一种芯片原子钟专用伺服控制芯片SIP系统、测试装置和方法与流程

一种芯片原子钟专用伺服控制芯片sip系统、测试装置和方法
技术领域
1.本技术涉及电子技术领域，尤其涉及一种芯片原子钟专用伺服控制芯片的sip系统、测试装置和测试方法。


背景技术：

2.原子钟是现代量子力学和电子学相结合的产物，其原理是利用原子能级之间的跃迁所发射或吸收的电磁波频率作为标准，具有高准确性和高稳定性等特点。根据《2019-2025年中国芯片原子钟行业市场运营态势及发展前景预测报告》，芯片原子钟具有低功耗、体积小等优点，可为卫星导航接收机、时频体系节点、水下导航等应用领域提供高精度小型化频率标准，提高导航精度，缩短通信网络同步时间。
3.在卫星导航领域，由于卫星导航系统固有的脆弱性，使得导航信号并不能覆盖全球各个角落，在某些极端情况下，卫星导航系统的服务可能中断。芯片原子钟是自主导航终端的关键设备，可作为高准确度和高稳定度的时间频率源。在网络系统中，时间基准的统一是系统运行管理中的不可或缺的部分。芯片原子钟可用于时间统一系统终端设备的时间频率源，不仅为设备提供高精度的时间频率信息，还具有一定的守时功能，在一定时间内保障网络系统的时间精度要求。
4.目前，美国最先进的芯片原子钟csac sa65尺寸达到16mm
×
13.9mm
×
4.6mm，重量小于35g，常温下功耗小于120mw；在国内方面，成都天奥推出的芯片原子钟原理样机尺寸45mm
×
36mm，功耗0.6w；波时科技研制的b-ac01型芯片原子钟体积16.8cm3，常温功耗小于0.55w。芯片原子钟控制电路的小型化轻量化有助于进一步减小芯片原子钟的尺寸及功耗。目前国内尚没有基于sip技术方案设计的芯片原子钟专用伺服控制芯片。


技术实现要素：

5.本技术提出一种芯片原子钟专用伺服控制芯片系统级封装sip(system in a package)系统、测试装置和方法，解决现有技术的原子钟系统体积和功耗大的问题。
6.本技术实施例提出一种芯片原子钟专用伺服控制芯片的sip系统，芯片级原子钟可在卫星导航信号不可用等极端情况下，为自主导航终端、网络系统、水下探测及遥感系统等提供精确的授时服务。所述sip系统包括集成在sip封装内部的mcu、光检信号采集电路、激光器驱动电路、温度采集电路、激光器温控电路，以及置于sip封装外部的配置电路；
7.所述光检信号采集电路，用于输入信号进行放大、滤波、模数转换后生成光强检测数据输入mcu；
8.所述激光器驱动电路，用于对mcu输出的激光器驱动控制数据经数模转换后生成激光器驱动电压连接在激光器控制端，实现激光器锁模；
9.所述温度采集电路，用于接收激光器和吸收泡的温度传感电压信号，经过模数转换后生成温度检测数据输入到mcu；
10.所述激光器温控电路，用于对mcu输出的温度控制数据进行数模转换后生成温控
电压控制激光器的tec和吸收泡的功率管进行加热；
11.所述mcu，用于对光强检测数据进行处理，生成激光器驱动控制数据；对温度检测数据进行处理，生成温度控制数据；
12.所述配置电路包含：第一配置电路，用于调节光检信号的幅值；第二配置电路，用于改变激光器驱动电压；第三配置电路，用于改变温度传感系数；第四配置电路，用于改变温度控制系数；所述温度传感系数，包含检测的温度值和传感电压信号之间的比例关系；所述温度控制系数，包含温控电压和温度变化之间的比例关系。
13.优选地，所述sip系统还包含集成在sip封装内部的磁场控制电路，所述磁场控制电路用于接收来自mcu的磁场控制数据，经数模转换后控制磁场合成部件产生恒定磁场。
14.优选地，所述sip系统还包含集成在sip封装内部的射频锁相电路，用于对mcu输出的压控数据经数模转换后生成晶振控制电压连接在晶振的压控端，实现微波锁频；所述配置电路还包含：第五配置电路，用于调节晶振控制电压。
15.优选地，所述sip系统中，所述配置电路的可调节部分设置于所述sip封装外部，包含电阻、电容或电感。
16.优选地，所述sip系统还包含设置于sip封装内部的1pps校准电路，用于对时间间隔误差进行检测，利用计数器测量芯片原子钟与1pps_in端口输入的标准1pps信号的同步误差。
17.优选地，所述射频锁相环路还用于，对10mhz信号进行倍频。
18.优选地，所述光检信号采集电路，包含光电信号输入端口pd，经积分、低通放大、分成两种频率信号，分别经模数转换输入到mcu。
19.本技术实施例还提出一种测试系统，用于本技术任意一项实施例所述芯片原子钟专用伺服控制芯片的sip系统，所述测试系统包括：
20.热流罩测试装置和/或高低温测试装置；所述热流罩测试装置包括：热流罩连接于主机，通过主机向热流罩内输送压缩空气，被测件放置于热流罩内；所述高低温测试装置包括：高低温箱或升温台；
21.还包含作为被测件的所述sip系统；
22.还包含计数器、频率测试仪、频谱仪、工控机；
23.所述工控机用于切换测试通道；所述频率测试仪用于测试射频锁相环电路输入、输出信号；所述示波器用于测试光检信号采集电路的输入输出信号；所述频谱仪用于测试原子钟输出信号；所述计数器，用于测试芯片原子中和标准1pps信号的同步误差。
24.本技术实施例还提出一种测试方法，用于测试本技术任意一项实施例所述芯片原子钟专用伺服控制芯片的sip系统，包含以下步骤：
25.在高低温环境下测试吸收泡温度控制精度、激光器温度控制精度；测量激光频率和测试晶振频率；测量芯片原子钟和标准1pps信号的同步误差；测试芯片原子钟频率准确度；测量锁相环路输出频率。
26.进一步地，还包含以下步骤：在热流罩内升温到指定温度，达到热平衡后测试以下功能：积分电路测试；滤波电路测试；1pps_in电路测试。
27.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
28.本发明提出一种芯片原子钟专用伺服控制芯片的方法，并设计了适用于该sip芯
片的测试方法。本发明采用sip技术设计了一种芯片原子钟专用伺服控制芯片，主要服务于芯片原子钟，可使芯片原子钟的体积和功耗大幅降低。sip封装技术可方便地兼容不同制造技术的芯片，缩小芯片线宽，提高集成化的程度，从而使封装由单芯片级进入系统级集成。芯片原子钟专用伺服控制芯片的研制，将可大幅缩小原子钟的体积和功耗，对目前的芯片原子钟的研制、扩展芯片原子钟的应用范围具有重要的意义。原子钟的小体积低功耗在卫星导航等诸多领域具有很大的应用前景。
附图说明
29.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
30.图1为伺服控制电路结构框图；
31.图2是本技术sip封装电路的原理框图；
32.图3是sip芯片版图设计；
33.图4为模块封装设计图，其中(a)俯视图(b)底视图(c)侧视图；
34.图5测试板设计框图；
35.图6供电及功耗测试装置连接图；
36.图7功能测试装置连接图；
37.图8应用热流罩测试器件示意图。
具体实施方式
38.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
40.本发明提供了一种芯片原子钟专用伺服控制芯片的sip封装方案，并设计了适用于该sip芯片的测试方法。
41.本发明技术方案如下：
42.sip是基于系统最小化的一种新型封装技术，将多个ic裸片及可能的无源元件装载在同一衬底内，形成具备一个系统性功能的标准化芯片，是一种可实现系统级芯片集成的半导体技术。本方案基于sip封装设计技术对芯片原子钟专用伺服控制芯片进行封装设计，在其内部集成mcu、运放、与门、dac、反向器以及开关等裸芯片，实现对物理系统的信号采集处理、驱动控制、物理系统温度信号的采集处理、温度控制以及驱动电流的产生等功能。
43.伺服控制电路结构框图如附图1所示，图中配置电路均放置于芯片外部，其余部分封装在芯片内部。图中表示的全部配置电路均由电容、电阻、电感组成，将其放置于芯片外部可方便调整其参数。具体地，通过调整第一配置电路可调整光检信号的幅值；调整第二配置电路可改变激光器驱动电压；调整第三配置电路、第四配置电路可改变物理系统和激光器温控系数，影响温控精度；调整第五配置电路可改变射频信号幅值。由于每个物理系统和
激光器的工作温度点不一样，且激光器的驱动电压、射频信号的功率强度都需要在与物理系统联调时根据调试现象发生调整，而这些调整是可以通过改变相应配置电路的参数来实现的。这样的封装方式主要是将核心器件的裸芯和器件固有配置电路封装起来，将调试过程中待调的配置电路部分放置于芯片外部，可以最大程度的将固有的核心的电路设计固化，同时比全部电路均封装于芯片内部的方案具有更强的普适性。
44.图2给出了具体的sip的原理框图，如图2所示，芯片原子钟专用伺服控制芯片的架构与功能进一步描述如下：
45.光检信号采集电路：该电路方案对输入的两种频率的信号首先进行光电信号的预处理，然后利用高精度的adc采集，并将采集的数字量送给mcu单片机中进行数据处理。
46.vcsel激光器驱动电路和晶振驱动电路：mcu将计算得到的反馈量输出，控制两路高精度的dac，两路dac的输出分别连接晶振的压控端和vcsel驱动电路的控制端，完成激光锁频和微波锁频。
47.物理系统的温度采集电路：物理系统的温度也需要mcu单片机进行控制。激光器和吸收泡的温度通过温度传感器转为电压信号，通过两路adc采集，输入到mcu单片机进行pid数据处理。
48.温控加热的驱动电路：mcu通过pid算法得到的加热控制量，通过两路dac反馈控制vcsel的tec和吸收泡的功率管进行加热。
49.均匀磁场的控制电路：mcu将精确的数值输出到dac，控制磁场合成电路，产生高精度的恒定磁场。
50.本发明采用sip集成技术，在芯片设计过程中主要遵循集成模块中主要的核心芯片及固有配置电路的原则，将需要调整参数的部分配置电路至于sip芯片外部，以增强芯片整体功能的可调性，和对不同物理系统的兼容性及适用性。
51.附图3为sip芯片版图设计，附图4为模块的封装设计图。芯片内部主要集成了开关、三极管、运放、mcu、反相门、与门等裸芯片以及各模块的部分配置电路，采用wb的方式与基板建立电气互联。
52.本身请提出的芯片原子钟专用伺服控制芯片测试方法，包含以下步骤：
53.一、芯片尺寸测试：用游标卡尺测量芯片原子钟专用伺服控制芯片的长度、宽度和高度。
54.二、供电及功耗测试：设备连接如图6所示，将芯片原子钟专用伺服控制芯片安装在测试板上进行测试，直流电压源为测试板供电；读取直流电压源的电压值和电流值，计算功耗；若有意外干扰使系统不稳定，重复测试；测试完毕，断开系统连接。
55.三、功能测试步骤如下：
56.步骤11、设备连接如图7所示，将芯片原子钟专用伺服控制芯片安装在测试板上进行测试，测试板放置于高低温箱内，直流电压源为测试板供电。待物理系统温度稳定后，通过读取高低温箱温度显示检测环境温度t0，通过相应热敏电阻阻值获取吸收泡温度t1和激光器温度t2；
57.步骤12、调节高低温箱温度，使环境温度为t
′0，待物理系统温度稳定后，通过相应热敏电阻阻值获取吸收泡温度t
′1和激光器温度t
′2；
58.根据式(2)计算吸收泡温度控制精度c1及激光器温度控制精度c2；
59.c1＝δt1/δt0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
60.c2＝δt2/δt0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
61.式中，δt0＝t
′
0-t0，δt1＝t
′
1-t1，δt2＝t
′
2-t2。
62.步骤13、激光频率伺服环路完成原子吸收谱信号的采集、处理以及控制，获得原子吸收谱的微分信号，观测激光频率的锁定情况；
63.步骤14、激光频率伺服环路完成cpt共振谱信号的采集、处理以及控制，获得cpt共振谱的微分信号，观测晶振频率的锁定情况；
64.步骤15、利用标准的1pps信号，1pps驯服校准环路完成对时间间隔误差的检测、处理以及反馈，整钟完成驯服功能，利用计数器测量芯片原子钟与标准1pps信号的同步误差；
65.步骤16、实现1pps时间同步和原子钟频率校准，利用频率测试仪测量芯片原子钟频率准确度；
66.步骤17、射频锁相环路完成10mhz信号的倍频，利用频谱仪测量输出频率；
67.步骤18、改变控制字，利用频谱仪测量输出频率变化量，计算信号分辨率；
68.步骤19、原子钟在线调试和工作状态正常输出表示rs232通讯功能正常。
69.四、工作温度测试步骤如下：
70.步骤21、测试设备连接如图5所示，高低温测试环境采用图8所示的热流罩温度控制系统，将芯片置于测试设备上，热流罩调整至合适角度，完全罩住被测器件。
71.热流罩系统开始工作，压缩空气经热流罩系统加热或降温至合适温度，高速连续喷射至热流罩腔体内进行热交换，同时温控探头进行温度监控；
72.在一定时间后腔体内温度到达指定指标温度，达到热平衡，当达到稳定温度后，持续1min，对器件进行各项功能的测试；
73.步骤22、积分电路测试：将测试板上的mcu控制四选一模拟开关，切换到pd测试通道。信号发生器输出三角波施加到pd_input管脚，经专用伺服控制芯片内的积分电路转换为方波信号。用示波器观测方波信号输出测试点cptdc，若为方波则芯片内积分电路功能正常；
74.步骤23、滤波电路测试：测试板上的mcu控制四选一模拟开关，切换到pdinput测试通道。信号发生器输出fre1/fre2正弦波信号施加到pdinput管脚，供专用伺服控制芯片进行模数转换，利用示波器测试输出测试点ac1与ac2，记录幅度与频率信息；利用串口将专用伺服控制芯片内mcu采集到的信息发送给上位机显示幅度与频率信息。示波器测试到的数据与专用伺服控制芯片采集到的数据两者误差若小于某阈值，则芯片内滤波电路功能正常；
75.步骤24、r_tec电路测试：测试板上的mcu控制四选一模拟开关，切换到r_tec测试通道。信号发生器输出fre1正弦波信号施加到r_tec测试管脚，经专用伺服控制芯片完成信号处理后输出tec 。利用示波器测试tec 管脚，比较输入输出信号，若误差小于某阈值，则认为功能正常；
76.步骤25、temp_cell电路测试：测试板上的mcu控制四选一模拟开关，切换到temp_cell测试通道。信号发生器输出fre1正弦波信号施加到temp_cell管脚，经专用伺服控制芯片完成信号处理后输出cell_tc。利用示波器测试cell_tc管脚，比较输入输出信号，若误差控制在某阈值以内，则认为功能正常；
77.步骤26、1pps_in电路测试：测试板上的mcu输出高电平信号施加到1pps_in管脚上；专用伺服控制芯片内的mcu给p1信号施加低电平，经芯片内的比较电路后，vo_pps为低电平供芯片内mcu进行采集，采集结果应为低电平；测试板上的mcu输出高电平信号施加到1pps_in管脚上；芯片内的mcu给p1信号施加高电平，经芯片内比较电路后，vo_pps为高电平供芯片内mcu进行采集，采集结果应为高电平；
78.步骤27、io功能测试：pll_ld、lock、pll_le等管脚引出至测试板上的mcu，进行回环测试，若数据收发正常，则认为功能正常；
79.步骤28、电流源测试：芯片内dac的lt_vdc管脚的电压为恒流源的输入电压，利用万用表测量lt_vdc管脚，可根据理论计算idc管脚输出电流，利用万用表测试idc管脚电流，通过对比理论值与测试值，可判断恒流源是否工作正常；
80.步骤29、电压源测试：利用万用表测试c 管脚电压，对比测量值与理论值，若幅度误差小于某阈值，则认为电压源工作正常；
81.测试完毕，断开系统连接。
82.综上，本发明提出的芯片原子钟专用伺服控制芯片的sip封装方法可大幅缩小原子钟的体积和功耗，对目前的芯片原子钟的研制及武器型号的发展具有重要意义。
83.本发明中sip封装设计主要包含核心芯片和固有配置电路，将相关模块的部分配置电路置于芯片外，使该部分阻容参数方便可调，增强了芯片整体功能的可调性，和对不同物理系统的兼容性及适用性。
84.本发明针对该sip芯片提出了一套完整的测试方法，可有效考察芯片的尺寸、功耗、功能等指标。
85.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
86.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。