基于LabVIEW的晶體振蕩器測試系統

石英晶體振蕩器是一種用于穩定頻率和選擇頻率的重要電子元件，也簡(jiǎn)稱(chēng)為“晶振”。由于石英晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、具有很高的頻率穩定性和良好的溫度特性，因此被廣泛應用于通信、廣播、導航、電子對抗及精密測量?jì)x器中。目前，大多數測試人員對晶體振蕩器的測量還采用手工測試。無(wú)論在初測、老化測試還是終測中，測試人員需要先連接好測試電路，然后將晶體振蕩器放入夾具，打開(kāi)穩壓電源并不斷地調整示波器顯示的波形，在各項指標都滿(mǎn)足后開(kāi)始從頻率計中讀取數據并手工記錄。有時(shí)為了得到穩定精確的數據，還要等待一段時(shí)間再讀數，可見(jiàn)操作步驟十分繁瑣，并且容易造成人為誤差。為了簡(jiǎn)化測試工作，提高工作效率及提高測試數據的可靠性，本文介紹的是一種在LabView虛擬儀器平臺上開(kāi)發(fā)的晶體振蕩器測試系統，該系統可以實(shí)現自動(dòng)協(xié)調測量?jì)x器，自動(dòng)數據采集并處理，自動(dòng)生成電子表格等功能，具有高度的靈活性、可靠性及可操作性。

1 系統總體概述

該系統是在LabVIEW虛擬儀器平臺上開(kāi)發(fā)的晶體振蕩器測試系統，它可以測量晶體振蕩器的輸出頻率、高電平、低電平、上升時(shí)間和下降時(shí)間，可以觀(guān)測輸出波形并計算頻率精度。它還可以自動(dòng)記錄數據，具有友好的人機操作界面。

系統將各個(gè)測試儀器連接在一起，通過(guò)PC端下達指令來(lái)操控各個(gè)部分協(xié)調工作，該系統的工作流程如圖1所示。

2 設計方案

該設計由兩部分組成，即硬件部分和軟件部分。硬件部分主要由具有程控功能的直流穩壓電源、示波器、頻率計構成，軟件部分則為在LabVIEW平臺上開(kāi)發(fā)的控制程序及操作界面。下面將對各部分進(jìn)行詳細說(shuō)明。

2.1 硬件工作原理

該系統利用計算機通過(guò)GPIB標準串行接口連接Agilent6054A示波器、Agilent 3031A穩壓電源和Pendulum CNT90頻率計，控制每個(gè)設備工作并從中讀取數據。系統硬件連接圖如圖2所示。

晶體振蕩器則放在專(zhuān)用夾具上，這里以表面貼裝晶體振蕩器為例，夾具引腳圖如圖3所示，1號引腳為空引腳，作為參考點(diǎn)，2號引腳為接地引腳，3號引腳為輸出引腳，連接示波器和頻率計，4號引腳為供電引腳，接穩壓電源。

2.2 軟件設計

本設計的軟件部分主要基于NI公司的LabVIEW平臺開(kāi)發(fā)的，LabVIEW是通過(guò)圖形編譯(Craphics，G)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序的，程序類(lèi)似流程圖，這為編程人員提供了一個(gè)直觀(guān)的編程環(huán)境。它可以充分發(fā)揮計算機的能力，具有強大的數據處理功能，用戶(hù)可以根據自己的需要來(lái)創(chuàng )造并模擬出各種儀器。

在LabVIEW中，VISA稱(chēng)為虛擬儀器軟件體系結構(Virtual Instrument Software Architecture)，作為L(cháng)abVIEW程序中驅動(dòng)程序間相互通信的底層功能模塊，可以連接不同標準的I/O設備，是一個(gè)用來(lái)在串口通信設備、VXI設備、GPIB設備以及其它基于計算機設備之間通信的函數庫。在本次設計中，所選用的三種型號的儀器在LabVIEW中的Instrume nt Drivers選項卡中都可以安裝已經(jīng)開(kāi)發(fā)好的驅動(dòng)模塊，這樣就簡(jiǎn)化了驅動(dòng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

2.2.1 圖形功能界面設計

利用LabVIEW的圖形操作界面設計功能，為該系統設計了一個(gè)友好的人機操作界面，如圖4所示。

1)參數設置部分，其中包括：頻率精度判限、重測頻率精度判限、電源電壓、鉗位電流、標稱(chēng)頻率。其中頻率精度判限用來(lái)判斷頻率精度是否超出范圍;電源電壓是設置晶體振蕩器的供電電壓;鉗位電流是限制最大電流的參數;標稱(chēng)頻率為晶體振蕩器的標準頻率。

2)路徑設置，為數據存儲提供存儲位置。

3)波形示意圖，可讀取示波器信號，供測試人員分析波形。

4)輸出結果部分，該部分包括：測試頻率、最高電平、最低電平、上升時(shí)間和下降時(shí)間?？蓴U展其他數據結果。

5)控制部分，該部分包含兩個(gè)按鈕，“測試”和“重測”，還有一個(gè)超范圍指示燈，用來(lái)提醒是否超出范圍，由測試人員決定是否進(jìn)行重測。

6)數據記錄窗口。在該窗口中，會(huì )橫向顯示每個(gè)晶振的五種測試數據，在第一列會(huì )為每次測量的晶振自動(dòng)編號，重測不計入其中，方便測試人員核對數量。

2.2.2 DC穩壓電源控制模塊

在該設計中，分別為DC穩壓電源、示波器、頻率計設計了3個(gè)控制模塊的子VI，用來(lái)單獨調用。其中電源控制模塊的程序如圖5所示。電源模塊只需要輸入兩個(gè)參數，分別是“電源輸出電壓”和“鉗位電流”。從程序中可以看到，安裝的驅動(dòng)中已經(jīng)集成了驅動(dòng)和設置的模塊，例如“HPE363Xa Initialize.vi”，“HPE363Xa close.vi”，“HPE363 1a getting started.vi”等，這些模塊可以在程序中直接調用，只需設置所需的參數即可。如果模塊中沒(méi)有預留所需功能的連線(xiàn)端，只需重新引出即可，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)的過(guò)程，其他設備的編程也類(lèi)似。

2.2.3 示波器控制模塊

示波器控制部分的程序如圖6所示。這里調用的模塊主要有：“ag6000a Initialize.vi”，用于初始化設備的各種參數;“ag6000a Autosetup.vi”，用于將示波器設置為自動(dòng)讀取模式;“ag6000a Read Single Waveform.vi”，用于讀取示波器采集到的波形;“ag6000a Read Waveform Measurement.vi”，用于讀取波形中所包含的數據。該部分主要功能是控制示波器輸出“最高電平”、“最低電平”、“上升時(shí)間”和“下降時(shí)間”4種參數并讀取示波器的波形。在這里也設置了超時(shí)參數，如果5秒內沒(méi)有控制信號傳輸進(jìn)來(lái)，程序將由于超時(shí)自動(dòng)終止。

2.2.4 頻率計控制模塊

頻率計控制部分的程序設置如圖7所示。圖中用到的模塊的功能與上一部分類(lèi)似，其中“pecnt90 Configure Measurement.vi”，模塊可以設置儀器測量時(shí)的各種參數，在測試類(lèi)型一項應該選擇“頻率(Frequency)”，該模塊也可修改采樣時(shí)間等參數。該部分的主要功能是控制頻率計采集晶體振蕩器的頻率并將其輸出。同樣地，這里也設置了5秒超時(shí)功能。

由于系統在為晶體振蕩器加電時(shí)，電壓瞬間達到設定值，為了避免瞬間電壓不穩定對測試結果造成影響，特別在這里添加了延時(shí)1秒讀數的設計，使系統在晶體振蕩器穩定工作后，才開(kāi)始讀數。延時(shí)部分程序如圖8所示。

3 實(shí)際測試與數據分析

為了驗證系統測試的可靠性，進(jìn)行了大量的實(shí)際測試。通過(guò)實(shí)際測試，對系統做出了諸多改進(jìn)。該系統具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)速度快

在實(shí)際測試中，我們對比了手動(dòng)測試和系統自動(dòng)測試所花費的時(shí)間。正常情況下，手動(dòng)測試1個(gè)晶體振蕩器平均需要1分鐘，在進(jìn)行批量測試時(shí)，必然會(huì )耗費大量時(shí)間和精力。而使用該系統進(jìn)行測試，平均測試一個(gè)晶體振蕩器的時(shí)間為5秒，節省了90%的時(shí)間，這是因為自動(dòng)測試節省了人工觀(guān)察、記錄示波器數據和等待頻率計讀數穩定的時(shí)間，也節省了計算數據的時(shí)間。

2)精度高

人工測試時(shí)，由于測試頻率一直在細微地變化，導致測試人員在記錄數據時(shí)晶體振蕩器的各項數據已經(jīng)發(fā)生變化，這就使得各項測試結果不匹配，導致計算時(shí)產(chǎn)生誤差。而該系統由于使用計算機控制，各個(gè)設備協(xié)調工作，處理速度非?？?，讀數準確，不會(huì )出現上述情況，這就大大提升了測試的精度。此外該系統計算的數據精確度非常高，讀數精確到小數點(diǎn)后六位，實(shí)際測試中，例如計算頻率精度，計算公式為：

計算結果的單位為ppm，由公式可知：該計算結果精確到百萬(wàn)分之一。在手工測試的條件下，例如一種精度要求在1 ppm以?xún)鹊木w振蕩器，通常計算結果為20 ppm以上，計算準確性非常低，而該系統計算結果全部在要求范圍內。測試結果如表1所示。

3)可靠性強

為了檢驗可靠性，我們特別對同一批晶體振蕩器進(jìn)行了10次測試，每次測試間隔10分鐘以上，實(shí)驗結果表明，每次試驗結果的偏差都不超過(guò)0.00001%。此外，使用該系統連續測試200個(gè)已檢驗合格的晶體振蕩器，并保持系統持續工作5小時(shí)，沒(méi)有發(fā)現任何異常，可見(jiàn)該系統的可靠性非常強。

4 結束語(yǔ)

晶體振蕩器的測試技術(shù)在電子工業(yè)領(lǐng)域是非常實(shí)用的。傳統的手工測試、人工記錄已經(jīng)滿(mǎn)足不了更高的生產(chǎn)效率。該系統可以很好地解決這一問(wèn)題，并具備高精度、高速度等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足正常的測量需求，達到了自動(dòng)化測試的目的。該系統也具備一定的擴展性，例如可以連接多個(gè)測試通道，讓系統自動(dòng)切換通道進(jìn)行測試等。本文對其他自動(dòng)化測試系統的開(kāi)發(fā)也具有一定參考價(jià)值。