晶振二次篩選過程中的電性能測試系統?

劉 雄 琚格格 劉 紅

1 引言

晶振作為一種高精度頻率源被廣泛地應用于通信系統、雷達導航系統、精密測控系統，其質量是整個產品乃至整個系統的基礎。一個小小的晶振失效將導致整機失效，可能造成重大損失，因此軍工產品所用到的晶振均要求進行100%二次篩選［1］。本單位為了提高通信產品的質量和可靠性，依據GJB7243-2011《軍用電子元器件篩選技術要求》，制訂了本單位適用的元器件二次篩選規范［2］。該規范中晶振的測試項目包括外觀檢查、常溫初測、溫度循環、常溫中測、功率老煉、低溫測試、高溫測試、常溫終測、外觀檢查等。

在上述晶振的篩選過程中需要多次對晶振的電性能關鍵指標進行測試，包括常溫初測、常溫中測、低溫測試、高溫測試、常溫終測等，其測試的關鍵電性能指標包括晶振的頻率值、頻率準確度、頻率穩定度、電壓幅值等，因此在有多部晶振需要篩選時會出現很多的困難和問題，具體包括多部晶振多次反復測試導致的測試任務量大；依據標準規范需要對晶振在特定的溫度環境下進行測試，因此為了保證測試時的環境溫度，必須快速高效完成對晶振的測試（從溫度箱拿出來后半個小時內測試完成）；晶振在高低溫測試時，需要根據環境試驗室統籌安排測試時間，這樣可能導致一些測試被安排在凌晨，而且必須要有人工值守；測試過程中會產生大量的測試記錄，測試完成后測試人員需要將測試數據導入計算機進行數據分析和計算導致測試后續數據處理工作繁瑣；人工測試易出現誤差大、測試不準確等問題。

針對以上問題，本文提出了一種晶振自動測試系統的實現方法，以計算機和下位機控制板為控制核心，通過多路選擇器切換信號通道［3］，控制是德公司（原安捷倫公司）最新頻率計儀表，實現晶振相關參數的測試。通過信號通道的自動切換測試保證了晶振測試的效率；通過主控板和晶振測試板的分離設計，可以將晶振測試板直接放入高低溫試驗箱中，由高低溫試驗箱來保障晶振測試時的環境溫度，使測試過程更符合規范要求；通過軟件系統的定時測試設計可以降低對人工值守的依賴性；測試完成后，通過調用Word應用程序對模版文件進行自動編輯處理［4］，大大降低了測試后期測試報告的處理工作。

2 系統工作原理

測試系統組成見下面圖1所示，具體包括PC機、頻率計、主控板和8塊測試板，其中每塊測試板布置64個工位，整個系統共布置512個工位，可一次性對512部晶振進行循環切換測試。

圖1 測試系統組成

測試系統的應用程序在PC機上采用LabView開發環境編寫［5］，其主要功能包括通過人機交互界面完成基本測試信息的輸入，發起整個測試過程，控制頻率計對頻率信號進行相關參數測試，測試完成后對測試數據進行分析計算，然后將測試數據和計算數據保存到Sql Server數據庫［6］，最后通過調用Word應用程序，對Word模版進行自動編輯，實現測試記錄和測試報告電子檔的自動生成。

主控板通過串口與PC機應用程序進行通信，其實現的功能是接收上位機傳輸的控制命令后，根據測試命令具體內容對測試板的片選信號、供電信號、頻率通道信號等信號進行切換，以保證測試板上晶振的供電準確，并能依次循環測試每部晶振的頻率特性。待片選信號、供電信號、頻率通道信號進行切換完成后，主控板會向上位機應用程序回送握手信號，通知應用程序可以調用頻率計驅動程序對頻率信號相關參數進行測試［7］。

晶振測試板與主板間通過插線槽進行連接，其主要功能為接收主控板發送的控制信號電平，依次切換選通64路頻率信號，將信號通過主板接口傳輸至頻率計輸入口。由于測試系統的最終測試都是由頻率計完成，而且本系統所選用的頻率計屬于市面上成熟儀器儀表，因此保證了整個測試系統的測試精度和測試準確度。

3 系統硬件設計

整個系統的硬件設計包括主控制板硬件設計和晶振測試板硬件設計［8］。主控制板硬件設計主要包括處理器、電源切換、3-8譯碼器、D/A轉換電路、多路選擇器（8選1）、系統供電、時鐘等。具體見圖2。

圖2 主控制板硬件電路框圖

如上圖所示，主控制板上處理器主要用于控制信號和信號通道的切換，屬于基本I/O口操作，而且未進行復雜算法計算，因此選擇相對簡單的stc89c51處理器，該處理器由宏晶公司生產且具有在線串口下載功能［9］，操作簡單方便。處理器與PC機采用串口通信，用于接收上位機的控制命令和回送握手信號；處理器通過兩路數字I/O輸出信號控制兩路電磁繼電器，從3.3V、5.0V、12V三路電源中選擇適合被測晶振供電的電源；處理器通過控制3-8譯碼器［10］，輸出8種不同的片選信號，分別選通8塊測試板；處理器通過八路數字I/O輸出信號控制一路8位D/A轉換芯片［11］，為壓控晶振提供準確的控制電壓；處理器通過3路數字I/O輸出信號控制一路多路選擇器，從8塊測試板中選擇一路頻率輸出信號，輸送到頻率計輸入口。

晶振測試板硬件設計主要包括一路三八譯碼器、9路多路選擇器（8選1）、64個晶振工位等。具體硬件框圖見下圖3所示。

圖3 晶振測試板硬件電路框圖

上圖中8路選擇器各切換8路晶振信號，三八譯碼器為這8路選擇器輸出片選信號，另外一路選擇器切換這8路選擇器的輸出信號，一塊測試板可循環切換64路晶振輸出信號，整個測試系統包含8塊測試板，總共可循環切換512路晶振輸出信號。

4 系統軟件設計

系統的軟件設計分為兩個方面，具體包括上位機應用程序部分和下位機處理器部分。上位機應用程序部分為整個系統的控制核心，負責系統協調工作，具體包括基本測試信息的人工交互輸入、發起整個測試過程、向下位機控制板發送控制信息命令、等待下位機回送的握手信號，最后控制頻率計對其輸入口的頻率信號進行測試。測試完成后對測試數據進行分析計算，然后將測試數據和計算數據保存到Sql Server數據庫，最后通過調用Word應用程序的文檔屬性和文檔操作方法［12］，對Word模版進行自動編輯，實現測試記錄的電子檔自動生成和測試報告的自動生成；下位機軟件部分在接收到上位機發送來的信息數據后，首先對信息數據進行解析，獲取晶振供電信息、測試板號信息、晶振工號等信息，然后根據解析出的信息執行處理器數字口的輸出轉換，切換信號通道，最后向上位機應用程序回送握手信號，通知上位機信號通道切換完成，可以調用頻率計驅動程序對頻率信號進行測試。軟件流程如下面圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖

5 結語

本測試系統采用單片機和成熟儀器儀表結合上位機應用程序對晶振二次篩選過程中性能測試過程進行智能控制，使晶振二次篩選過程更加符合規范要求，并且大大提高了測試效率，保障了測試的可靠性。但該測試系統仍然存在一定的缺陷，由于本單位使用到的晶振種類繁多，使用該系統時需要根據每種晶振的封裝形式制作不同的晶振測試板，這樣會帶來大量的工作，因此下一步應當收集本單位所使用的所有晶振的封裝形式，結合系統供電通道和信號通道，探索晶振測試過程中的封裝自適應問題，以便更進一步完善本測試系統。

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