO 工作時會產生較大電流保持溫槽溫度恒定，所以OCXO 供電系統需要長時間保持較大功率工作，供電系統故障時有發生。在OCXO 大批量生產過程中，每套供電系統同時為上千只OCXO 供電，供電系統故障會導致大批OCXO 測試異常，嚴重影響生產效率，若電壓異常升高甚至會燒毀OCXO。如何在供電系統發生故障時及時地切斷供電電源，是OCXO 生產測試工作的重中之重。

本文所設計的OCXO 生產測試供電系統具有測量供電電壓、設定供電電壓、供電電壓異常斷電示警、設定示警電壓閾值以及軟/硬件復位等功能，目前該系統已應用于OCXO的生產測試工作中，應用至今安全可靠，保證大批量生產的順利進行。

2 系統結構功能設計

2.1 系統結構設計

OCXO 生產測試供電系統由計算機軟件系統和以微型控制單元為核心的硬件系統兩大部分構成，系統詳細結構框架見圖1。

圖1：供電系統結構框架圖

操作人員通過個人計算機（Personal Computer，簡稱PC）軟件界面查看并控制整個系統，PC 以串口通信方式向微型控制單元（Microcontroller Unit，簡稱MCU）發送指令，MCU 接收PC 指令后控制數模轉換模塊、電壓比較模塊與程控電源模塊實現相應功能。

2.2 系統功能設計

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

圖2：供電保護系統結構框架圖

圖3：DAC 內部結構

圖4：電阻串結構

圖5：電壓比較模塊結構圖

圖6：程控電源模塊結構圖

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

（3）示警電壓閾值設定：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：當程控開關電源輸出電壓值超出閾值范圍時，系統切斷OCXO 供電，MCU 向PC 發送異常程控開關電源編號，PC 接收信息并在軟件界面顯示異常程控開關電源編號，隨后測量異常程控開關電源輸出電壓，并將示警時間、異常程控開關電源編號與異常電壓值記錄在文件中，并鳴笛提示操作人員。

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

（6）沖擊測試：系統根據操作人員輸入的供電電壓、加斷電時間與沖擊次數，自動調節示警上限電壓與下限電壓與復位來實現OCXO 加斷電沖擊測試。

3 系統硬件設計

供電保護系統硬件設計包括MCU、數模轉換模塊、電壓比較模塊與程控電源模塊四部分組成，其系統結構框架見圖2。

其中，數模轉換器與模數轉換器構成數模轉換模塊，電壓比較電路、復位電路與栓鎖電路構成電壓比較模塊，程控開關電源與金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡 稱MOSFET）構成程控電源模塊。

3.1 微型計算單元

供電系統MCU 主要作用是接收PC 指令，根據指令控制數模轉換模塊、電壓比較模塊與程控電源模塊將PC 數字指令信號轉換為模擬信號。MCU 通過集成電路總線（Inter Integrated Circuit，簡稱IIC）與模數/數模轉換器通信來完成測量/設定程控開關電源的輸出電壓值，與數模轉換器通信為電壓比較電路設定示警電壓閾值，通過復位電路解鎖栓鎖電路。

3.2 數模轉換模塊

數模轉換模塊由數模轉換器與模數轉換器組成，其中數模轉換器采用16 位DAC，模數轉換器采用MCU 內部12 位ADC 模塊。

供電系統共需要三個數模轉換器分別用來設定程控開關電源輸出電壓值、示警電壓上限與示警電壓下限。

DAC 內部分為寄存器、電阻串與輸出放大器三部分（見圖3），寄存器用于設定DAC 輸出值與工作模式，DAC 根據寄存器中寫入的設定值選擇導通相應開關并經放大器輸出（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 寄存器的設定值。

MCU 內部12 位ADC 配備8 個可單獨配置的外部輸入通道，具有4 種轉換模式、16個轉換結果存儲寄存器以及可選內部正負基準等功能。供電系統采用單通道單次轉換模式，每16 次轉換取平均值作為轉換結果，內部正基準選擇MCU 供電電壓，負基準選擇地，根據VCC×A/(212-1)計算得出測量電壓值，其中VCC為MCU 供電電壓，A 為ADC 轉換結果平均值。

3.3 電壓比較模塊

雙比較器構成的電壓比較電路，NPN 型三極管與PNP 型三極管構成的栓鎖電路，NPN 型三極管與按鈕開關構成的復位電路共同組成電壓比較模塊，其詳細結構見圖5。

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

3.4 程控電源模塊

程控電源模塊由程控開關電源與大功率MOS 管組成（見圖6），MCU 根據PC 指令通過DAC 調節程控開關電源輸出電壓，通過ADC 測量程控開關電源電壓。當程控開關輸出電源電壓異常時，電壓比較模塊通過控制大功率MOS 管的截止切斷OCXO 供電。

4 系統軟件設計

4.1 PC軟件程序設計

OCXO 生產測試供電系統軟件使用VisualStudio2010 開發，編程語言采用C#，包含示警上、下限電壓設定、程控開關電源電壓設定、異常程控開關電源電壓編號顯示、測量顯示指定程控開關電源電壓并保存測試數據等功能，PC 軟件界面截圖見圖7。

4.2 MCU軟件程序設計

MCU 軟件程序設計使用IAR 開發，編程語言采用C 語言，流程圖見圖8。

5 結語

本文所提出的系統不僅為大批量OCXO生產測試提供穩定可靠的供電，還具有供電電壓異常斷電示警功能，保證了OCXO 測試的安全性與連續性；支持OCXO 供電電壓設定，擴展了生產測試兼容性；測量供電電壓并生成OCXO 供電測試記錄，有助于實時把控分析生產測試過程；OCXO 定時加斷電沖擊測試，可以驗證OCXO 可靠性。

目前OCXO 生產測試供電系統協同OCXO 老化測試系統、OCXO 溫度特性測試系統與OCXO 多功能測試系統，累計輔助生產測試OCXO 數百萬只，系統運行穩定可靠，保證了OCXO 大批量生產的順利進行。

圖7：PC 軟件界面

圖8：MCU 程序流程圖