温补晶振补偿电压自动测试系统

王利平 杨三波
　
温度补偿石英晶体振荡器(TCXO)由于具有较高的频率稳定度，作为一种高精度频率源被广泛地应用于通讯系统、雷达导航系统、精密测控系统等。温补晶振由石英晶体振荡电路和温度补偿网络两部分组成。其中，温度补偿网络的优化设计对于改善温补晶体振荡器的温频特性，提高振荡器的频率精度具有重要意义。
　　
1 温补晶振温度补偿原理
温补晶振由石英晶体振荡电路和温度补偿网络两部分组成。典型的温补晶振原理示意图如图1所示。

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振荡器的频率温度特性主要由晶体谐振器的频率温度特性决定。常用的AT切晶体谐振器的频率温度特性为三次曲线，温补晶振温度补偿的原理就是通过改变振荡回路中的负载电容，使其随温度变化来补偿谐振器由于环境温度变化所产生的频率漂移。
　　
图1中变容二极管D两端所加电压(即补偿电压)由温补网络输出，温补网络随温度自动调节输出电压，变容二极管容量随之改变，以抵消谐振器频率随温度的变化，可使输出频率基本不变。
　　
从以上原理分析可得温补晶振补偿过程如下：
(1)测试出补偿电压一温度曲线(V-T曲线),
(2)根据V-T曲线数据，计算热敏网络中各电阻的阻值,
(3)装配温补网络，测试成品振荡器f-T曲线，评价论证补偿效果。
　　
可以看出，获得准确的V-T曲线参数是温补晶振设计生产中的关键环节，直接关系到振荡器频率精度的高低，关系着成品温补晶振品质的优劣。
　　
2 系统硬件组成及测试过程
温补网络补偿电压的测量多为人工手动完成。用小功率直流电压源代替温补网络，改变温度到目标点并保温，然后调节电压源输出，使振荡器输出达到中心频率，此时电压源输出即为该温度点的补偿电压,在各测试温度点重复以上操作，得到一组数据，即V-T曲线数据。这种手动测量方法效率低下，人力成本较高，而且手工记录测试数据，容易产生误差，难以实现精确快速的优质生产。
　　
本文设计提出一种温补网络补偿电压的自动测试方法，对该过程实现了自动控制与测量。
　　
2.1 系统硬件组成
温补网络补偿电压自动测试系统以计算机为控制核心，结合应用软件，实现了补偿电压测试过程的自动化测试。系统可以完成设备自动控制，仪器的自动测试，数据存储以及数据分析等功能，大大提高了测试速度，节省了工作时间，还可以提高测试准确度，比传统的人工手动测试具有明显的优越性。
　　
本系统以计算机为控制中心，包括高低温箱、程控电源、数字频率计和数字万用表等设备。系统结构示意图如图2所示。

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(1)高低温箱S&A4220MR
支持GPIB接口程控，满足-50～+80℃测试要求，箱内的测量圈设有50个工位，每个工位通过5根导线连接一个待测补偿电压的半成品活件，分别接活件的GND，VCC，VDD，OUT和E+，高低温箱与外部仪表连接如图3所示。

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(2)程控电源Agilent3631A
支持GPIB接口程控，满足独立双路供电，其中0～6 V为E+供电，其分辨率可达2 mV以内,0～25 V为TCXO系统提供工作电压。
(3)数字频率计EE3386A1
支持串口程控，用于获取TCXO输出频率。
(4)FLUKE45万用表
支持串口程控，用于获取TCXO内部三端稳压器的输出电压VDD，为补偿网络分析计算辅助数据。

2.2 补偿电压自动测试过程
根据系统硬件组成与测试目的要求，补偿电压自动测试过程如下：

将未装配补偿网络的待测半成品活件装入高低温箱，连接好各仪器设备，打开电源，运行程序，进行参数设置(如工作电压为8 V，中心频率为19.2 MHz，测试温度范围为-40～+70℃，10℃步进),点击开始按钮，程序控制高低温箱自动回0号参考工位，开始降温至-40℃，保温30 min后，工位进1，根据1号位活件设置调节程控电源工作电压输出，获取振荡器频率，变化E+，使振荡器频率越来越接近中心频率，直到满足要求，记录此时程控电源的E+即为所测补偿电压结果，同时记录振荡器内为温补网络供电的稳压器输出电压VDD,然后高低温箱轮位进1，移向2号位测量，直到所有工位测试完毕,开始升温10℃至-30℃，保温20 min，测试记录数据，完成所有工位测试,继续升温，保温、测量，直至全部温度点测试完毕，一个测试过程完成。

3 软件组成
应用软件采用VB 6.0编写，后台数据库采用Microsoft Access数据库。运行软件，可以对程控仪器设备进行操作和控制，实现测试过程的自动控制、数据自动测试以及自动记录，为温补晶振补偿网络参数计算过程提供准确可靠的输入数据。

应用软件主要分为3个模块：活件参数管理模块，自动测试模块以及数据处理与存储模块。

3.1 活件参数管理模块
活件参数管理模块是系统控制软件的最上层，它直接面向用户，提供系统数据信息：用户在测试前需要设置相关参数，如设备信息录入，产品编号设置，高低温箱轮位、温度及步进参数等,自动测试过程中显示系统当前工作状态，如当前轮位、当前温度、E+、VDD等实时数据，也可显示其他历史数据,同时提供对用户的误操作进行处理、提示及相应的帮助系统。
　　
3.2 自动测试模块
自动测试模块是系统功能的具体实施部分，能够对程控仪器的工作状态进行控制检测。
　　
自动测试模块通过调用动态链接库函数VISA32.DLL来控制系统所用的GPIB设备或仪器，用VB自带MSCOMM32.OCX控件对系统中的串口程控仪器进行控制。该测试模块是系统软件中较关键也较复杂的部分，需要充分了解仪器功能及程控指令系统，并根据控制过程安排程序指令顺序。
　　
下面就系统中程控设备的设置控制语句做关键性说明。

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3.3 数据处理与存储模块
数据存储模块是测试系统的重要组成部分，它由活件信息表，仪器设备信息表及测试数据表等组成，主要完成系统各仪器的基本信息、测试过程及测试数据的管理工作。在系统工作界面中通过相关控件可浏览、调用、修改及编辑相关数据。
　　
3.4 系统软件流程图
根据系统硬件组成与测试过程要求，软件流程图如图4所示。

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4 结语
本系统以计算机为控制中心，结合应用软件，实现了温补晶振补偿网络补偿电压的自动测试，系统中仪器设备的功能量程设置、数据的获取记录等均由计算机来完成，使数据更加准确、可靠，并且大大缩短了测试时间，提高了工作效率和产品质量。本系统投入使用后，经过实践和进一步改善，系统中各设备仪器工作正常有序，稳定可靠，满足了用户的需求。