MCXO实时在线自动调试测量系统的设计与实现＊

陈小林，欧峥伟，钟 亮，王祝盈，谢 中

（湖南大学 物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082）

随着现代科技的发展，稳定的频率源是电子系统关键器件之一.而微机补偿晶体振荡器由于其高精度、功耗低、开机即可工作等特点，得到了研究者的高度关注［1］.现在，国外高水平微机补偿晶体振荡器频率温度稳定度己能达到2×10－8（－40～85℃）［2］.如此高精度MCXO开发，离不开全自动实时在线调试测量系统的实现.实时在线自动测量可以提高温度测量精度、温度点补偿密度以及补偿电压插值精度，最大限度地降低MCXO由于多种因素造成的系统误差［3］；同时更加适应MCXO规模化生产的要求.基于这样的背景，本文提出MCXO的实时在线自动调试测量系统的设计和实现，是有积极意义的.

1 系统构建

系统主要包括以下几个部分：计算机，S＆A4220高低温控制箱，HD2000多通道高分辨率频率计，主控板，被测晶振，系统控制软件.图1为系统框架结构图.测量系统分为3层，顶层为PC机，中间层为主控单片机，底层为基于C8051F061的被测MCXO，其中绿色框和蓝色框内的部件置于S＆A4220高低温控制箱内.这样的三层结构能够减少数字信号以及环境因素对测量精度的影响，减少系统连线，也使得系统趋于模块化，提高软件运行效率及编程效率，提高其可重复性.测量系统用S＆A4220高低温控制箱实现－40～85℃的环境温度，HD2000频率计测量输出频率.整个系统为闭环控制系统，输出频率与标称频率之间的差值作为反馈传送给主控单片机，由主控单片机将此反馈信息传送给指定MCXO，以改变被测晶振的压控值，使系统的输出频率达到期望的稳定范围［4］.图2为系统处于测试状态的照片，右下是S＆A4220高低温控制箱.

为了实现同时对多台MCXO的自动测量，本系统设计了一块主控电路板，其核心器件为C8051F060单片机，通过UART接受PC机指令，控制各个MCXO参数测量及测量顺序，并向PC机返回标志值.通信指令以字符形式发送，包括5个字节，依次为操作内容、晶振地址、操作数据、操作数据、验证码.当出现不能识别的指令、总线传输错误、非识别操作码、传输超时、返回值不能识别等错误时，单片机将返回相应错误代码.当接收到有效指令后，主控单片机分解指令，经SMbus并通过3－8译码器74LS138向相应的晶振发送指令；并通过多路开关54LS151A选取对应MCXO连接到频率计测量当前频率.

2 软件实现

系统程序包括三部份：MCXO程序、主控单片机程序和PC机程序.各个程序之间有通信协议，PC机通过发送指令控制系统完成相关的操作，从而实现对MCXO的自动测量.PC机程序用LabVIEW编写，包括控制外围设备模块，测量Uc－T 曲线模块，老化微调以及频率微调模块.它通过3个串口分别控制主控单片机、高低温测试箱和高精密频率计；主控单片机上的程序为一个C语言程序.它主要功能是接收、执行PC机的命令并返回相应的值.MCXO程序为一个汇编语言程序.它主要包括两大部分：工作部分和调试部分.采用汇编语言主要是为了提高定时精确度［5］.程序之间的关系如图3所示.

图1 系统框架图Fig.1 System framework

图2 测试系统Fig.2 Test system

图3 程序框架图Fig.3 Software framework

2.1 控制外围设备模块

系统中的外围设备S＆A4220高低温控制箱和HD2000多通道高分辨率频率计都自带有RS232串口、主控板的设计也配有RS232的接口，很方便通过NI－VISA来实现对仪器的读写功能.NI－VISA为一个可调用函数库，通过调用底层的驱动程序来控制仪器，可实现计算机与仪器之间的I／O控制［6］.图4为 NI－VISA控制温箱的流程图.在控制界面上设有温度设定、到达指定温度时间、当前温度等按键来操作温箱.

图4 NI－VISA控制仪器图Fig.4 NI－VISA instrument control

主控单片机与PC机通信频率为2 400Hz，8位有效位、1位停止位、无效验位.通信指令以字符形式发送，包括5个字节，分别是操作内容、晶振地址、操作数据以及验证码.系统同时对可能出现的传输错误定义了特定的错误代码以及相应的自动处理措施；温箱的RS232通信协议为：波特率9600，无极性，8位有效位，1位停止位.

2.2 测量Uc－T曲线模块

测量Uc－T 曲线是测试系统调试 MCXO的主要任务之一.其工作过程如下：系统首先向温箱发出指令，当温度稳定在指定温度时，测量每个MCXO的频率值.测量结果与设置在PC机内部的MCXO频率标称值相比较，其差值作为反馈，使PC机发送改变补偿电压值指令.如此循环，直到输出频率满足设计精度，再保存此时的补偿电压值［7］，即Uc.

在同一温度下，依次对每个MCXO完成上述过程，并作相应的记录.然后控制温箱到下一个温度点，重复上述测量过程，直到所有设定温度点全部测量完成［8］.图5所示为自动测量系统的工作流程图.图6所示为系统PC机的人机交互画面.

3 结果分析

图5 自动测量系统工作流程图Fig.5 Work flow chart of automatic measuring system

图6 测试系统主控制界面Fig.6 HMI of test system

本文设计的MCXO采用30MHz AT切石英谐振器，自动调试测量系统测量的Uc－T 数据写入MCXO的flash存储器中.MCXO在工作状态下调取这些Uc－T数据进行实时在线温度补偿，提高频率温度稳定性.本文测量了一批基于C8051F061的MCXO，图7为其中一只MCXO样品测试结果.黑色曲线为未经补偿的频率－温度曲线，红色曲线为补偿后的频率－温度曲线.由频率温度稳定度计算公式Δf／f0＝±（fmax－fmin）／2f0，图7所示样品在工作范围内的最大输出频率fmax和最小输出频率fmin分别为30 000 002.86Hz，30 000 000.36Hz，其频率温度稳定度（－40～＋85℃）为±4.1×10－8，优于±7×10－8，满足系统设计精度要求.

图7 样品测试结果Fig.7 Sample test results

4 结束语

介绍的MCXO自动测量系统操作便捷，人机交互界面良好.从系统实时测量过程来看，系统运行稳定，PC机、主控板、MCXO之间的通信有效，高低温箱与频率计工作正常，实现了MCXO的自动测量，运用该系统调试制作的 MCXO频率30MHz，在－40～＋85℃的宽温度范围内，频率温度稳定度达到±7×10－8，符合设计要求.下一步工作是扩充系统规模，增加测试设备，提高测试精度和效率，使系统满足工业化生产需要.

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