CN102830294A - 用于微机补偿晶振的自动调试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种用于微机补偿晶振自动调试系统，是一种用于微机补偿晶振在高低温状态下性能调试的自动测控系统，系统由计算机及计算机程序控件、测控组件、高低温试验箱、高精度频率计数器、直流稳压电源组成。计算机程序控件是一个界面控制软件，软件通过计算机硬件接口实现对系统其它组件的控制，完成对晶体振荡器在高低温下的数据采集和处理。测控组件由晶振信号切换电路和信号转接电路构成。本发明可一次完成对512只晶振在-40℃～90℃范围内的频率温度特性的数据采样、数据处理以及晶振的状态设置，实现微机补偿晶振的批量自动化调试。

Description

用于微机补偿晶振的自动调试系统

技术领域

本发明主要用于微机补偿晶振在高低温条件下的自动调试。

背景技术

晶振在高低下的频率稳定度和频率准确度指标决定晶振的主要性能，而每只晶振在高低温下的频率偏移均不相同，必须通过调试系统对每只晶振进行高低温调试。

由于AT切晶体的振荡频率在整个宽温范围内（－55℃～＋85℃）频率偏移较少（频率偏移在±20ppm以内），并且频率与温度的关系呈近似的三次函数关系，所以温补晶体振荡器（TCXO）一般均采用对AT切晶体的频率－温度特性曲线进行补偿。该补偿是用一个与晶体谐振器串联的变容二极管作调频电容，其两端受补偿电路产生的电压控制，使变容二极管电容变化，改变晶体谐振器负载电容，从而使晶体谐振器的振荡频率发生改变。由于补偿电压带来的频率偏移恰好可以抵消由温度变化所引起的频率漂移，使得振荡器频率在宽温度范围内相对稳定，达到温度补偿的目的。温补晶振调试系统的目的就是采集每只晶振在高低温下的补偿电压曲线。

现有温补晶振调试系统通常有两种方法。

一是采用锁相环频率合成的方法，通过锁相环电路把晶振的输出频率锁定在需要的标称频率上。同时单片机通过ADC采集晶振频率锁定后的压控电压，该压控电压值就是当前温度下晶振的补偿电压值。该方法虽然可以完成晶振在高低温下的调试，但是每只晶振需要使用一个高精度的锁相环电路以及ADC采样电路。使用该方法的调试系统电路复杂、成本高，且不利于批量化生产。

二是频率数字式跟踪的方法，该方法通过频率计读取频率值，由智能设备及软件比较输出频率与标称频率的差值，增大或减小控制电压来获取最佳的补偿电压值。实现该方法的电路有多种，由单片机实现频率且测量温度和控制电压的测量系统是常用方法。温补晶振的输出频率经数字频率计计数，得到频率值，单片机识别频率偏差并通过DAC改变压控值对频率偏差进行修正，当频率值趋于标频时再由DAC获得补偿电压值。使用该方法对电路要求较简单，主要工作由智能设备及相关软件来完成，系统数字化程度高，易于产品的批量化调试。

发明内容

本发明的任务是提出一种用于微机补偿晶振专用的高低温调试系统，可以自动完成晶振在高低温下的数据采集及处理，实现高精度微机补偿晶振在宽温范围的批量化调试。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，本发明提供的一种微机补偿表贴晶振自动调试装置，至少包括，计算机及计算机程序控件、测控组件、高低温试验箱、高精度频率计数器、直流稳压电源。其特征在于：计算机及计算机程序控件通过计算机硬件接口实现对系统其余各组件数据的读取以及控制，同时程序控件完成每只晶振高低温下数据的存储和处理；测控组件完成晶振的频率输出信号及串口信号的切换，切换后的频率信号发送至高精度频率计数器，切换后的串口信号通过计算机硬件接口发送给计算机程序控件同时计算机控件发出控制信号至测控组件，测控组件实现512只晶振的信号切换；高精度频率计数器用于读取当前晶振频率信号，频率计数器通过标准的GP-IB接口与计算机连接，计算机程序控件完成对频率计数器的设置及当前频率信号的读取；高低温试验箱提供－40℃～90℃的宽温度晶振试验环境，试验箱通过RS232接口与计算机连接，计算程序控件可以对温箱温度进行设置并读取当前温箱内实际温度；直流稳压电压为512只晶振提供稳定的直流工作电压，电源通过RS232接口与计算机连接计算机程序控件可以对电源输出电压进行设置。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明通过计算机及计算机程序控件实现了对系统各组件的控制，包括设置系统各组件的性能，获得当前晶振、频率计、高低温箱的测量数据。计算机程序控件还具备对晶振频率的智能校准功能，即通过读取频率计当前的频率计数值来判定晶振的输出频率是否达到标称频率，若未达到标频则改变晶振输出频率直到达到标频为止，从而获取晶振的补偿电压值。同时计算机控件还具有晶振数据处理功能，即将获得的晶振高低下的测试数据带入数学模型，计算出每只晶振的频率－温度特性曲线。通过计算机程序控件极大地提高了系统的数字化程度，减小了人为干扰误差，并满足批量化调试的要求。

本发明在信号切换电路中使用三态门缓冲器做为晶振频率及串口信号的切换器件，与传统的使用继电器或模拟开关的方式比较，使用三态门缓冲器作为信号切换器件可以迅速的完成切换功能且不受其它电路的影响。该方法使得系统电路更加简单、可靠、实用。

本发明在信号切换电路中通过一个分频的集成芯片将每只晶振的输出频率进行64分频处理，现温补晶振的频率主要为5MHz～100MHz,通过分频后的频率小于2MHz,这样可以极大的减小晶振间输出频率的相互干扰，满足批量晶振加电后频率测量的准确性。

本发明通过串口通讯电路实现了对晶振的在线自动化调试，调试系统对晶振频率的调试精度可以达到10^－9～10^－10量级，同时采用多路晶振信号切换技术可以同时完成512只左右的高精度微机补偿晶振的高低温自动调试。

本发明不仅解决了温补晶振在高低温条件下的补偿数据的精确采集问题，也解决了微机补偿晶振批量化测试、调试的问题。

附图说明

图1是本发明的微机补偿晶振自动调试系统的电路原理框图。

图2是本发明的微机补偿晶振自动调试系统的频率校准的原理框图

图3是本发明的信号切换电路的原理框图。

具体实施方式

本发明的实施方式可用图1、图2、图3进一步说明。

在图1中，一种微机补偿晶振自动调试系统，包括，计算机及计算机程序控件、测控组件、高低温试验箱、高精度频率计数器、直流稳压电源。微机补偿晶振调试系统用于微机补偿晶振在高低温下的自动调试。在所述的计算机程序控件中，通过计算机硬件接口实现对系统其它组件的控制以及对其它组件信号的接受和处理。测控组件包括信号切换电路和信号转接电路，测控组件基于单片机电路完成512只微机补偿晶振的输出频率信号、串口信号的切换和转接。高精度频率计对晶振频率进行精确测量，并通过GP-IB接口将数据传给计算机控件。高低温试验箱为晶振调试提供－40℃～90℃的试验环境，并通过R232接口与计算机连接，计算机程序控件完成对温箱的状态设定以及适时温度监控。直流稳压电源为512只晶振提供稳定的直流工作电压。

在图2中，自动调试系统频率校准的原理为一个计算机、频率计、晶振组成的闭环回路，环路中晶振与计算机以及频率计与计算机之间采用串口连接控制。通过自动调试系统，系统对每路晶振在检测温度点下逐一进行调试，校准晶振频率获取当前的补偿电压值，并记录每路晶振当前温度。计算机通过对每路晶振在高低温下的不同采样点的数据采集信息进行分析，计算出每路晶振的补偿电压－温度特性参数并将每路晶振的补偿电压曲线特性参数发送并存储到其内部EEPROM中。

本发明所述的计算机程序控件由Visual C#语言编辑，程序的主要功能包括：系统基本设置；创建和设置数据库；晶振状态设置（调试模式和工作模式）；

当前信号显示（包括：频率、温度、频率偏移、补偿电压值等）；数据的拟合计算和晶振设定参数；晶振相关数据列表及曲线图；每路晶振状态监控。

本发明所述的计算机程序控件为了对每次调试进行数据记录，设计了实时更新的数据库。程序控件通过数据库设置程序进行数据库的初始化设置，数据库设置程序主要包括：设置数据库文件编号；设置晶振待测温度点；设置需要选择的测试晶振地址；设置晶振的标称频率；设置晶振的校准精度（最小为0.001ppm）；设置晶振工作电压；设置频率计采样时间；设置温箱保温时间。在整个调试过程中，计算机控件程序适时地将晶振的相关数据保存至数据库。

本发明所述的计算机程序控件中编辑了用于计算晶振高低温频率特性的数学模型，数学模型基于最小二乘法理论对高低温下采集的晶振的温度数据和补偿电压数据进行拟合处理，计算出每只晶振的补偿电压－温度特性曲线，数学模型可以支持7次线性曲线的拟合，计算后得到的晶振的频率温度特性参数（C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇）通过串口发送给每只对应的晶振，晶振将该数据保存在内部的EEPROM或FLAS ROM中。7次温度特性参数（C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇）对应的补偿电压值的函数关系式是： 

式中T为温度值，C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇为温度特性参数，V_C为补偿电压值。

在图3中，信号切换电路由单片机、单片机外围电路、串口信号切换电路、分频电路、输出频率切换电路、RS232接口电路组成。单片机电路通过两个3/8译码器对I/O进行扩展，实现对8行及8列的地址信号的控制。信号切换电路通过一个与非门逻辑器件识别当前的地址信号，当行和列的地址信号均为高电平时，与非门器件输出一个低电平信号，该信号触发三个三态门缓冲器的接通，三个三态门缓冲器分别用来切换晶振的输出频率、串口的输出和串口的接受信号，从而实现对信号的切换。信号切换电路可以对8行8列即共64路晶振信号进行切换，实现多路晶振的在线调试。

本发明所述自动调试系统自动地调谐晶振的频率输出，同时校准频率，记录校准后的补偿电压值。晶振将输出频率信号传给频率计；频率计通过串口将实时采集的频率信号传给计算机；计算机对频率计传输过来的频率信号进行分析；如果测得输出与标称频率误差没有达到±0.01ppm以内的要求，则通过串口调整晶振的补偿电压从而改变晶振的输出频率，如果频率满足要求，计算机就记录下当前补偿电压值。对于－40℃～85℃的温度范围，可以取－40℃、－30℃、－20℃、－10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃为采样温度点，每个温度点的保温时间为15min～20min，整个调试过程总共可以有14个采样点。调试系统软件利用最小二乘法对14个离散信号进行曲线拟合，得到的曲线参数最后发送给每个晶振电路并存储在EEPROM中。

Claims (9)

1.一种用于微机补偿晶振的自动调试系统，至少包括，计算机及计算机程序控件、测控组件、高精度频率计数器、高低温试验箱、直流稳压电源，其特征在于：计算机及计算机程序控件通过计算机硬件接口实现对系统其余各组件数据的读取以及控制，同时程序控件完成每只晶振高低温下数据的存储和处理；测控组件完成晶振的频率输出信号及串口信号的切换，切换后的频率信号发送至高精度频率计数器，切换后的串口信号通过计算机硬件接口发送给计算机程序控件同时计算机控件发出控制信号至测控组件，测控组件实现512只晶振的信号切换；高精度频率计数器用于读取当前晶振频率信号，频率计数器通过标准的GP-IB接口与计算机连接，计算机程序控件完成对频率计数器的设置及当前频率信号的读取；高低温试验箱提供－40℃～90℃的宽温度晶振试验环境，试验箱通过RS232接口与计算机连接，计算程序控件可以对温箱温度进行设置并读取当前温箱内实际温度；直流稳压电压为512只晶振提供稳定的直流工作电压，电源通过RS232接口与计算机连接计算机程序控件可以对电源输出电压进行设置。

2.根据权利要求1所述的微机补偿晶振自动调试系统，其特征在于，所述计算机程序控件，程序使用Visual C#语言编辑，可以通过计算机硬件接口实现晶振串口信号及输出频率信号的切换、晶振高低温下的数据采样，同时程序控件可以完成对晶振高低温下数据的处理。

3.根据权利要求1所述的微机补偿晶振自动调试系统，其特征在于，所述测控组件，包括，晶振信号切换电路、信号转接电路，晶振信号切换电路可以完成64只晶振频率信号及串口信号的切换，信号转接电路可以完成8板晶振信号切换电路即512只晶振信号的转接，从而实现一次512只晶振的高低温调试。

4.根据权利要求1所述的微机补偿晶振自动调试系统，其特征在于，所述的高精度频率计数器频率分辨率应满足12位/秒，可以对晶振输出频率信号进行精确测量，同时计数器通过标准GP-IB接口与计算机连接，通过计算机程序控件对其进行初始化设置，适时读取当前晶振的准确输出频率信号值。

5.根据权利要求1所述的微机补偿晶振自动调试系统，其特征在于，所述的高低温试验箱可以实现－55℃～90℃试验温度，试验箱通过RS232接口与计算机连接，计算机程序控件可以对温箱进行设置，包括初始化设置和温度设定，同时计算机控件可以适时读取温箱内部当前温度值。

6.根据权利要求1所述的微机补偿晶振自动调试系统，其特征在于，所述的直流稳压电源为晶振在调试过程中提供稳定可靠的直流工作电压，电源通过RS232接口与计算机连接，计算机程序控件可以对电源输出电压进行设置。

7.根据权利要求2所述的微机补偿晶振自动调试系统，其特征在于，计算机程序控件主要功能包括：晶振调试及测试数据库的建立、查询，晶振调试流程的设置，测量温度下晶振频率的校准即晶振补偿电压的自动获取，测量温度下晶振实际温度的数据读取，晶振实际温度与补偿电压值的数据处理即晶振补偿电压－温度曲线的拟合，晶振补偿电压－温度曲线的显示，晶振高温特性参数的读取和发送，多路晶振信号地址的切换控制。

8.根据权利要求3所述的微机补偿晶振自动调试系统，其特征在于，晶振信号切换电路包括单片机控制电路、晶振输出分频电路、晶振频率切换电路、晶振串口信号切换电路；单片机控制电路通过两个3/8译码器实现对两个8位信号的控制，两个8位信号分别对应8行和8列即64路晶振的地址；晶振输出分频电路将晶振进行64分频，有效解决了多路晶振输出信号的传扰问题；晶振频率切换电路和晶振串口信号切换电路通过3个三态门缓冲器实现频率信号、UART串口信号的切换。

9.根据权利要求1～8任意项所述的用于微机补偿的晶振自动调试系统，其特征在于，对每只晶振在检测温度点下逐一进行调试，系统自动校准晶振频率并获取当前的补偿电压值，同时记录每路晶振当前温度，计算机程序控件通过对每路晶振在高低温下的不同采样点的数据采集信息进行分析，计算出每路晶振的频率温度特性参数并通过串口通讯电路将每路晶振的频率温度特性参数发送并存储到晶振内部的EEPROM或FLASH ROM中。

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