OCXO老化測試系統設計

趙斌

（河北遠東通信系統工程有限公司，河北石家莊，050200）

1 概述

近年來，隨著5G通信產業的迅猛發展，時鐘源的需求量和使用量也呈現出爆發式增長的趨勢，晶體振蕩器作為電子電路中最常用的時鐘基準元件，其研究成果與生產規模也在不斷擴大。晶振的類型很多，按不同性能和實現技術可以劃分為恒溫晶振、溫補晶振、壓控晶振等，其中OCXO以高精度與高穩定度著稱，相較于溫補晶振與壓控晶振，OCXO具有更好的溫度特性、短期穩定度以及相位噪聲指標，被廣泛的應用于各級通信設備中。OCXO的設計原理是將晶體置于恒溫槽內，通過設置恒溫工作點，使槽體內的晶體保持恒溫狀態，在一定范圍內不受外界溫度影響，從而達到穩定輸出頻率的效果。

長期穩定度是OCXO的重要技術指標，通常使用老化率來表征。在OCXO生產研發過程中需要對其進行一段時間的上電老化，監測其輸出頻率，實時計算老化率并預測長期老化率，從而保證其頻率準確度與穩定度。

本文提出一種OCXO老化測試系統，能夠實現OCXO老化率的大規模自動化測試，該系統在大幅提高生產測試效率的同時節省了大量的人力資源，滿足百萬級年產規模的生產測試需求，測試數據實現數字化傳輸與存儲，便于生產研發人員分析數據，從而更好的管控產品質量。

2 系統框架與功能

2.1 系統結構框架

OCXO老化測試系統由計算機及軟件系統、網絡數據庫、頻率計數器、原子頻標、供電設備、測試箱體、測試板、控制板等部分構成，系統結構框架圖見圖1。其中，計算機及軟件系統為操作人員提供可視化操作界面與軟件運行環境；網絡數據庫技術將處在不同位置、操作上相對獨立的多個測試系統連接起來，實現測試數據的遠程傳輸與高效存儲；頻率計數器受控于計算機，用于測量OCXO輸出信號的頻率，測試完成后將結果回傳至計算機；原子頻標為頻率計數器提供測量基準；供電設備為OCXO老化測試提供穩定可靠的供電支持；測試箱體用于裝載供電設備、測試板與控制板；測試板用于裝載待測OCXO產品、通道切換控制電路以及LED矩陣電路；控制板用于裝載MCU、通信轉換電路、過壓保護電路、輸出塊矩陣電路與其他相關電路，是硬件系統的控制核心。

圖1 系統框架結構圖

本文提出的老化測試系統，每臺計算機配置3臺測試箱體，分別通過3根RS232串口通信線與之通信，每臺測試箱體中包含12塊控制板與測試板，控制板固定在測試箱體內，測試板放置于滑槽上，通過連接器與控制板對接，每塊測試板上包含96個測試單元，單套老化測試系統的OCXO測試量達3456只。

2.2 系統功能

OCXO老化測試系統包含供電電壓設置與測量、過壓斷電保護、頻率測量、結果分析與處理、溫度測量、開機特性等功能。

（1）供電電壓設置與測量：本文提出的測試系統具有設置與測量OCXO供電電壓功能，供電電壓設置范圍3～16V，設置精度達1mV，供電電壓測量范圍0～16V，測量精度0.8mV。電壓測量包括空載電壓與帶載電壓，測量空載電壓是確保在待測OCXO上電之前排除電源供電問題，從而保障待測OCXO品質。

（2）過壓斷電保護：OCXO工作時會產生較大電流保持溫槽溫度恒定，所以OCXO供電設備需要長時間保持較大功率工作，在OCXO大規模生產過程中，每套供電設備同時為上千只OCXO供電，供電設備故障會導致大批OCXO測試異常，嚴重影響生產效率。本文提出的測試系統具有過壓瞬時斷電保護功能，計算機軟件通過向MCU發送指令設置供電上限電壓，在OCXO供電電壓達到上限電壓時，測試系統會立即切斷供電通路，斷電時間處于微秒級。

（3）頻率測量：操作人員通過計算機軟件設置測量時間與測量位置號，測試系統在設置的時間向MCU發送指令將對應位置號OCXO的輸出頻率通路導通至頻率計數器，頻率計數器將測量結果傳至PC，計算機軟件將測試結果存儲并上傳至網絡數據庫。

（4）結果分析與處理：當測試時長達到一個老化周期后，計算機軟件會停止頻率測試并整合老化周期內的測試數據，自動計算OCXO老化率，將合格品與不合格品的位置號顯示在軟件界面，提示操作人員進行挑選分類工作。

（5）溫度測量： 較高的環境溫度利于OCXO保持恒溫槽溫度從而達到減少系統供電功耗的作用，但是當環境溫度高于恒溫槽設計溫度后，會影響OCXO正常工作狀態，測試系統通過計算機軟件向MCU發送指令，MCU將溫度傳感器的測量結果回傳至PC，對測試環境溫度進行持續不間斷監測。

（6）開機特性：OCXO的恒溫槽設計方案決定了其需要一定的上電穩定時間，上電穩定時間內，恒溫槽溫度趨于穩定，同時OCXO輸出頻率也會趨于標稱頻率，通過對上電后指定時間OCXO輸出頻率的測量能夠計算出其開機特性指標，操作人員通過計算機軟件設置開機特性測量時間與測量位置號，計算機軟件向MCU發送指令實現對OCXO指定上電時間后的頻率進行測量。

3 系統設計

3.1 軟件系統設計

老化測試系統軟件開發環境為VS2010，編程語言為VB.NET，軟件系統由顯示窗口、通信模塊、數據存儲與分析、網絡數據庫等部分組成。

（1）顯示窗口包含測試通道復選框、測試日期與時序設置框、串口通信設置框、頻率計數器設置框、測試控制設置框、測試數據顯示框、循環測試設置框、設計員調試控制框與掃碼配置框，老化測試系統軟件界面見圖2。顯示界面為生產操作人員提供豐富的生產測試設置框體，生產操作人員可根據不同產品型號、不同測試數量、不同測試需求自由定制整個測試過程，同時為系統設計維護人員提供系統調試控制窗口，系統調試控制窗口需輸入后臺密碼方可進入。

圖2 老化測試系統軟件界面

（2）通信模塊包含RS232通信模塊、TCP/IP通信模塊、USB通信模塊，負責與外部設備之間的互聯通信。其中，RS232通信模塊負責向硬件系統發送指令與接收硬件系統測試數據，支持多接口、多線程同步通信，同時具有通信校驗功能，最大程度上保證測試系統的高效穩定運行；TCP/IP通信模塊與遠程服務器交互，測試完成后將測試數據通過TCP/IP協議傳輸至網絡數據庫；USB通信模塊連通軟件系統與頻率計數器，實現對頻率計數器計數閘門、輸入阻抗、耦合方式的設置，同時接收頻率計數器返回的頻率結果。

（3）數據存儲與分析涉及存儲文件的生成、打開，測試結果數據的存儲，并根據測試數據計算相應測試指標結果。

（4）網絡數據庫采用MySQL數據庫，為大規模生產測試數據提供容器，便于異地數據傳輸交互與數據融合分析，為管控生產與產品質量提供數據基礎，同時通過與數據庫信息的分析與研究達到提前排除生產隱患的效果。

測試時，操作人員首先勾選測試通道，隨后掃描待測OCXO上的二維碼至掃碼配置框，根據掃描的產品編號軟件系統自動連接至網絡數據庫獲取OCXO型號，自動配置電源電壓下拉框內的電壓值，操作人員確定待測OCXO電壓無誤后點擊加電按鈕，軟件系統先測量一遍所有開關電源的空載電壓，若空載電壓測量沒有問題，為待測OCXO上電，上電穩定3分鐘后自動測量帶載電壓，若空載電壓測量有問題則立即停止測試并提示操作人員。OCXO上電后，操作人員確認串口通信設置框與頻率計數器設置框內配置無誤，根據測試周期勾選測試時序，設置時序設置框內的頻率采集時間后點擊時間重置按鈕。操作人員點擊新存文件按鈕或打開文件按鈕，設置好存儲文件后點擊時序測試按鈕，開始自動測試。

3.2 硬件系統設計

硬件系統由計算機、頻率計數器、原子頻標、供電設備、測試箱體、測試板、控制板組成，其核心電路主要分為供電模塊、頻率選通模塊、RS232通信模塊、MCU控制模塊等。

計算機為軟件系統的運行提供必要的操作系統與軟件運行環境，同時計算機具有RS232接口、LAN口與USB接口，為計算機軟件與其他硬件設備的通信提供硬件支持。頻率計數器實現OCXO輸出頻率的測量，通過USB通信將測試結果回傳至計算機。原子頻標為頻率計數器提供標準頻率源。供電設備由若干臺開關電源組成，為整個測試系統的控制電路以及OCXO供電。測試箱體用于安裝開關電源、測試板與控制板，同時密閉的測試環境有利于保持老化測試的環境溫度長期穩定并隔絕外部干擾。測試板用于裝載OCXO產品，通過連接器與控制板插裝對接，測試板上的各級集成電路受控于控制板實現不同位置號OCXO輸出頻率的切換。控制板包含MCU、RS232通信轉換電路、模擬開關矩陣、過壓保護電路、ADC與DAC，MCU作為整個硬件系統的控制核心負責接收計算機指令，根據指令與控制板和測試板上的各級集成電路通信，完成相應的測試要求；RS232通信轉換電路將RS232通信電平轉換為UART通信電平，實現計算機與MCU之間的通信；模擬開關矩陣實現控制板級頻率輸出的切換；ADC實現OCXO供電電壓的測量，DAC用于調整開關電源輸出電壓。

（1）供電模塊由程控開關電源矩陣、DA電壓輸出電路、電壓比較電路、栓鎖電路組成，其中程控開關電源矩陣由若干輸出電壓可程控的開關電源組成，為整個硬件控制系統與待測OCXO供電，程控開關電源具有電壓調節端子，可輸入0～2.5V范圍內的模擬電壓調節其輸出電壓；DA通過I2C通信方式受控于MCU，為程控開關電源電壓調節端子提供模擬調整量，同時為電壓比較電路提供上限電壓基準；電壓比較電路與栓鎖電路共同作用，保護OCXO供電的穩定與安全，當程控開關電源輸出電源高于上限電壓基準時，電壓比較電路拉低大功率MOS柵極及時為OCXO斷電，斷電反應時間處于微秒級，栓鎖電路鎖定保持斷電狀態直至操作人員排除供電故障后重新復位上電。

（2）頻率選通模塊由若干輸出塊芯片、8路模擬開關芯片與8位位移緩存輸出芯片組成，實現OCXO輸出信號通路的分選切換，將待測信號導通至頻率計數器。其中位移緩存輸出芯片控制每個測試單元的輸出塊的使能，保證測試頻率時僅有待測單元的OCXO信號能夠輸出，防止傳輸過程中測試單元間信號互相干擾，保證測試的穩定性與準確性；模擬開關芯片為OCXO輸出信號提供傳輸通路，將待測測試單元的輸出信號分選至頻率計數器。

（3）RS232通信模塊實現計算機RS232通信電平與USART通信電平的相互轉換，計算機RS232通信信號通過串口通信線連接至DB9接頭，傳輸至通信收發器芯片，經電平轉換后傳輸至MCU，MCU向計算機發送信息時則通過收發器芯片、DB9接頭與通信串口線傳輸至計算機。

（4）MCU控制模塊由MCU、電源管理芯片以及外圍相關芯片組成，MCU負責接收計算機指令，按照通信指令與下級芯片通信或直接控制下級芯片完成上位機指令要求，通過內置的AD與溫度傳感器完成電壓測量與測試環境溫度測量。電壓監管芯片保證MCU供電穩定，當低于下限電壓時復位MCU，保證MCU的穩定運行。

4 結語

本文提出的OCXO老化測試系統在大幅提升生產測試效率的同時降低了操作人員的工作強度，測試系統上線以來生產測試OCXO達百萬級，運行穩定可靠。