石英晶体振荡器性能参数测试系统研究

宋 敏，王航宇

（1.西安飞机国际航空制造股份有限公司 计量处，陕西 西安710089；2.西安航空职业技术学院 电子工程学院， 陕西 西安710089）

石英晶体振荡器简称为晶振，晶体振荡器又分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。由于石英谐振器具有体积小、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，素有无线电设备的心脏之称。石英晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性，它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽，器件的价格亦愈高。晶体老化是造成频率变化的又一重要因素。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化，也就是说在产品使用的第一年，这种现象才最为显著。与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动。因此在使用中对石英晶体振荡器性能参数的测试就显得特别重要[1]。

1 石英晶体振荡器性能参数的人工测试方法

石英晶体振荡器具有很高的频率稳定特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,素有无线电通信设备的心脏之称。所以,对石英晶体振荡器性能参数的测试显得特别重要。根据国家的检定规程要求，石英晶体振荡器性能参数的计量检定工作包括要对频率开机特性（开机1小时后，每隔1小时测量一次，连续测量8小时）；频率日波动（经说明书规定的预热时间后，每隔1小时测量一次，连续测量24小时）、频率稳定度、频率重现性、频率准确度、频率老化率（经说明书规定的预热时间后，每隔12小时测量一次，连续测量7天）进行测试以及画出开机特性、日波动、老化率的曲线，记录原始数据、计算检定结果和处理检定证书。在实际工作中由于要对被测件连续检测1～15天，计量工作人员一般都要轮流值班，一面要记录数据，一面还要操作仪器，人工切换测试探头，这样容易造成人为误差，且长期测试，容易出错，工作起来相当繁琐，并且在日后对数据和证书的保存、管理及查询都显得特别麻烦。在大规模的生产中，减轻批量多种晶振测试过程中繁琐的人工劳动，对提高生产效率和提高我国晶振生产的整体水平有十分重要的作用[2]。

目前频率计量只开展了 1 MHz、2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz这几个频率点的计量测试工作。随着科学技术的日益发展，现在需要测试的频率点越来越多，例如通信用晶体振荡器的频率点有16.384 MHz等，雷达用晶体振荡器的频率点有100 MHz等等非整数点频率。虽然计量检定规程中并没有要求一定要计量检定这些频率点，但是实际工作中又需要测试这些频率。因此，利用现有的测试条件怎样测试这样的频率就显得尤其重要了。

目前全国的计量单位在开展计量检定工作时，选择的计量标准时一般以铯原子频率标准，铷原子频率标准，石英频率标准为主。以铯原子频率标准HP5071A为例，其主要技术指标为短期稳定度：≤1.5E-11/1S，≤5E-12/10S，准确度为≤1.0E-12。根据国家的检定规程要求，被测频率精度比标准精度要低3倍。也就是说测试仪器的测试精度能达到上述要求就可以满足绝大多数单位的计量测试要求。国家检定规程中允许通过计数器直接测频法来测量频率开机特性，频率日波动，频率稳定度，频率重现性，频率准确度，频率老化率等指标。但以前由于受到计数器显示位数的限制 （早期最好的通用计数器的显示位数也只有10位/秒），无法测量频率准确度优于3E-10、短期稳定度优于5E-10/1S的频率信号。国内生产频率计量设备的厂家为提高测量精度而开发了误差倍增器[3]，通过使用误差倍增器可以使短期稳定度的测量精度达到1E-12/1秒，准确度的测量精度达到1E-12/10秒。使通用计数器在计量检定工作中变成了一种与误差倍增器相辅助配套的设备。但由于使用了误差倍增器后使许多非整点频率和低精度频率信号无法进行自动化测量，而且大多数的计量检定工作并不需要测量如此高的精度，使大多数单位的通用计数器不能充分发挥其应有的作用。因此，建立一套石英晶体振荡器性能参数自动测试系统对减轻晶振测试过程中繁琐的人工劳动，对提高工作效率和提高测试精度有十分重要的作用。

2 自动测试系统工作原理

本测试系统由铷原子频率标准PO200B—GPS提供参考10MHz标准信号，使Agilent5313XA内时基的频率精度锁定在铷原子频率标准上，Agilent5313XA是一台有12位显示的通用计数器，在10 MHz时频率准确度分辨率达1E-11/1s，完全可以满足二级频率计量标准的要求。被测信号的频率值通过Agilent5313XA的GP—IB接口传递到计算机，利用本测试软件实行对晶体振荡器的各项性能参数进行自动测试，并按照国家检定规程要求计算测量结果，可画出开机特性，日波动，老化率曲线图，自动生成原始记录及检定证书，显示并打印。连结上可程控频标切换器HT2001后可对1—16台仪器内石英晶体振荡器实现全自动测试。在测试过程中，被测仪器的电源由频标切换器HT2001控制，按照检定规程的要求自动切断和接通[4]。

3 硬件结构

本测试系统利用现有设备,包括铷原子频率标准PO200B-GPS，通用计数器Agilent5313XA，频标切换器HT2001，HP82357A,IEEE488接口卡，计算机，打印机等。将铷原子频率标准PO200B-GPS的10 MHz输出信号连结到通用计数器HP5313X的外接频标输入接口上，将IEEE488接口卡HP82357A的一端固定到通用计数器Agilent5313XA的GP-IB接口上，另一端插入计算机的USB接口。将USB连接线的一端固定在频标切换器HT2001的接口上，另一端固定在计算机的USB接口上[5]。

测试系统硬件结构图如图1所示。

图1 测试系统硬件结构图Fig.1 Test system hardware structure chart

PO200B-GPS铷原子频率标准在国内属于精度较高，稳定性很可靠的一种频率基准，其准确度优于1×10-10（开机1小时后）。开启 GPS信号锁定 1小时后，优于 5×10-12。Agilent5313XA通用计数器作为一种高精度时畴参数测量仪器，利用频差倍增技术原理，可以对高精度的频率标准的准确度，长短期频率稳定度进行快速测量。HT2001频标切换器，用于多路信号的转换，它备有控制接口，由外部控制实现信号的选择、转换,用作测试系统的信号自动转换部件。

4 软件设计

通电启动程序运行后，先等待键盘输入，先输入被测件信息及需要测试的项目，再输入的是所需测试的台数n。其程序流程图如图2所示。

图2 软件流程图Fig.2 Software flow chart

5 测试系统的功能

本系统不但实现简单的用户管理，管理员可以删除、修改、新增用户；实验室工作人员可将经常接触的委托检定方，存于系统中，提供修改、新增、删除等功能。并可以进行完整测试的历史查询，提供详细的测试，包括测试指标等[6]。

主要功能是可以进行多种测试类型：分自动测试和快捷测试，自动测试和自定义测试任意选择。自动测试，根据被检设备的类型分电子仪器内石英晶振、铷原子频率标准、石英晶振，3种类型频率振荡器的检定，以上3种频率源分别遵循《JJG 180-2002电子仪器内石英晶体振荡器》检定规程、《JJG 292-2009铷原子频率标准》检定规程、《JJG 181-2005石英晶体频率》检定规程；测试配合HT2001标频切换器，可实现在检定电子仪器内石英晶振和石英晶振时16路同时测试，铷原子频率标准10路同时测试。各种测试在数据采集和数据计算算法上完全遵循以上检规，检测完毕后，自动生成Office Word格式的报表。被测仪器的电源可由HT2001控制，即使是测试重现性，也可做到了无人看守，真正做到了减轻测试人员的工作压力。根据所选的测试项，出具检测结果，如：开机特性、日波动、稳定度、重现性等等。

具有快捷测试，分频率测试和时差测试。

频率测试，对测试时间不做限制，设置闸门时间、标称频率、Agilent5313XA通道1参数后，就可以进行测试，通过暂停测试可以实时给出测试过程中的数据给出测试结果，如：开机特性、日波动、准确度、短期稳定度，所查看的数据范围可任意选择。

时差测试，对测试时间不做限制，需要对通道1和通道2的参数进行设置，外加定时开关机功能，然后进入测试，可同时测控16路通道，实现16个仪器的同时检测。通过暂停测试可以实时给出测试过程中的数据给出测试结果，如：准确度，所查看的数据范围可任意选择。

6 结束语

本测试系统采用计算机控制技术，利用铷原子频率标准PO200B-GPS为基准，高精度数字频率计采集石英晶体振荡器的测试参数，操作简单，使用方便，提高了测试精度，减少了测试人员的劳动强度，启动后可以无需测试人员看管，并可根据实际情况随时停止测试，尤其适用于多台测试校准的需要，具有广泛的社会效益和经济效益。

[1]赵声衡.石英晶体振荡器[M].湖南:湖南大学出版社，1997.

[2]徐伟.低相位噪声石英晶体振荡器设计[D].成都：电子科技大学，2007.

[3]费元春.固态倍频[M].北京：高等教育出版社，1985.

[4]Nève A，Schettler H.Powerdelay product minimization in high-performance 64-bit carry-select adders[J].IEEE Trans.Very Large Scale Integrition Systems，2004，12（3）:235-244.

[5]刘乐善.微机接口技术原理及应用[M].湖北：华中理工大学出版社，2011.

[6]Nève A，Schettler H，Ludwig T，et al.Powerdelay product minimization in high-performance 64-bit carry-select adders[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI）Systems，2004，12（3）:235-244.