Установка термокомпенсации кварцевых генераторов Российский патент 2019 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к приборостроению, измерительной технике и может быть использовано в автоматизированном производстве термокомпенсированных кварцевых генераторов (далее по тексту КГ) в процессе их изготовления на операциях индивидуальной настройки и окончательного тестирования.

Основными функциями установки термокомпенсации являются: обеспечение напряжений питания КГ, обеспечение заданных температур КГ, программирование КГ, измерение выходной частоты КГ, измерение характеристик термокомпенсации и расчет настроечных коэффициентов КГ.

Одной из главных характеристик установки термокомпенсации является время цикла термокомпенсации, которое определяет производительность установки, а именно количество получаемых настроенных КГ за единицу рабочего времени.

Наиболее затратными по времени операциями при настройке КГ являются программирование и измерение их частоты. Ввиду большого количества загружаемых КГ, до 512 штук, и большого количества операций программирования и измерения частоты, до десяти тысяч раз, производительность установки до 80% зависит от времени выполнения данных операций.

Известна установка термокомпенсации, содержащая температурную камеру, шасси для тестовых плат, тестовые платы, блок питания тестовых плат, блок формирования и измерения напряжений, аналоговые коммутаторы, блок программирования, компьютер (см. модель 2212 фирмы PRA Inc.).

Кроме того, известная установка содержит блок питания КГ, высокочастотные коммутаторы, частотомер с встроенным стандартом частоты, осциллограф, при этом тестовые платы соответствуют видам микросхем термокомпенсации КГ, а на тестовых платах расположены контактные устройства, соответствующе корпусам КГ.

К недостаткам известной установки можно отнести следующее:

1. Последовательное измерение частоты КГ занимает значительное время (суммарно для 512 КГ до 8,5 минут). Измерение частоты и параметров сигнала КГ производят последовательно с помощью частотомера и осциллографа, при этом сигнал нужного КГ выбирают с помощью высокочастотных коммутаторов.

2. Подключение всех КГ к одной питающей шине влечет за собой появление перекрестных взаимодействий между КГ по данной шине.

3. Отсутствует возможность отключения неисправного КГ, что приводит к необходимости остановки процесса термокомпенсации.

4. Отсутствует возможность контроля напряжений, фактически поданных на КГ.

5. Высокая сложность установки, связанная с большим количеством тестовых плат для каждого типа микросхем термокомпенсированных КГ и для каждого размера корпуса КГ, поскольку контактирующие устройства установлены непосредственно на тестовые платы.

Известна установка термокомпенсации, содержащая температурную камеру, шасси для тестовых плат, тестовые платы, блок питания тестовых плат, адаптеры кварцевых генераторов, блок формирования и измерения напряжений, аналоговые коммутаторы, блок программирования, компьютер (см. модель DC100N фирмы Daewon Precision Co. Ltd.).

Известная установка содержит также блок питания КГ, высокочастотные коммутаторы, частотомер с встроенным стандартом частоты, при этом тестовые платы соответствуют одному виду микросхем термокомпенсации КГ, на тестовых платах расположены технологические разъемы для адаптеров КГ, на которых размещены контактные устройства, соответствующе корпусам КГ.

К недостаткам известной установки можно отнести следующее:

1. Последовательное измерение частоты КГ занимает значительное время (суммарно для 512 КГ до 8,5 минут). Измерение частоты сигнала КГ производят последовательно с помощью частотомера, при этом сигнал нужного КГ выбирают с помощью высокочастотных коммутаторов.

1. Подключение всех КГ к одной питающей шине влечет за собой появление перекрестных взаимодействий между КГ по данной шине.

2. Отсутствует возможность определения и отключения неисправного КГ.

3. Отсутствует возможность контроля напряжений, фактически поданных на КГ.

4. Тестовые платы предназначены для работы только с одним видом микросхем термокомпенсированных КГ, что существенно ограничивает область применения установки.

Известна установка термокомпенсации, принятая в качестве прототипа, содержащая температурную камеру, шасси для тестовых плат, тестовые платы, блок питания тестовых плат, блок формирования и измерения напряжений, аналоговые коммутаторы, блок программирования, компьютер (см. модель W-2810 фирмы Saunders & Associates LLC).

Кроме того, известная установка содержит блок питания КГ, цифровые мультиплексоры, высокочастотные коммутаторы, частотомер с встроенным стандартом частоты, при этом тестовые платы соответствуют видам микросхем термокомпенсации КГ, а на тестовых платах расположены контактные устройства, соответствующе корпусам КГ.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

1. Последовательное измерение частоты КГ занимает значительное время (суммарно для 512 КГ до 8,5 минут). Измерение частоты сигнала КГ производят последовательно с помощью частотомера, при этом сигнал нужного КГ выбирают с помощью высокочастотных коммутаторов.

2. Ограниченность в возможностях реализации алгоритмов термокомпенсации. Поскольку блок программирования размещен в управляющем компьютере, и подключен к КГ с помощью цифровых мультиплексоров, программирование КГ осуществляют последовательно, а после отключения программирующих линий КГ находится в неконтролируемом состоянии. Выход КГ на режим после повторного подключения может занимать до 10 секунд.

3. Подключение всех КГ к одной питающей шине влечет за собой появление перекрестных взаимодействий между КГ по данной шине. Практика эксплуатации данных установок показала наличие перекрестного взаимодействия при частоте КГ более 50 МГц.

4. Отключение питания неисправных КГ производят с помощью самовосстанавливающихся предохранителей, основанных на саморазогреве, что ненадежно при эксплуатации в рабочем объеме термокамеры в широком диапазоне температур.

5. Отсутствует возможность отключения управляющего напряжения от неисправного КГ, что приводит к необходимости остановки процесса термокомпенсации.

6. Отсутствует возможность контроля напряжений, фактически поданных на КГ.

7. Высокая сложность установки, связанная с большим количеством тестовых плат для каждого типа микросхем термокомпенсированных КГ и для каждого размера корпуса КГ, поскольку контактирующие устройства установлены непосредственно на тестовые платы.

Технической задачей и результатом предлагаемой установки термокомпенсации является повышение производительности за счет применения многоканального цифрового частотомера, установленного на тестовых платах, и блока программирования, обеспечивающего одновременное программирование КГ, упрощение конструкции за счет использования универсальных тестовых плат для всех типов микросхем термокомпенсации КГ совместно со сменными адаптерами для различных корпусов КГ и различных типов микросхем термокомпенсации КГ, повышение точности установки напряжения питания КГ и надежности процесса термокомпенсации за счет применения индивидуальных формирователей напряжения питания, напряжения управления и напряжения термокомпенсации КГ с возможностью обнаружения и отключения неисправных КГ.

Техническая задача решается тем, что установка термокомпенсации кварцевых генераторов содержит управляющий компьютер, стандарт частоты, блок питания тестовых плат, температурную камеру, шасси для тестовых плат, тестовые платы, блок программирования, адаптеры кварцевых генераторов, соответствующие корпусу кварцевых генераторов, при этом тестовые платы содержат многоканальный цифровой частотомер, обеспечивающий возможность одновременного измерения частоты всех кварцевых генераторов, блок программирования подключен к каждому кварцевому генератору независимо и обеспечивает возможность одновременного программирования всех кварцевых генераторов, для генерации напряжения питания, напряжения управления и напряжения термокомпенсации кварцевых генераторов в тестовых платах использованы индивидуальные формирователи напряжений, питаемые блоком питания тестовых плат, при этом тестовые платы снабжены технологическим разъемом для подключения различных адаптеров кварцевых генераторов, соответствующих типу интегральной микросхемы термокомпенсации и корпусу кварцевого генератора, и содержат блок формирования и измерения напряжений и аналоговые коммутаторы для обеспечения возможности контроля за фактически поданными напряжениями и отключения неисправных кварцевых генераторов в случае их обнаружения без оказания влияния на процесс настройки остальных кварцевых генераторов.

Измерение частоты сигналов всех КГ производят одновременно с помощью многоканального цифрового частотомера, размещенного на тестовых платах. Время измерения не зависит от количества КГ и составляет не более 1 секунды, что позволяет существенно сократить время цикла термокомпенсации КГ и повысить производительность установки.

Цифровые линии программирования каждого КГ подключены к блоку программирования независимо друг от друга, что обеспечивает возможность одновременного программирования всех КГ и позволяет повысить производительность установки за счет сокращения времени программирования и за счет отсутствия возможных потерь времени при переключении режимов программирования КГ.

В предлагаемой установке использованы универсальные тестовые платы, имеющие возможность работы со всеми типами микросхем термокомпенсации КГ, и адаптеры КГ, предназначенные для определенного вида микросхемы термокомпенсации КГ и корпуса КГ. Для переналадки установки на работу с КГ в другом корпусе или с другим типом микросхемы термокомпенсации не требуется замена тестовых плат, являющихся сложным техническим узлом, а необходима лишь замена адаптеров КГ.

Возможность применения универсальных тестовых плат достигнута путем размещения на тестовой плате технологического разъема, содержащего минимальный набор сигналов, достаточный для подключения КГ с любым типом микросхемы термокомпенсации поскольку, несмотря на существенные различия в схемотехнических решениях, микросхемы термокомпенсации имеют схожий принцип действия.

Адаптер КГ содержит технологический разъем, контактное устройство для КГ и печатную плату с элементами, на которой производят коммутацию сигналов характерным для выбранного вида КГ способом.

Формирование напряжений питания, управления и термокомпенсации КГ производят непосредственно на тестовой плате с помощью индивидуальных формирователей для каждого КГ, питаемых от блока питания тестовых плат. Формирование уставок напряжений и контроль фактических значений напряжений, поданных на КГ, производит блок формирования и измерения напряжений. Выбор напряжения для контроля производят с помощью аналоговых коммутаторов. Данное решение гарантирует корректность создаваемых для исправного КГ условий работы и позволяет определять неисправный КГ по наличию отклонения фактически поданного напряжения от заданного напряжения.

Ввиду малых длин печатных проводников между формирователем напряжения и КГ отсутствует падение напряжения на проводниках, что обеспечивает точность установки напряжений на уровне 1-2 милливольт, что в разы точнее аналогов, использующих отдельный блок питания и длинные соединительные проводники.

Использование индивидуальных формирователей питающего и управляющего напряжений для каждого КГ полностью исключает возможность взаимного влияния КГ друг на друга путем взаимодействия по данным каналам.

Предлагаемая установка термокомпенсации кварцевых генераторов иллюстрирована чертежами, где: на фиг. 1 изображена структурная схема заявляемой установки термокомпенсации кварцевых генераторов; на фиг.2 - блок-схема тестовой платы установки термокомпенсации кварцевых генераторов; на фиг. 3 - структурная схема блока позиции тестовой платы.

Предлагаемая установка термокомпенсации кварцевых генераторов состоит из управляющего компьютера 1.3, стандарта частоты 1.4 и блока 1.5 питания тестовых плат, термокамеры 1.2, шасси для тестовых плат 1.2.1, тестовых плат 1.1 в количестве 7 штук.

Шасси для тестовых плат 1.2.1 смонтировано внутри рабочего объема термокамеры 1.2. С помощью шасси осуществляют механическую фиксацию тестовых плат 1.1 в количестве 7 штук в рабочем объеме термокамеры, и их подключение через разъемное соединение 2.5.

Управляющий компьютер 1.3 осуществляет управление всеми блоками установки и взаимодействие с оператором и подключен к термокамере 1.2 через порт 1.3.1 и к интерфейсным входам 1.1.1 каждой тестовой платы независимо через порты 1.3.2 … 1.3.8.

Стандарт частоты 1.4 служит для генерации опорной частоты 10 МГц для обеспечения работы многоканального цифрового частотомера 2.4. Сигнал с выхода стандарта частоты 1.4 поступает на входы опорной частоты 1.1.3 тестовых плат.

Блок 3 питания тестовых плат 1.5 выполняет электропитание всех узлов тестовых плат 1.1, в том числе формирователей напряжений 3.5, 3.6, 3.7, и генерацию опорного напряжения для блока формирования и измерения напряжений 2.2 тестовых плат. Выход опорного напряжения блока питания тестовых плат 1.5 подключен к входам опорного напряжения 1.1.3 тестовых плат.

Тестовая плата 1.1 состоит из блока 2.2 формирования и измерения напряжений, блока 2.3 программирования, многоканального цифрового частотомера 2.4 и блоков 2.1 позиций в количестве 80 штук.

Блок 2.2 формирования и измерения напряжений осуществляет генерацию уставок напряжений питания, управления и термокомпенсации КГ, контроль за фактическими значениями поданных напряжений на КГ, отключение неисправных КГ.

Выходы 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4 уставок напряжений питания, управления и термокомпенсации КГ с выходов блока 2.2 формирования и измерения напряжений подключены ко входам 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4 уставок напряжений питания, управления и термокомпенсации КГ блоков 2.1 позиций. Выходы 2.1.1 измеряемого напряжения блоков 2.1 позиций подключены ко входу 2.2.1 измеряемого напряжения блока 2.2 формирования и измерения напряжений. Выходы 2.2.5 … 2.2.84 отключения КГ блока 2.2 формирования и измерения напряжений подключены ко входам 2.1.5 отключения КГ блоков 2.1 позиций независимо. Выходы управления аналоговыми коммутаторами блока 2.2 формирования и измерения напряжений подключены ко входам блоков позиций (на чертеже не показаны).

Блок 2.3 программирования осуществляет генерацию последовательностей сигналов программирования, соответствующих типу микросхемы термокомпенсации КГ. Линии программирования с выходов 2.3.1 … 2.3.80 блока 2.3 программирования подключены ко входам 2.1.5 программирования блоков 2.1 позиций независимо.

Многоканальный цифровой частотомер 2.4 предназначен для одновременного измерения частоты выходных сигналов настраиваемых генераторов. Выходные сигналы каждого генератора с выходов 2.1.7 блока 2.1 позиции независимо подключены к входам 2.4.1 … 2.4.80 многоканального цифрового частотомера 2.4.

Блок 2.1 позиции тестовой платы состоит из настраиваемого кварцевого генератора 3.1, установленного в адаптер КГ 3.2, подключенного к тестовой плате через технологический разъем 3.3, аналогового коммутатора 3.4, формирователя 3.5 напряжения питания, формирователя 3.6 напряжения управления, формирователя 3.7 напряжения термокомпенсации, буферного усилителя 3.8 выходного сигнала генератора.

Напряжение питания КГ с выхода формирователя 3.5 напряжения питания подключено ко входу 3.1.1 напряжения питания КГ и ко входу аналогового коммутатора 3.4. Напряжение управления КГ с выхода формирователя 3.6 напряжения управления подключено ко входу 3.1.2 напряжения управления КГ и ко входу аналогового коммутатора 3.4. Напряжение термокомпенсации КГ с выхода формирователя 3.5 напряжения термокомпенсации подключено ко входу 3.1.3 напряжения термокомпенсации КГ и ко входу аналогового коммутатора 3.4. Скоммутированное напряжение для измерения 2.1.1 с выхода аналогового коммутатора 3.4 подключено ко входу блока 2.2 формирования и измерения напряжений. Вход отключения КГ 2.1.5 подключен к входам отключения формирователей 3.5 напряжения питания, 3.6 напряжения управления и 3.7 напряжения термокомпенсации.

Выход сигнала КГ 3.1.5 подключен ко входу буферного усилителя 3.8, с выхода 2.1.7 которого он подключен ко входу многоканального цифрового частотомера 2.4.

Установка термокомпенсации кварцевых генераторов работает следующим образом.

На тестовые платы 1.1 устанавливают адаптеры КГ 3.2, соответствующие типу микросхемы термокомпенсации и корпусу настраиваемых генераторов. В адаптеры КГ загружают настраиваемые КГ. Тестовые платы 1.1 с генераторами устанавливаются в шасси в рабочий объем термокамеры 1.2.

Под управлением компьютера 1.3 установка производит настройку КГ, которая сводится к выполнению последовательности операций установки температуры в рабочем объеме термокамеры, установки и измерения напряжений питания, управления и термокомпенсации КГ, программирования КГ, измерения выходной частоты КГ в соответствии с алгоритмом термокомпенсации.

Результатом работы установки является КГ, запрограммированный набором настроечных коэффициентов, обеспечивающий минимальное отклонение выходной частоты от номинала в диапазоне температур.

Установку температуры в рабочем объеме термокамеры выполняют посредством подачи команды термокамере 1.2 управляющим компьютером 1.3.

Установку напряжений питания, управления и термокомпенсации КГ выполняют путем подачи команды блоку 2.2 формирования и измерения напряжений соответствующей тестовой платы 1.1. Далее блок 2.2 формирования и измерения напряжений воспроизводит заданные компьютером 1.3 уставки напряжений питания, управления и термокомпенсации КГ путем деления опорного напряжения, получаемого от блока 1.5 питания тестовых плат. Затем блок 2.2 формирования и измерения напряжений осуществляет последовательную коммутацию и измерение напряжений питания, управления и термокомпенсации для всех блоков 2.1 позиций тестовой платы. В случае обнаружения отклонения фактически измеренного напряжения от заданного производится отключение формирователей напряжений 3.5, 3.6, 3.7 соответствующего блока 2.1 позиции и фиксация аварийного состояния для данного КГ. Блок 2.2. формирования и измерения напряжений выполняет измерения на протяжении всего времени работы тестовой платы 1.1 результаты измерений передает управляющему компьютеру 1.3.

Программирование КГ выполняют после получения команды блоком 2.3 программирования путем подачи на КГ последовательности сигналов, соответствующих типу микросхемы термокомпенсации КГ. Загружаемые в КГ настроечные коэффициенты передают блоку 2.3 программирования управляющим компьютером 1.3. Программирование всех КГ осуществляют одновременно.

Измерение частоты КГ выполняют многоканальным цифровым частотомером 2.4. Измерение частоты всех сигналов выходной частоты КГ происходит одновременно. Многоканальный цифровой частотомер 2.4 работает под управлением компьютера 1.3, получая команды на запуск и остановку измерений, а результаты измерений поступают в управляющий компьютер 1.3.

Многоканальный цифровой частотомер 2.4 использует частоту заполнения 100 МГц, что обеспечивает погрешность измерений на уровне 2х10^-8 за 1 секунду, что достаточно для настройки термокомпенсированных кварцевых генераторов с наилучшей нестабильностью частоты на уровне 1х10^-7.

После завершения настройки в соответствии с алгоритмом термокомпенсации выполняют окончательное программирование КГ. Затем оператор производит выгрузку настроенных КГ.

Предлагаемые установки термокомпенсации были изготовлены и внедрены на заводах по производству термокомпенсированных кварцевых генераторов на участках настройки, что подтверждает работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.

Изобретение относится к автоматизированному производству термокомпенсированных кварцевых генераторов (КГ). Технический результат заключается в повышении производительности работы установки. Устройство содержит управляющий компьютер, стандарт частоты, блок питания тестовых плат, температурную камеру, шасси для тестовых плат, тестовые платы, блок программирования, адаптеры кварцевых генераторов, соответствующие корпусу кварцевых генераторов. 3 ил.

Установка термокомпенсации кварцевых генераторов, содержащая управляющий компьютер со стандартом частоты, блок питания тестовых плат, температурную камеру, шасси для тестовых плат, тестовые платы, блок программирования, адаптеры кварцевых генераторов, соответствующие корпусу кварцевых генераторов, отличающаяся тем, что тестовые платы содержат многоканальный цифровой частотомер для обеспечения возможности одновременного измерения частоты всех кварцевых генераторов, блок программирования подключен к каждому кварцевому генератору независимо для обеспечения возможности одновременного программирования всех кварцевых генераторов, для генерации напряжения питания, напряжения управления и напряжения термокомпенсации кварцевых генераторов в тестовых платах использованы индивидуальные формирователи напряжений, питаемые блоком питания тестовых плат, при этом тестовые платы снабжены технологическим разъемом для подключения различных адаптеров кварцевых генераторов, соответствующих типу интегральной микросхемы термокомпенсации и корпусу кварцевого генератора, и содержат блок формирования и измерения напряжений и аналоговые коммутаторы для обеспечения возможности контроля за фактически поданными напряжениями и отключения неисправных кварцевых генераторов в случае их обнаружения без оказания влияния на процесс настройки остальных кварцевых генераторов.