OCXO老化测试系统设计

赵斌

（河北远东通信系统工程有限公司，河北石家庄，050200）

1 概述

近年来，随着5G通信产业的迅猛发展，时钟源的需求量和使用量也呈现出爆发式增长的趋势，晶体振荡器作为电子电路中最常用的时钟基准元件，其研究成果与生产规模也在不断扩大。晶振的类型很多，按不同性能和实现技术可以划分为恒温晶振、温补晶振、压控晶振等，其中OCXO以高精度与高稳定度著称，相较于温补晶振与压控晶振，OCXO具有更好的温度特性、短期稳定度以及相位噪声指标，被广泛的应用于各级通信设备中。OCXO的设计原理是将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体内的晶体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，从而达到稳定输出频率的效果。

长期稳定度是OCXO的重要技术指标，通常使用老化率来表征。在OCXO生产研发过程中需要对其进行一段时间的上电老化，监测其输出频率，实时计算老化率并预测长期老化率，从而保证其频率准确度与稳定度。

本文提出一种OCXO老化测试系统，能够实现OCXO老化率的大规模自动化测试，该系统在大幅提高生产测试效率的同时节省了大量的人力资源，满足百万级年产规模的生产测试需求，测试数据实现数字化传输与存储，便于生产研发人员分析数据，从而更好的管控产品质量。

2 系统框架与功能

2.1 系统结构框架

OCXO老化测试系统由计算机及软件系统、网络数据库、频率计数器、原子频标、供电设备、测试箱体、测试板、控制板等部分构成，系统结构框架图见图1。其中，计算机及软件系统为操作人员提供可视化操作界面与软件运行环境；网络数据库技术将处在不同位置、操作上相对独立的多个测试系统连接起来，实现测试数据的远程传输与高效存储；频率计数器受控于计算机，用于测量OCXO输出信号的频率，测试完成后将结果回传至计算机；原子频标为频率计数器提供测量基准；供电设备为OCXO老化测试提供稳定可靠的供电支持；测试箱体用于装载供电设备、测试板与控制板；测试板用于装载待测OCXO产品、通道切换控制电路以及LED矩阵电路；控制板用于装载MCU、通信转换电路、过压保护电路、输出块矩阵电路与其他相关电路，是硬件系统的控制核心。

图1 系统框架结构图

本文提出的老化测试系统，每台计算机配置3台测试箱体，分别通过3根RS232串口通信线与之通信，每台测试箱体中包含12块控制板与测试板，控制板固定在测试箱体内，测试板放置于滑槽上，通过连接器与控制板对接，每块测试板上包含96个测试单元，单套老化测试系统的OCXO测试量达3456只。

2.2 系统功能

OCXO老化测试系统包含供电电压设置与测量、过压断电保护、频率测量、结果分析与处理、温度测量、开机特性等功能。

（1）供电电压设置与测量：本文提出的测试系统具有设置与测量OCXO供电电压功能，供电电压设置范围3～16V，设置精度达1mV，供电电压测量范围0～16V，测量精度0.8mV。电压测量包括空载电压与带载电压，测量空载电压是确保在待测OCXO上电之前排除电源供电问题，从而保障待测OCXO品质。

（2）过压断电保护：OCXO工作时会产生较大电流保持温槽温度恒定，所以OCXO供电设备需要长时间保持较大功率工作，在OCXO大规模生产过程中，每套供电设备同时为上千只OCXO供电，供电设备故障会导致大批OCXO测试异常，严重影响生产效率。本文提出的测试系统具有过压瞬时断电保护功能，计算机软件通过向MCU发送指令设置供电上限电压，在OCXO供电电压达到上限电压时，测试系统会立即切断供电通路，断电时间处于微秒级。

（3）频率测量：操作人员通过计算机软件设置测量时间与测量位置号，测试系统在设置的时间向MCU发送指令将对应位置号OCXO的输出频率通路导通至频率计数器，频率计数器将测量结果传至PC，计算机软件将测试结果存储并上传至网络数据库。

（4）结果分析与处理：当测试时长达到一个老化周期后，计算机软件会停止频率测试并整合老化周期内的测试数据，自动计算OCXO老化率，将合格品与不合格品的位置号显示在软件界面，提示操作人员进行挑选分类工作。

（5）温度测量： 较高的环境温度利于OCXO保持恒温槽温度从而达到减少系统供电功耗的作用，但是当环境温度高于恒温槽设计温度后，会影响OCXO正常工作状态，测试系统通过计算机软件向MCU发送指令，MCU将温度传感器的测量结果回传至PC，对测试环境温度进行持续不间断监测。

（6）开机特性：OCXO的恒温槽设计方案决定了其需要一定的上电稳定时间，上电稳定时间内，恒温槽温度趋于稳定，同时OCXO输出频率也会趋于标称频率，通过对上电后指定时间OCXO输出频率的测量能够计算出其开机特性指标，操作人员通过计算机软件设置开机特性测量时间与测量位置号，计算机软件向MCU发送指令实现对OCXO指定上电时间后的频率进行测量。

3 系统设计

3.1 软件系统设计

老化测试系统软件开发环境为VS2010，编程语言为VB.NET，软件系统由显示窗口、通信模块、数据存储与分析、网络数据库等部分组成。

（1）显示窗口包含测试通道复选框、测试日期与时序设置框、串口通信设置框、频率计数器设置框、测试控制设置框、测试数据显示框、循环测试设置框、设计员调试控制框与扫码配置框，老化测试系统软件界面见图2。显示界面为生产操作人员提供丰富的生产测试设置框体，生产操作人员可根据不同产品型号、不同测试数量、不同测试需求自由定制整个测试过程，同时为系统设计维护人员提供系统调试控制窗口，系统调试控制窗口需输入后台密码方可进入。

图2 老化测试系统软件界面

（2）通信模块包含RS232通信模块、TCP/IP通信模块、USB通信模块，负责与外部设备之间的互联通信。其中，RS232通信模块负责向硬件系统发送指令与接收硬件系统测试数据，支持多接口、多线程同步通信，同时具有通信校验功能，最大程度上保证测试系统的高效稳定运行；TCP/IP通信模块与远程服务器交互，测试完成后将测试数据通过TCP/IP协议传输至网络数据库；USB通信模块连通软件系统与频率计数器，实现对频率计数器计数闸门、输入阻抗、耦合方式的设置，同时接收频率计数器返回的频率结果。

（3）数据存储与分析涉及存储文件的生成、打开，测试结果数据的存储，并根据测试数据计算相应测试指标结果。

（4）网络数据库采用MySQL数据库，为大规模生产测试数据提供容器，便于异地数据传输交互与数据融合分析，为管控生产与产品质量提供数据基础，同时通过与数据库信息的分析与研究达到提前排除生产隐患的效果。

测试时，操作人员首先勾选测试通道，随后扫描待测OCXO上的二维码至扫码配置框，根据扫描的产品编号软件系统自动连接至网络数据库获取OCXO型号，自动配置电源电压下拉框内的电压值，操作人员确定待测OCXO电压无误后点击加电按钮，软件系统先测量一遍所有开关电源的空载电压，若空载电压测量没有问题，为待测OCXO上电，上电稳定3分钟后自动测量带载电压，若空载电压测量有问题则立即停止测试并提示操作人员。OCXO上电后，操作人员确认串口通信设置框与频率计数器设置框内配置无误，根据测试周期勾选测试时序，设置时序设置框内的频率采集时间后点击时间重置按钮。操作人员点击新存文件按钮或打开文件按钮，设置好存储文件后点击时序测试按钮，开始自动测试。

3.2 硬件系统设计

硬件系统由计算机、频率计数器、原子频标、供电设备、测试箱体、测试板、控制板组成，其核心电路主要分为供电模块、频率选通模块、RS232通信模块、MCU控制模块等。

计算机为软件系统的运行提供必要的操作系统与软件运行环境，同时计算机具有RS232接口、LAN口与USB接口，为计算机软件与其他硬件设备的通信提供硬件支持。频率计数器实现OCXO输出频率的测量，通过USB通信将测试结果回传至计算机。原子频标为频率计数器提供标准频率源。供电设备由若干台开关电源组成，为整个测试系统的控制电路以及OCXO供电。测试箱体用于安装开关电源、测试板与控制板，同时密闭的测试环境有利于保持老化测试的环境温度长期稳定并隔绝外部干扰。测试板用于装载OCXO产品，通过连接器与控制板插装对接，测试板上的各级集成电路受控于控制板实现不同位置号OCXO输出频率的切换。控制板包含MCU、RS232通信转换电路、模拟开关矩阵、过压保护电路、ADC与DAC，MCU作为整个硬件系统的控制核心负责接收计算机指令，根据指令与控制板和测试板上的各级集成电路通信，完成相应的测试要求；RS232通信转换电路将RS232通信电平转换为UART通信电平，实现计算机与MCU之间的通信；模拟开关矩阵实现控制板级频率输出的切换；ADC实现OCXO供电电压的测量，DAC用于调整开关电源输出电压。

（1）供电模块由程控开关电源矩阵、DA电压输出电路、电压比较电路、栓锁电路组成，其中程控开关电源矩阵由若干输出电压可程控的开关电源组成，为整个硬件控制系统与待测OCXO供电，程控开关电源具有电压调节端子，可输入0～2.5V范围内的模拟电压调节其输出电压；DA通过I2C通信方式受控于MCU，为程控开关电源电压调节端子提供模拟调整量，同时为电压比较电路提供上限电压基准；电压比较电路与栓锁电路共同作用，保护OCXO供电的稳定与安全，当程控开关电源输出电源高于上限电压基准时，电压比较电路拉低大功率MOS栅极及时为OCXO断电，断电反应时间处于微秒级，栓锁电路锁定保持断电状态直至操作人员排除供电故障后重新复位上电。

（2）频率选通模块由若干输出块芯片、8路模拟开关芯片与8位位移缓存输出芯片组成，实现OCXO输出信号通路的分选切换，将待测信号导通至频率计数器。其中位移缓存输出芯片控制每个测试单元的输出块的使能，保证测试频率时仅有待测单元的OCXO信号能够输出，防止传输过程中测试单元间信号互相干扰，保证测试的稳定性与准确性；模拟开关芯片为OCXO输出信号提供传输通路，将待测测试单元的输出信号分选至频率计数器。

（3）RS232通信模块实现计算机RS232通信电平与USART通信电平的相互转换，计算机RS232通信信号通过串口通信线连接至DB9接头，传输至通信收发器芯片，经电平转换后传输至MCU，MCU向计算机发送信息时则通过收发器芯片、DB9接头与通信串口线传输至计算机。

（4）MCU控制模块由MCU、电源管理芯片以及外围相关芯片组成，MCU负责接收计算机指令，按照通信指令与下级芯片通信或直接控制下级芯片完成上位机指令要求，通过内置的AD与温度传感器完成电压测量与测试环境温度测量。电压监管芯片保证MCU供电稳定，当低于下限电压时复位MCU，保证MCU的稳定运行。

4 结语

本文提出的OCXO老化测试系统在大幅提升生产测试效率的同时降低了操作人员的工作强度，测试系统上线以来生产测试OCXO达百万级，运行稳定可靠。