OCXO 生产测试供电系统设计

文/韩文博

1 概述

OCXO 是一种利用控温电路将晶体谐振器的温度保持恒定，从而保持输出频率稳定的时频器件。OCXO 工作时会产生较大电流保持温槽温度恒定，所以OCXO 供电系统需要长时间保持较大功率工作，供电系统故障时有发生。在OCXO 大批量生产过程中，每套供电系统同时为上千只OCXO 供电，供电系统故障会导致大批OCXO 测试异常，严重影响生产效率，若电压异常升高甚至会烧毁OCXO。如何在供电系统发生故障时及时地切断供电电源，是OCXO 生产测试工作的重中之重。

本文所设计的OCXO 生产测试供电系统具有测量供电电压、设定供电电压、供电电压异常断电示警、设定示警电压阈值以及软/硬件复位等功能，目前该系统已应用于OCXO的生产测试工作中，应用至今安全可靠，保证大批量生产的顺利进行。

2 系统结构功能设计

2.1 系统结构设计

OCXO 生产测试供电系统由计算机软件系统和以微型控制单元为核心的硬件系统两大部分构成，系统详细结构框架见图1。

图1：供电系统结构框架图

操作人员通过个人计算机（Personal Computer，简称PC）软件界面查看并控制整个系统，PC 以串口通信方式向微型控制单元（Microcontroller Unit，简称MCU）发送指令，MCU 接收PC 指令后控制数模转换模块、电压比较模块与程控电源模块实现相应功能。

2.2 系统功能设计

（1）供电电压测量：PC 软件界面选择需要测量的程控开关电源编号，测量指定程控开关电源的输出电压值。

图2：供电保护系统结构框架图

图3：DAC 内部结构

图4：电阻串结构

图5：电压比较模块结构图

图6：程控电源模块结构图

（2）供电电压设定：PC 软件界面选择需要设置的程控开关电源编号，输入设定电压值，设定指定程控开关电源的输出电压值。

（3）示警电压阈值设定：PC 软件界面输入示警上限电压值与下限电压值。

（4）供电电压异常断电示警：当程控开关电源输出电压值超出阈值范围时，系统切断OCXO 供电，MCU 向PC 发送异常程控开关电源编号，PC 接收信息并在软件界面显示异常程控开关电源编号，随后测量异常程控开关电源输出电压，并将示警时间、异常程控开关电源编号与异常电压值记录在文件中，并鸣笛提示操作人员。

（5）软/硬件复位：供电电压异常断电示警后，操作人员根据PC 软件界面显示的程控开关电源编号对异常程控开关电源进行维修或更换，按下硬件控制板或PC 软件界面上的复位按钮，测量维修或更换后的程控开关电源的输出电压，若测量电压值处于阈值电压范围内则恢复供电，若超出范围则再次示警。

（6）冲击测试：系统根据操作人员输入的供电电压、加断电时间与冲击次数，自动调节示警上限电压与下限电压与复位来实现OCXO 加断电冲击测试。

3 系统硬件设计

供电保护系统硬件设计包括MCU、数模转换模块、电压比较模块与程控电源模块四部分组成，其系统结构框架见图2。

其中，数模转换器与模数转换器构成数模转换模块，电压比较电路、复位电路与栓锁电路构成电压比较模块，程控开关电源与金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简 称MOSFET）构成程控电源模块。

3.1 微型计算单元

供电系统MCU 主要作用是接收PC 指令，根据指令控制数模转换模块、电压比较模块与程控电源模块将PC 数字指令信号转换为模拟信号。MCU 通过集成电路总线（Inter Integrated Circuit，简称IIC）与模数/数模转换器通信来完成测量/设定程控开关电源的输出电压值，与数模转换器通信为电压比较电路设定示警电压阈值，通过复位电路解锁栓锁电路。

3.2 数模转换模块

数模转换模块由数模转换器与模数转换器组成，其中数模转换器采用16 位DAC，模数转换器采用MCU 内部12 位ADC 模块。

供电系统共需要三个数模转换器分别用来设定程控开关电源输出电压值、示警电压上限与示警电压下限。

DAC 内部分为寄存器、电阻串与输出放大器三部分（见图3），寄存器用于设定DAC 输出值与工作模式，DAC 根据寄存器中写入的设定值选择导通相应开关并经放大器输出（见图4）。DAC 最终输出值为VOUT=VREF×D/216，其中VREF为DAC 参考端电压，一般接DAC 供电，D 为写入DAC 寄存器的设定值。

MCU 内部12 位ADC 配备8 个可单独配置的外部输入通道，具有4 种转换模式、16个转换结果存储寄存器以及可选内部正负基准等功能。供电系统采用单通道单次转换模式，每16 次转换取平均值作为转换结果，内部正基准选择MCU 供电电压，负基准选择地，根据VCC×A/(212-1)计算得出测量电压值，其中VCC为MCU 供电电压，A 为ADC 转换结果平均值。

3.3 电压比较模块

双比较器构成的电压比较电路，NPN 型三极管与PNP 型三极管构成的栓锁电路，NPN 型三极管与按钮开关构成的复位电路共同组成电压比较模块，其详细结构见图5。

当程控开关电源超出示警电压上下限范围时，比较器置位PNP 型三极管集电极，此时栓锁电路自动启动、锁死并切断OCXO供电，同时MCU 检测到PNP 型三极管集电极上升沿触发外部中断，立即向PC 发送示警信息。待程控开关电源故障问题解决，按下按钮开关，MCU 接收到上升沿触发外部中断，测量程控开关电源电压，若电压正常MCU 置位NPN型三极管基极，解锁栓锁电路，OCXO 恢复供电，并与PC 通信解除示警状态；若电压异常则继续维持示警与锁定状态。

3.4 程控电源模块

程控电源模块由程控开关电源与大功率MOS 管组成（见图6），MCU 根据PC 指令通过DAC 调节程控开关电源输出电压，通过ADC 测量程控开关电源电压。当程控开关输出电源电压异常时，电压比较模块通过控制大功率MOS 管的截止切断OCXO 供电。

4 系统软件设计

4.1 PC软件程序设计

OCXO 生产测试供电系统软件使用VisualStudio2010 开发，编程语言采用C#，包含示警上、下限电压设定、程控开关电源电压设定、异常程控开关电源电压编号显示、测量显示指定程控开关电源电压并保存测试数据等功能，PC 软件界面截图见图7。

4.2 MCU软件程序设计

MCU 软件程序设计使用IAR 开发，编程语言采用C 语言，流程图见图8。

5 结语

本文所提出的系统不仅为大批量OCXO生产测试提供稳定可靠的供电，还具有供电电压异常断电示警功能，保证了OCXO 测试的安全性与连续性；支持OCXO 供电电压设定，扩展了生产测试兼容性；测量供电电压并生成OCXO 供电测试记录，有助于实时把控分析生产测试过程；OCXO 定时加断电冲击测试，可以验证OCXO 可靠性。

目前OCXO 生产测试供电系统协同OCXO 老化测试系统、OCXO 温度特性测试系统与OCXO 多功能测试系统，累计辅助生产测试OCXO 数百万只，系统运行稳定可靠，保证了OCXO 大批量生产的顺利进行。

图7：PC 软件界面

图8：MCU 程序流程图