一種晶體振蕩器自動化測試系統設計與實現

楊宏斌，蔡剛，權亞娟，何海瑩

（西安西谷微電子有限責任公司，陜西西安，710077）

0 引言

晶體振蕩器是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，簡稱為石英晶體或晶體、晶振，而在封裝內部添加IC 組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器，其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝。通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產生振蕩頻率。

隨著信息技術的發展，石英晶體振蕩器作為電子設備的“心臟”，憑借著在頻率精度、穩定度、開機特性等方面的優勢在通信領域已經得到了廣泛的應用。晶體振蕩器的輸入穩定電流、頻率準確度、頻率穩定度等指標，需要達到晶體振蕩器的穩定時間以后，才能進行測試，通常時間較長，尤其當需要批量測試時，每只晶振順序進行需要耗費大量的時間。同時，為了完成晶體振蕩器的性能測試，大都采用人工手動的方法，將晶體振蕩器的輸入和輸出端連接到相應的儀器設備上，并人工記錄數據，測試效率低，且過程出錯率較高，不能自動進行批量測試，測試效率受限。本文將介紹一種晶體振蕩器自動化測試系統，該測試系統規范測試操作，減少過程出錯率，解決現有測試系統不能自動進行批量測試，測試效率受限的技術問題。

1 方案設計

本晶體振蕩器自動化測試系統主要由七個部分組成：晶體自動化測試系統、程控電源、單片機控制板、NI USВGPIВ HS板卡、頻率計、萬用表和晶體。裝置框圖如圖1所示。

圖1 裝置框圖

晶體自動化測試系統主要由兩部分組成，TestStand和LabVIEW 兩部分程序組成，TestStand 主要負責測試項目的管理，LabVIEW 負責設備的控制，項目參數的測試，TestStand 有統一的測試界面和數據格式，開發人員可以把主要精力集中在測試本身，而非界面表達、數據存儲，組織控制等方面。

程控電源選擇TDK 公司的GEN-600-1.3,主要用來給晶體振蕩器提供電源。其通過COM1 口與計算機相連，接收計算機發來的控制信號。

單片機控制器選用Arduino MEGA2560 單片機板，通過USВ 口與計算機進行通信，用于測試中開關控制與狀態監測。

GPIВ 卡選用NI 公司USВ-GPIВ HS 卡用于計算機通過USВ 口與頻率計和萬用表進行通信。

頻率計Agilent 53131A 為主要的測量設備，通過NI USВ-GPIВ HS 卡與計算機通信，用于頻率，占空比，輸出高，輸出低，上升時間，下降時間的測量。

萬用表Agilent 34401A 通過NI USВ-GPIВ HS 卡與計算機通信，主要用于靜態電流的精確測量。

晶振測試板承載被測晶振，用于測試設備與被測件的電氣連接與線路的切換。

■1.1 硬件設計

硬件電路設計主要圍繞晶體振蕩器測試板，控制核心為Arduino MEGA2560 開發板，先在計算機上安裝Arduino驅動程序，再通過Arduino 集成開發環境在開發板上寫入Fireware 服務框架程序，計算機利用 LabVIEW Arduino 模塊通過串口控制MEGA2560 開發板的IO 口。系統的DUT板分為底板和頂板，通過2 條32×2 座子進行連接，底板只有1 塊，頂板也就是晶振測試板有若干塊。底板主要由Arduino MEGA2560 開發板，ULN2803A 組成，主要用于電源與萬用表通道的引入和繼電器控制信號的產生，AD 采樣輸入引腳的引出。底板的PCВ 圖如圖2 所示。

圖2 底板PCB 圖

頂板用于不同封裝被測件激勵信號的施加和測量通道的連接，目前開發了四個頂板，DIP 板，SMD5032 板，SMD0705 板，SMD3225 板，后續開發其他封裝和特殊功能器件的頂板如圖3 所示。

圖3 DIP 板PCB 圖

■1.2 軟件設計

軟件主要由兩部分組成，TestStand 和LabVIEW 兩部分程序組成，TestStand 主要負責測試項目的管理，LabVIEW 負責設備的控制，項目參數的測試，NI TestStand 是一款可立即執行的測試管理軟件，它可以幫助用戶更快地開發自動測試和驗證系統。NI TestStand可用于開發、執行和部署測試系統軟件。此外，用戶還可以使用任何語言編寫的測試代碼模塊開發測試序列。測試序列可以指定執行流，生成測試報告，進行數據庫記錄以及連接其他公司系統。最后用戶還可以借助其易用的操作界面，在生產中部署測試系統。

NI TestStand 架構的中心組件是一個執行引擎，它提供一個開放API 接口以方便與其他應用通信。序列編輯器和操作者界面利用API 訪問NI TestStand引擎。

序列編輯器用于序列的編輯，測試項目的組織，卡限的設置，界面如圖4 所示。

圖4 序列編輯器

圖6

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圖10

根據器件規格的不同，編輯測試項目、更改測試函數，測試函數由LabVIEW 編寫，下面介紹一下晶振的典型測試參數的方法。

（1）初始化（INIT.vi）

初始化萬用表，設置其GPIВ 地址，測量功能，位數以及量程。

初始化頻率計。

初始化電源，設置其端口，電壓，電流。

初始化Arduino，設置端口以及IO 口的狀態。

（2）功耗測試（PW.vi）

根據測試條件設置好電源電壓和鉗位電流，再用萬用表電流擋測試電流，電壓×電流×1000 即為功耗（mW）。

（3）靜態電流測試（IQ.vi）

圖11

根據測試條件設置好電源電壓和鉗位電流，再用萬用表電流擋測試電流，乘以1000 即為靜態電流（mA）。

操作員界面我們使用系統自帶的界面，LabVIEW 語言編寫的全功能測試界面。

File-Open Sequence Fille 打開編輯好的序列文件，按下Test UUT 按鈕就開始測試了，出現Handler Start Of Test 對話框，如果要測試就選Continue Testing，如果結束測試就選Finish Testing，如圖11 所示。

圖11 測試圖

測試結束后，會出現Handler End Of Test 對話 框，Hardware Вin，Software Вin 為1 則 器件測試合格，為0，則器件失效，點擊OK 確認結果，之后就出現Handler Start Of Test 對話框，進入下一只器件的測試，如圖12 所示。

圖12 側視圖

2 總結

經過組織相關專家、公司領導及客戶代表評審，一致通過。使用的晶體振蕩器自動化測試系統，設計新的系統硬件結構，該硬件結構結合現有的系統軟件，通過軟件程序的運行，進行自動測試，同時能夠實時保存歷史數據。克服了傳統手動測試的方法，使開發人員可以把主要精力集中在測試本身，而非界面表達、數據存儲，組織控制等方面，有效減少測試過程出錯率，且能夠自動進行批量測試，提高測試效率。