基于LabView的晶体振荡器测试系统

秦鲁东，吴加明，杨晓宏，李光灿

（1.贵州大学 电子信息学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州航天计量测试技术研究所 贵州 贵阳 550025）

石英晶体振荡器是一种用于稳定频率和选择频率的重要电子元件，也简称为“晶振”[1]。由于石英晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、具有很高的频率稳定性和良好的温度特性，因此被广泛应用于通信、广播、导航、电子对抗及精密测量仪器中。目前，大多数测试人员对晶体振荡器的测量还采用手工测试。无论在初测、老化测试还是终测中，测试人员需要先连接好测试电路，然后将晶体振荡器放入夹具，打开稳压电源并不断地调整示波器显示的波形，在各项指标都满足后开始从频率计中读取数据并手工记录。有时为了得到稳定精确的数据，还要等待一段时间再读数，可见操作步骤十分繁琐，并且容易造成人为误差[2-3]。为了简化测试工作，提高工作效率及提高测试数据的可靠性，本文介绍的是一种在LabView虚拟仪器平台上开发的晶体振荡器测试系统，该系统可以实现自动协调测量仪器，自动数据采集并处理，自动生成电子表格等功能，具有高度的灵活性、可靠性及可操作性。

1 系统总体概述

该系统是在LabView虚拟仪器平台上开发的晶体振荡器测试系统，它可以测量晶体振荡器的输出频率、高电平、低电平、上升时间和下降时间，可以观测输出波形并计算频率精度。它还可以自动记录数据，具有友好的人机操作界面。

系统将各个测试仪器连接在一起，通过PC端下达指令来操控各个部分协调工作，该系统的工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程图Fig.1 System implementation work flow chart

2 设计方案

该设计由两部分组成，即硬件部分和软件部分。硬件部分主要由具有程控功能的直流稳压电源、示波器、频率计构成，软件部分则为在LabView平台上开发的控制程序及操作界面。下面将对各部分进行详细说明。

2.1 硬件工作原理

该系统利用计算机通过GPIB标准串行接口连接Agilent 6054A示波器、Agilent 3031A稳压电源和 Pendulum CNT90频率计，控制每个设备工作并从中读取数据。系统硬件连接图如图2所示。

图2 系统硬件连接图Fig.2 Connection diagram of the system hardware

晶体振荡器则放在专用夹具上，这里以表面贴装晶体振荡器为例，夹具引脚图如图3所示，1号引脚为空引脚，作为参考点，2号引脚为接地引脚，3号引脚为输出引脚，连接示波器和频率计，4号引脚为供电引脚，接稳压电源。

图3 夹具引脚示意图Fig.3 Fixture pin schematic

2.2 软件设计

本设计的软件部分主要基于NI公司的LabView平台开发的，LabView是通过图形编译（Graphics，G）语言来编写程序的，程序类似流程图，这为编程人员提供了一个直观的编程环境。它可以充分发挥计算机的能力，具有强大的数据处理功能，用户可以根据自己的需要来创造并模拟出各种仪器[4-5]。

在LabVIEW中，VISA称为虚拟仪器软件体系结构（Virtual Instrument Software Architecture） ， 作为LabVIEW 程序中驱动程序间相互通信的底层功能模块，可以连接不同标准的I/O设备，是一个用来在串口通信设备、VXI设备、GPIB设备以及其它基于计算机设备之间通信的函数库[6]。在本次设计中，所选用的三种型号的仪器在LabView中的Instrument Drivers选项卡中都可以安装已经开发好的驱动模块，这样就简化了驱动开发的过程。

2.2.1 图形功能界面设计

利用LabVIEW的图形操作界面设计功能，为该系统设计了一个友好的人机操作界面，如图4所示。

图4 图形操作界面Fig.4 Graphical user interface

1）参数设置部分，其中包括：频率精度判限、重测频率精度判限、电源电压、钳位电流、标称频率。其中频率精度判限用来判断频率精度是否超出范围；电源电压是设置晶体振荡器的供电电压；钳位电流是限制最大电流的参数；标称频率为晶体振荡器的标准频率。

2）路径设置，为数据存储提供存储位置。

3）波形示意图，可读取示波器信号，供测试人员分析波形。

4）输出结果部分，该部分包括：测试频率、最高电平、最低电平、上升时间和下降时间。可扩展其他数据结果。

5）控制部分，该部分包含两个按钮，“测试”和“重测”，还有一个超范围指示灯，用来提醒是否超出范围，由测试人员决定是否进行重测。

6）数据记录窗口。在该窗口中，会横向显示每个晶振的五种测试数据，在第一列会为每次测量的晶振自动编号，重测不计入其中，方便测试人员核对数量。

2.2.2 DC稳压电源控制模块

在该设计中，分别为DC稳压电源、示波器、频率计设计了3个控制模块的子VI，用来单独调用。其中电源控制模块的程序如图5所示。电源模块只需要输入两个参数，分别是“电源输出电压”和“钳位电流”。从程序中可以看到，安装的驱动中已经集成了驱动和设置的模块，例如 “HPE363Xa Initialize.vi”，“HPE363Xa close.vi”，“HPE3631a getting started.vi”等，这些模块可以在程序中直接调用，只需设置所需的参数即可。如果模块中没有预留所需功能的连线端，只需重新引出即可，极大地简化了开发的过程，其他设备的编程也类似。

图5 稳压电源控制模块程序Fig.5 Power supply control module program

2.2.3 示波器控制模块

示波器控制部分的程序如图6所示。这里调用的模块主要有：“ag6000a Initialize.vi”，用于初始化设备的各种参数；“ag6000a Autosetup.vi”，用于将示波器设置为自动读取模式；“ag6000a Read Single Waveform.vi”， 用于读取示波器采集到的波形；“ag6000a Read Waveform Measurement.vi”，用于读取波形中所包含的数据。该部分主要功能是控制示波器输出“最高电平”、“最低电平”、“上升时间”和“下降时间”4种参数并读取示波器的波形。在这里也设置了超时参数，如果5秒内没有控制信号传输进来，程序将由于超时自动终止。

图6 示波器控制模块程序Fig.6 Oscilloscope control module program

2.2.4 频率计控制模块

频率计控制部分的程序设置如图7所示。图中用到的模块的功能与上一部分类似，其中“pecnt90 Configure Measurement.vi”模块可以设置仪器测量时的各种参数，在测试类型一项应该选择“频率（Frequency）”，该模块也可修改采样时间等参数。该部分的主要功能是控制频率计采集晶体振荡器的频率并将其输出。同样地，这里也设置了5秒超时功能。

图7 频率计控制模块程序Fig.7 Frequency meter control module program

由于系统在为晶体振荡器加电时，电压瞬间达到设定值，为了避免瞬间电压不稳定对测试结果造成影响，特别在这里添加了延时1秒读数的设计，使系统在晶体振荡器稳定工作后，才开始读数。延时部分程序如图8所示。

图8 频率计延时程序Fig.8 Frequency meter delay program

3 实际测试与数据分析

为了验证系统测试的可靠性，进行了大量的实际测试。通过实际测试，对系统做出了诸多改进。该系统具有如下优点：

1）速度快

在实际测试中，我们对比了手动测试和系统自动测试所花费的时间。正常情况下，手动测试1个晶体振荡器平均需要1分钟，在进行批量测试时，必然会耗费大量时间和精力。而使用该系统进行测试，平均测试一个晶体振荡器的时间为5秒，节省了90%的时间，这是因为自动测试节省了人工观察、记录示波器数据和等待频率计读数稳定的时间，也节省了计算数据的时间。

2）精度高

人工测试时，由于测试频率一直在细微地变化，导致测试人员在记录数据时晶体振荡器的各项数据已经发生变化，这就使得各项测试结果不匹配，导致计算时产生误差。而该系统由于使用计算机控制，各个设备协调工作，处理速度非常快，读数准确，不会出现上述情况，这就大大提升了测试的精度。此外该系统计算的数据精确度非常高，读数精确到小数点后六位，实际测试中，例如计算频率精度，计算公式为：

计算结果的单位为ppm，由公式可知，该计算结果精确到百万分之一。在手工测试的条件下，例如一种精度要求在1 ppm以内的晶体振荡器，通常计算结果为20 ppm以上，计算准确性非常低，而该系统计算结果全部在要求范围内。测试结果如表1所示。

表1 频率精度测试结果Tab.1 Test results of frequency accuracy

3）可靠性强

为了检验可靠性，我们特别对同一批晶体振荡器进行了10次测试，每次测试间隔10分钟以上，实验结果表明，每次试验结果的偏差都不超过0.00001%。此外，使用该系统连续测试200个已检验合格的晶体振荡器，并保持系统持续工作5小时，没有发现任何异常，可见该系统的可靠性非常强。

4 结束语

晶体振荡器的测试技术在电子工业领域是非常实用的。传统的手工测试、人工记录已经满足不了更高的生产效率。该系统可以很好地解决这一问题，并具备高精度、高速度等特点，可以满足正常的测量需求，达到了自动化测试的目的。该系统也具备一定的扩展性，例如可以连接多个测试通道，让系统自动切换通道进行测试等。本文对其他自动化测试系统的开发也具有一定参考价值。

[1]赵声衡，赵英.晶体振荡器[M].北京:科学出版社，2008.

[2]宋敏，王航宇.石英晶体振荡器性能参数测试系统研究[J].电子设计工程，2013，21（11）:172-174.SONG Min，WANG Hang-yu.Research of measuring system of quartz crystal oscillator performance parameters[J].Electronic Design Engineering，2013，21（11）:172-174.

[3]蔡青，朱根富，余国瑞.晶体振荡器自动测量系统设计与实现[J].上海计量测试，2004（5）:43-45.CAI Qing，ZHU Gen-fu，YU Guo-rui.The design and implementation crystal oscillator automatic measurement system[J].Shanghai Measurement and Testing，2004（5）:43-45.

[4]WANG Zhong-yuan，SHANG Yong-heng，LIU Jia-rui，et al.A LabVIEW based automatic test system for sieving chips[J].Measurement，2013，46（1）:402-410.

[5]孟武胜，朱剑波，黄鸿，等.基于LabVIEW数据采集系统的设计[J].电子测量技术，2008，31（11）:63-65.MENG Wu-sheng，ZHU Jian-bo，HUANG Hong，et al.Data acquisition system based on LabVIEW[J].Electronic Measurement Technology，2008，31（11）:63-65.

[6]李涛，雷万忠.基于LabVIEW的数据采集系统研究[J].工矿自动化，2010（11）:122-124.LI Tao，LEI Wan-zhong.Research of data acquisition system based on LabVIEW[J].Industry and Mine Automation，2010（11）:122-124.