MCXO實時在線自動調試測量系統的設計與實現

陳小林　歐崢偉　鐘亮　王祝盈　謝中

摘要：設計了一套應用于微機補償晶體振蕩器（MCXO）的自動調試測量系統.該系統集成了S&A4220高低溫控制箱、高分辨率頻率計、PC計算機、以及基于C8051F061單片機的控制器，能夠同時調試測量8臺MCXO.PC機的控制軟件由LabVIEW編程實現，可對MCXO主要技術指標進行自動測量.運用該系統開發的MCXO，在-40～+85 ℃的寬溫度范圍內，頻率溫度穩定度達到±7×10-8.

關鍵詞：微機補償晶體振蕩器（MCXO）；自動測量；頻率溫度穩定度；LabVIEW

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

隨著現代科技的發展，穩定的頻率源是電子系統關鍵器件之一.而微機補償晶體振蕩器由于其高精度、功耗低、開機即可工作等特點，得到了研究者的高度關注[1].現在，國外高水平微機補償晶體振蕩器頻率溫度穩定度己能達到2×10-8（-40～85 ℃）[2].如此高精度MCXO開發，離不開全自動實時在線調試測量系統的實現.實時在線自動測量可以提高溫度測量精度、溫度點補償密度以及補償電壓插值精度，最大限度地降低MCXO由于多種因素造成的系統誤差[3]；同時更加適應MCXO規模化生產的要求.基于這樣的背景，本文提出MCXO的實時在線自動調試測量系統的設計和實現，是有積極意義的.

1系統構建

系統主要包括以下幾個部分：計算機，S&A4220高低溫控制箱，HD2000多通道高分辨率頻率計，主控板，被測晶振，系統控制軟件.圖1為系統框架結構圖.測量系統分為3層，頂層為PC機，中間層為主控單片機，底層為基于C8051F061的被測MCXO，其中綠色框和藍色框內的部件置于S&A4220高低溫控制箱內.這樣的三層結構能夠減少數字信號以及環境因素對測量精度的影響，減少系統連線，也使得系統趨于模塊化，提高軟件運行效率及編程效率，提高其可重復性.測量系統用S&A4220高低溫控制箱實現-40～85 ℃的環境溫度，HD2000頻率計測量輸出頻率.整個系統為閉環控制系統，輸出頻率與標稱頻率之間的差值作為反饋傳送給主控單片機，由主控單片機將此反饋信息傳送給指定MCXO，以改變被測晶振的壓控值，使系統的輸出頻率達到期望的穩定范圍[4].圖2為系統處于測試狀態的照片，右下是S&A4220高低溫控制箱.

為了實現同時對多臺MCXO的自動測量，本系統設計了一塊主控電路板，其核心器件為C8051F060單片機，通過UART接受PC機指令，控制各個MCXO參數測量及測量順序，并向PC機返回標志值.通信指令以字符形式發送，包括5個字節，依次為操作內容、晶振地址、操作數據、操作數據、驗證碼.當出現不能識別的指令、總線傳輸錯誤、非識別操作碼、傳輸超時、返回值不能識別等錯誤時，單片機將返回相應錯誤代碼.當接收到有效指令后，主控單片機分解指令，經SMbus并通過3-8譯碼器74LS138向相應的晶振發送指令；并通過多路開關54LS151A選取對應MCXO連接到頻率計測量當前頻率.

2 軟件實現

系統程序包括三部份：MCXO程序、主控單片機程序和PC機程序.各個程序之間有通信協議，PC機通過發送指令控制系統完成相關的操作，從而實現對MCXO的自動測量.PC機程序用LabVIEW編寫，包括控制外圍設備模塊，測量UcT曲線模塊，老化微調以及頻率微調模塊.它通過3個串口分別控制主控單片機、高低溫測試箱和高精密頻率計；主控單片機上的程序為一個C語言程序.它主要功能是接收、執行PC機的命令并返回相應的值.MCXO程序為一個匯編語言程序.它主要包括兩大部分：工作部分和調試部分.采用匯編語言主要是為了提高定時精確度[5].程序之間的關系如圖3所示.

2.1控制外圍設備模塊

系統中的外圍設備S&A4220高低溫控制箱和HD2000多通道高分辨率頻率計都自帶有RS232串口、主控板的設計也配有RS232的接口，很方便通過NIVISA來實現對儀器的讀寫功能.NIVISA為一個可調用函數庫，通過調用底層的驅動程序來控制儀器，可實現計算機與儀器之間的I/O控制[6].圖4為NIVISA控制溫箱的流程圖.在控制界面上設有溫度設定、到達指定溫度時間、當前溫度等按鍵來操作溫箱.

主控單片機與PC機通信頻率為2 400 Hz，8位有效位、1位停止位、無效驗位.通信指令以字符形式發送，包括5個字節，分別是操作內容、晶振地址、操作數據以及驗證碼.系統同時對可能出現的傳輸錯誤定義了特定的錯誤代碼以及相應的自動處理措施；溫箱的RS232通信協議為：波特率9600，無極性，8位有效位，1位停止位.

2.2測量UcT曲線模塊

測量UcT曲線是測試系統調試MCXO的主要任務之一.其工作過程如下：系統首先向溫箱發出指令，當溫度穩定在指定溫度時，測量每個MCXO的頻率值.測量結果與設置在PC機內部的MCXO 頻率標稱值相比較，其差值作為反饋，使PC機發送改變補償電壓值指令.如此循環，直到輸出頻率滿足設計精度，再保存此時的補償電壓值[7]，即Uc.

在同一溫度下，依次對每個MCXO完成上述過程，并作相應的記錄.然后控制溫箱到下一個溫度點，重復上述測量過程，直到所有設定溫度點全部測量完成[8].圖5所示為自動測量系統的工作流程圖.圖6所示為系統PC機的人機交互畫面.

4結束語

介紹的MCXO自動測量系統操作便捷，人機交互界面良好.從系統實時測量過程來看，系統運行穩定，PC機、主控板、MCXO之間的通信有效，高低溫箱與頻率計工作正常，實現了MCXO的自動測量，運用該系統調試制作的MCXO頻率30 MHz，在-40～+85 ℃的寬溫度范圍內，頻率溫度穩定度達到±7×10-8，符合設計要求.下一步工作是擴充系統規模，增加測試設備，提高測試精度和效率，使系統滿足工業化生產需要.

參考文獻

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