MCXO實時在線自動調(diào)試測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)＊

陳小林，歐崢偉，鐘 亮，王祝盈，謝 中

（湖南大學 物理與微電子科學學院，湖南 長沙 410082）

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，穩(wěn)定的頻率源是電子系統(tǒng)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(xiàn)在，國外高水平微機補償晶體振蕩器頻率溫度穩(wěn)定度己能達到2×10－8（－40～85℃）［2］.如此高精度MCXO開發(fā)，離不開全自動實時在線調(diào)試測量系統(tǒng)的實現(xiàn).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(tǒng)誤差［3］；同時更加適應MCXO規(guī)模化生產(chǎn)的要求.基于這樣的背景，本文提出MCXO的實時在線自動調(diào)試測量系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，是有積極意義的.

1 系統(tǒng)構建

系統(tǒng)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(tǒng)控制軟件.圖1為系統(tǒng)框架結構圖.測量系統(tǒng)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(nèi)的部件置于S＆A4220高低溫控制箱內(nèi).這樣的三層結構能夠減少數(shù)字信號以及環(huán)境因素對測量精度的影響，減少系統(tǒng)連線，也使得系統(tǒng)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(tǒng)用S＆A4220高低溫控制箱實現(xiàn)－40～85℃的環(huán)境溫度，HD2000頻率計測量輸出頻率.整個系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，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(tǒng)的輸出頻率達到期望的穩(wěn)定范圍［4］.圖2為系統(tǒng)處于測試狀態(tài)的照片，右下是S＆A4220高低溫控制箱.

為了實現(xiàn)同時對多臺MCXO的自動測量，本系統(tǒng)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(shù)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(fā)送，包括5個字節(jié)，依次為操作內(nèi)容、晶振地址、操作數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、驗證碼.當出現(xiàn)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(jīng)SMbus并通過3－8譯碼器74LS138向相應的晶振發(fā)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(xiàn)

系統(tǒng)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(xié)議，PC機通過發(fā)送指令控制系統(tǒng)完成相關的操作，從而實現(xiàn)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Uc－T 曲線模塊，老化微調(diào)以及頻率微調(diào)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(zhí)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(diào)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.

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System framework

圖2 測試系統(tǒng)Fig.2 Test system

圖3 程序框架圖Fig.3 Software framework

2.1 控制外圍設備模塊

系統(tǒng)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NI－VISA來實現(xiàn)對儀器的讀寫功能.NI－VISA為一個可調(diào)用函數(shù)庫，通過調(diào)用底層的驅動程序來控制儀器，可實現(xiàn)計算機與儀器之間的I／O控制［6］.圖4為 NI－VISA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.

圖4 NI－VISA控制儀器圖Fig.4 NI－VISA instrument control

主控單片機與PC機通信頻率為2 400Hz，8位有效位、1位停止位、無效驗位.通信指令以字符形式發(fā)送，包括5個字節(jié)，分別是操作內(nèi)容、晶振地址、操作數(shù)據(jù)以及驗證碼.系統(tǒng)同時對可能出現(xiàn)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(xié)議為：波特率9600，無極性，8位有效位，1位停止位.

2.2 測量Uc－T曲線模塊

測量Uc－T 曲線是測試系統(tǒng)調(diào)試 MCXO的主要任務之一.其工作過程如下：系統(tǒng)首先向溫箱發(fā)出指令，當溫度穩(wěn)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(nèi)部的MCXO頻率標稱值相比較，其差值作為反饋，使PC機發(fā)送改變補償電壓值指令.如此循環(huán)，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(tǒng)的工作流程圖.圖6所示為系統(tǒng)PC機的人機交互畫面.

3 結果分析

圖5 自動測量系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 Work flow chart of automatic measuring system

圖6 測試系統(tǒng)主控制界面Fig.6 HMI of test system

本文設計的MCXO采用30MHz AT切石英諧振器，自動調(diào)試測量系統(tǒng)測量的Uc－T 數(shù)據(jù)寫入MCXO的flash存儲器中.MCXO在工作狀態(tài)下調(diào)取這些Uc－T數(shù)據(jù)進行實時在線溫度補償，提高頻率溫度穩(wěn)定性.本文測量了一批基于C8051F061的MCXO，圖7為其中一只MCXO樣品測試結果.黑色曲線為未經(jīng)補償?shù)念l率－溫度曲線，紅色曲線為補償后的頻率－溫度曲線.由頻率溫度穩(wěn)定度計算公式Δf／f0＝±（fmax－fmin）／2f0，圖7所示樣品在工作范圍內(nèi)的最大輸出頻率fmax和最小輸出頻率fmin分別為30 000 002.86Hz，30 000 000.36Hz，其頻率溫度穩(wěn)定度（－40～＋85℃）為±4.1×10－8，優(yōu)于±7×10－8，滿足系統(tǒng)設計精度要求.

圖7 樣品測試結果Fig.7 Sample test results

4 結束語

介紹的MCXO自動測量系統(tǒng)操作便捷，人機交互界面良好.從系統(tǒng)實時測量過程來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)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(xiàn)了MCXO的自動測量，運用該系統(tǒng)調(diào)試制作的 MCXO頻率30MHz，在－40～＋85℃的寬溫度范圍內(nèi)，頻率溫度穩(wěn)定度達到±7×10－8，符合設計要求.下一步工作是擴充系統(tǒng)規(guī)模，增加測試設備，提高測試精度和效率，使系統(tǒng)滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要.

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