论文部分内容阅读
[摘 要]温补石英晶体振荡器（以下简称TCXO）以其功耗低，频率-温度稳定度高等特点被广泛应用于通信、车载导航等设备，关键特性指标频率-温度稳定度、基准频率精度等，在生产过程中需要进行100%测试，如何提高测试的可靠性及效率是设计TCXO测试系统的关键。本文提出了一种TCXO测试电路设计方法，用于实现TCXO产品的测试，可保证产品特性测试可靠性，并且可实现批量生产。
[关键词]温补石英晶体振荡器 频率-温度稳定度
中图分类号：T6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0374-02
l 引言
随着通信电子技术的发展，TCXO在移动通信、微波通信、卫星、GPS、北斗导航、测控等领域的应用越来越广泛，同时对产品指标要求也越来越高，主要体现为小尺寸、低功耗及高频率-温度稳定性。目前SMD TCXO最小已可做到 1.6mm×1.2mm×0.8mm，消耗电流小于1mA（1.8V工作电压）；频率-温度稳定度在整个工作温度范围内要求小于0.5PPM，甚至部分应用要求已低于 0.28PPM，这些变化均给设计TCXO测试系统带来更高的要求，如何准确测量频率-温度稳定度是TCXO产品生产的关键。本文提出了一种TCXO测试电路设计方法，可实现对3.2×2.5mm及2.5×2.0mm的产品进行生产测试，两个产品之间切换只需进行产品工装夹具切换即可，测试精度可达到0.5PPM以下，测试数据可靠性高，可适用于批量生产。
2 TCXO的补偿原理
温补石英晶体振荡器采用AT-CUT石英晶体，晶体的温度特曲线性可以用3次函数表示为等式1。
△f/f=A3（T-T0）3+A1（T-T0）+A0（等式1）
其中A3是三次项系数，A1是一次项系数，A0是温度为T0时晶体振荡器的频率，T0是AT切石英晶体频率温度特性拐点温度，通过采集合适的温度数据，应用最小二乘法拟合计算出晶体表达式A3、A1、A0、T0等参数。
温度补偿的过程就是找到一条和晶体温度特性曲线相反的补偿曲线，通常温度补偿网络内部是通过改变电压使变容管电容产生变化，从而使输出频率按想要的方向改变，关系表达式为等式2。
△f/f=α·△Vc （等式2）
其中α为TCXO的增益倍数，和晶体的pulling特性有关，补偿电路产生的Vc可表示为等式3。
△Vc= B3（T-T0）3+B1（T-T0）+B0（等式3）
其中B3是三次项系数，B1是一次项系数，B0是温度为T0时输出电压，T0是AT切石英晶体频率温度特性拐点温度。采集合适的温度数据，应用最小二乘法同样可计算出B3、B2、B1、B0等参数。
要使温补石英晶体振动器达到补偿的目的，即温补振荡器的输出频率不受温度变化的影响，需要分别找出等式1、等式2、等式3的准确的参数值，要得到准确的参数值，就需要采集到各个测试温度点的频率数据来进行计算，采集数据的准确性将会影响到补偿精度。
因计算方法可通过编程实现，所以TCXO进行温度补偿的关键是采集关键温度点的频率，然后通过计算可得到较好的补偿效果，采用5次函数计算频率温度特性小于0.5PPM。
3 测试电路设计方法
为了适用于量产，本文提出的测试电路设计方法是一种8×8阵列测试电路设计方法，每个行、列交叉点可放置一个TCXO测试工装，共64个测试工位。为了控制每一个测试工位，需要在每个测试工位的频率输出端需配置一个使能控制器件，每行8个工位频率输出经过使能控制器件后进行连接共用一条频率输出线，每列8个工位的使能控制器件共用一条使能信号线，频率输出线和使能信号线均由电子开关控制，需要编写相关的控制端口测试程序配合。当测量第一行与第一列交叉的工位时，端口控制程序需要使第一列使能信号有效，其他列的使能信号无效，即只有第一列8个工位有频率输出，另外，8行频率输出中需要用电子开关选择第一行输出到频率计进行测量。采用此种寻址方法可以控制测量64工位中任意一个工位，并且只需要6条地址控制线即可实现，另外还可以64个工位为一组进行扩展，如使用8条地址控制线便可控制256个测试工位。在实际电路设计中，如果需要对TCXO进行读、写等通信操作，则需要增加更多的地址、数据线。
实际测试中，需要测试很多种类频率产品，频率范围从10MHz到52MHz，随着温补石英晶体振荡器频率的增大，电路中的电磁干扰对频率测试的准确度影响也在增大。从实际测试经验来看，在低频率（10MHz～30MHz）时，电路中的电磁干扰对频率测量精度影响较小，但是当测试高频率（30MHz以上）时会使频率测试准确性变差。为避免频率传输过程中带来的干扰，我们在设计中可采用具有分频功能的使能控制器件，把TCXO输出频率分频后进行传输，可减小传输过程中电路电磁干扰对频率输出信号的影响，提高频率测量的准确性、可靠性。
在本文测试电路设计方法中，采用CD4051、74ALS138、NJU6321等器件进行设计，测试电路设计部分原理图如图3所示，另外在进行PCB Layout时，建议采用至少4层板设计，并考虑电磁干扰及电磁兼容，频率输出线的阻抗控制在50Ω。
4 测试验证
采用本文提出的测试电路设计方法实际生产测试温补石英晶体振荡器，测试效率明显提高，测试精度高于0.1PPM，可用于生产测试频率-温度稳定度要求低于0.5PPM的TCXO。
5 结束语
本文提出的温补石英晶体振荡器测试电路设计方法设计简单，制作成本低，只需配置1台PC及可程控温箱即可实现半自动化生产，并且测试准确度高，可有效的提高生产测试效率，实现TCXO产品批量生产，可在实际生产中推广使用。
参考文献
[1] 赵声衡.石英晶体振荡器[M].长沙：湖南大学出版社，1997.
[2] 吴培才，刘进忙，胡国平.温度补偿晶体振荡器[M].北京：国防工业出版社，1994.
[3] 费雷金ME.杜冰丽，詹汉强译。晶体振荡器设计与温度补偿[M].北京：人民邮电出版社，1985.
[关键词]温补石英晶体振荡器 频率-温度稳定度
中图分类号：T6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0374-02
l 引言
随着通信电子技术的发展，TCXO在移动通信、微波通信、卫星、GPS、北斗导航、测控等领域的应用越来越广泛，同时对产品指标要求也越来越高，主要体现为小尺寸、低功耗及高频率-温度稳定性。目前SMD TCXO最小已可做到 1.6mm×1.2mm×0.8mm，消耗电流小于1mA（1.8V工作电压）；频率-温度稳定度在整个工作温度范围内要求小于0.5PPM，甚至部分应用要求已低于 0.28PPM，这些变化均给设计TCXO测试系统带来更高的要求，如何准确测量频率-温度稳定度是TCXO产品生产的关键。本文提出了一种TCXO测试电路设计方法，可实现对3.2×2.5mm及2.5×2.0mm的产品进行生产测试，两个产品之间切换只需进行产品工装夹具切换即可，测试精度可达到0.5PPM以下，测试数据可靠性高，可适用于批量生产。
2 TCXO的补偿原理
温补石英晶体振荡器采用AT-CUT石英晶体，晶体的温度特曲线性可以用3次函数表示为等式1。
△f/f=A3（T-T0）3+A1（T-T0）+A0（等式1）
其中A3是三次项系数，A1是一次项系数，A0是温度为T0时晶体振荡器的频率，T0是AT切石英晶体频率温度特性拐点温度，通过采集合适的温度数据，应用最小二乘法拟合计算出晶体表达式A3、A1、A0、T0等参数。
温度补偿的过程就是找到一条和晶体温度特性曲线相反的补偿曲线，通常温度补偿网络内部是通过改变电压使变容管电容产生变化，从而使输出频率按想要的方向改变，关系表达式为等式2。
△f/f=α·△Vc （等式2）
其中α为TCXO的增益倍数，和晶体的pulling特性有关，补偿电路产生的Vc可表示为等式3。
△Vc= B3（T-T0）3+B1（T-T0）+B0（等式3）
其中B3是三次项系数，B1是一次项系数，B0是温度为T0时输出电压，T0是AT切石英晶体频率温度特性拐点温度。采集合适的温度数据，应用最小二乘法同样可计算出B3、B2、B1、B0等参数。
要使温补石英晶体振动器达到补偿的目的，即温补振荡器的输出频率不受温度变化的影响，需要分别找出等式1、等式2、等式3的准确的参数值，要得到准确的参数值，就需要采集到各个测试温度点的频率数据来进行计算，采集数据的准确性将会影响到补偿精度。
因计算方法可通过编程实现，所以TCXO进行温度补偿的关键是采集关键温度点的频率，然后通过计算可得到较好的补偿效果，采用5次函数计算频率温度特性小于0.5PPM。
3 测试电路设计方法
为了适用于量产，本文提出的测试电路设计方法是一种8×8阵列测试电路设计方法，每个行、列交叉点可放置一个TCXO测试工装，共64个测试工位。为了控制每一个测试工位，需要在每个测试工位的频率输出端需配置一个使能控制器件，每行8个工位频率输出经过使能控制器件后进行连接共用一条频率输出线，每列8个工位的使能控制器件共用一条使能信号线，频率输出线和使能信号线均由电子开关控制，需要编写相关的控制端口测试程序配合。当测量第一行与第一列交叉的工位时，端口控制程序需要使第一列使能信号有效，其他列的使能信号无效，即只有第一列8个工位有频率输出，另外，8行频率输出中需要用电子开关选择第一行输出到频率计进行测量。采用此种寻址方法可以控制测量64工位中任意一个工位，并且只需要6条地址控制线即可实现，另外还可以64个工位为一组进行扩展，如使用8条地址控制线便可控制256个测试工位。在实际电路设计中，如果需要对TCXO进行读、写等通信操作，则需要增加更多的地址、数据线。
实际测试中，需要测试很多种类频率产品，频率范围从10MHz到52MHz，随着温补石英晶体振荡器频率的增大，电路中的电磁干扰对频率测试的准确度影响也在增大。从实际测试经验来看，在低频率（10MHz～30MHz）时，电路中的电磁干扰对频率测量精度影响较小，但是当测试高频率（30MHz以上）时会使频率测试准确性变差。为避免频率传输过程中带来的干扰，我们在设计中可采用具有分频功能的使能控制器件，把TCXO输出频率分频后进行传输，可减小传输过程中电路电磁干扰对频率输出信号的影响，提高频率测量的准确性、可靠性。
在本文测试电路设计方法中，采用CD4051、74ALS138、NJU6321等器件进行设计，测试电路设计部分原理图如图3所示，另外在进行PCB Layout时，建议采用至少4层板设计，并考虑电磁干扰及电磁兼容，频率输出线的阻抗控制在50Ω。
4 测试验证
采用本文提出的测试电路设计方法实际生产测试温补石英晶体振荡器，测试效率明显提高，测试精度高于0.1PPM，可用于生产测试频率-温度稳定度要求低于0.5PPM的TCXO。
5 结束语
本文提出的温补石英晶体振荡器测试电路设计方法设计简单，制作成本低，只需配置1台PC及可程控温箱即可实现半自动化生产，并且测试准确度高，可有效的提高生产测试效率，实现TCXO产品批量生产，可在实际生产中推广使用。
参考文献
[1] 赵声衡.石英晶体振荡器[M].长沙：湖南大学出版社，1997.
[2] 吴培才，刘进忙，胡国平.温度补偿晶体振荡器[M].北京：国防工业出版社，1994.
[3] 费雷金ME.杜冰丽，詹汉强译。晶体振荡器设计与温度补偿[M].北京：人民邮电出版社，1985.