Counter-計頻器-當機/頻偏/不穩-維修Part2

前幾天為了讓計頻器 Counter 的準確度提高,因此嘗試把一個從GPS訊號轉換來的10MHz頻率輸入 Counter 裡面當作時基Timebase,這稱為參考頻率Reference Frequency,這樣Counter的頻率測量就可以很精準。畢竟GPS衛星上搭載的是原子鐘,它要1億年才會慢1秒,對我來說這種精準度很夠用了。

Counter 參考外部頻率
Counter 參考外部頻率

Counter 又不開機了

一開始我還用得滿愉快的,但突然間計頻器 Counter 又故障了,我心想這不太妙。去年修理的時候,我就已經大約知道自己沒有找到真正的原因,這次如果要修的話,應該會很硬,當時的文章在這裡Counter-計頻器-當機-維修Part1

如下圖,症狀跟去年完全一樣,開機的時候卡住,而且自我診斷程式顯示FPGA有問題,去年我只有轉一轉電源模組的可變電阻就過關,這次可能就沒辦法這麼輕鬆了,於是就拆啦,反正過保固了嘛。

The counter stuck here
The counter stuck here
Counter FPGA fail
Counter FPGA fail

雖然心裡覺得應該不會是電源的問題,但我還是需要拆開電源模組,測量板端的電源插座Power Socket,看看電壓有沒有偏高或偏低。

檢查 Counter 電源電壓
檢查 Counter 電源電壓

測量結果如下:

3.3V – now 3.34V
5V – now 5.18V
-12V – now -11.89V
12V – now 12.05V
9V – 與9VG之間為9.1V
9VG – 9V的參考電位
GND – 接地

這些電源看起來都沒問題,但為什麼開機會卡住呢? 記得我上次是調整了電源的可變電阻後,才把偏高的電壓降下來恢復正常,但這個可變電阻到底是甚麼東西,我其實沒有很清楚,趁這次我來好好研究一下吧。

經過漫長的反向工程之後,終於把電源模組的可變電阻附近的線路畫出來了,如下圖。原來這個可變電阻VR1是用來調整D1 TL431的B點參考電壓用的,關於TL431的文章可參考這篇電瓶檢測器 準不準? 新品故障-維修DIY,由於12V與5V是來自變壓器的二次側Secondary side,如果電壓偏高,會連帶的把B點與A點的電壓拉高,進而讓光耦合器Photo coupler PC111將變壓器線圈的一次側Primary side關閉OFF,如此二次側的12V與5V電壓才能降下來,但電壓降太低會讓PC111變成ON,因此PC111會不斷的ON/OFF。

Counter 的電源電壓穩定線路
Counter 的電源電壓穩定線路

可變電阻VR1的作用只用來調整TL431的參考電壓B點,它讓B點可以在2.47V~2.52V的範圍之間微調,同時影響到A點的電壓,進而影響光耦合器PC111的ON/OFF時機,達成調整二次側Secondary side電壓的目的,它其實就是一種閉迴路的概念。

所以當時我調整的考慮方向是正確的,所以最後電壓才能正常,而現在的電壓仍然是正常的,只不過機器持續當機中,所以剛才的反向工程只能算是練功,問題應該在其他地方。

Counter 竟然開機了

在我經驗中已經焊在板子上的半導體是很不容易故障的東西,假設FPGA沒有故障,那麼是否有可能是因為其它的輸入Input導致它動作不正常? 例如電源或是時脈之類的,於是我把電源打開,要來追看看FPGA到底是哪裡有問題?

結果電源打開之後,它…竟然開機了,事情總是這樣,真要抓它的時候就逃得無影蹤,所以我現在很確定FPGA沒問題,應該是某個輸入導致它看起來有問題。我反覆按了電源開關好幾次,我想應該有10次以上了吧,每次都可以開機,真是見鬼了。

於是我打算在沒有機殼的情況之下使用 Counter,若是有當機的狀況可以馬上觀察各IC的訊號波形。

Counter 讀值不穩定

我在稍早之前有發現到 Counter 的頻率讀值不穩定的問題,例如輸入10MHz的訊號可能會在某些時刻出現很怪的讀值,如下圖出現了74.2KHz的頻率,明顯是錯誤的頻率,既然 Counter 都拆開了那就來追一下這個問題吧。

Counter 讀值不穩定
Counter 讀值不穩定

Counter 輸入訊號追蹤

線路圖有點複雜,總之我就是從Channel 1輸入端一路追蹤到FPGA的輸入端,還好Keysight有把 Counter 的電路圖公開,不然我也只能雙手一攤-沒辦法。 電路圖與維護手冊在下方連結,有興趣的可以自己對照著看。

Keysight A53131A Counter 線路圖
Keysight A53131A Counter 維修校驗說明書

下圖就是 Counter 主機板的線路圖之一,黃色與紅色線分別代表CH1與CH2的訊號流,看起來畫得很輕鬆,當時追起來可真是要人命,要不斷的和實體電路板比對找元件的位置與量波形,結果就是紅色圈起來的地方有問題。

追蹤 Counter 的輸入訊號波形
追蹤 Counter 的輸入訊號波形

發現電壓異常

由於CH2是正常的,於是我一路比較CH1與CH2的波形,一直到U51這裡如下圖,我發現CH1的U51.4輸出有非常大的雜訊,而CH2的U51.17則相對乾淨許多,於是再往前追朔它們的Input,發現兩組CH輸入端的LCHxPEDGE電壓不同,相同設定卻出現不同的電壓,這一定有問題。CH1的U51.7是3.6V;而CH2的U51.18是幾乎0V,這嫌疑真的很大,因為5V邏輯電路的high/low應該要接近5V與0V,怎麼會出現個3.6V,於是我繼續往回追。

LCHxPEDGE腳位兩個CH不同調
LCHxPEDGE腳位兩個CH不同調

如下圖,我發現LCHxPEDGE路徑上各有一個串接電阻與偏壓電阻,也就是下圖紅圈框起來的地方。經過測量我發現,CH1的串聯電阻前後的電壓明顯不同,我其實並不知道這個訊號是拿來做甚麼用的,但在兩個CH條件相同的情況下,電壓有不同表現一定是哪裡有問題。

LCHxPEDGE路徑上的電壓前後不同
LCHxPEDGE路徑上的電壓前後不同

在這個電壓出問題的地方,我測量它附近的每一顆電阻共6顆,如下圖。由於電阻是焊在電路板上,總是會與其它元件有並聯的效果,所以如果電阻值有偏差也是有可能的,但並聯只會讓阻值變小,如果並聯之後阻值比自身的元件還大,那表示自身元件有問題。

經過測量,兩顆串聯的1.47K ohm電阻正常,反而是其他3顆電阻有問題。

R137正常
R138原本應該510 ohm,現在是89K ohm
R143原本應該1.96K ohm,現在是500 ohm
R144原本應該1.96K ohm,現在是95K ohm

看來這些電阻已經故障,需要將它們更換。而R144電阻變大的現象也間接告訴我們它的電阻值是由自己決定,沒有跟其它元件有關係,因此R143測量到的電阻變小,我就可以確定它有問題。

Counter 主機板電阻更換

我想這些問題應該就是讓頻率忽然飄走的原因,只是零件的取得又是另一個挑戰,還好緊急向朋友調用電阻的零件樣品本應急。以前都覺得為何會有1.96K ohm這種奇怪的阻值,現在雖然也還不知道原因,但現在至少我能找到它來替換。

電阻零件樣品本
電阻零件樣品本

找零件的位置一直都是個挑戰,還好小時候有玩過拼圖,訓練了一副好眼力,趕快換上吧,就在下圖箭頭處焊得很醜的4顆電阻。

更換 Counter 主機板的電阻
更換 Counter 主機板的電阻

把新零件換上去之後,馬上來開電觀察,測量電壓波形,果然兩個CH的EDGE訊號都變成Low了。插上訊號產生器的10MHz訊號到CH1如下圖,果然頻率讀值非常穩定,雖然有點頻偏,但已經沒有亂跳的現象了,看來我解決了一個惱人的問題。

Counter 穩定的頻率讀值
Counter 穩定的頻率讀值

Counter 再次當機

由於手邊有很多台儀器,我很好奇它們的準確度如何,為了觀察這些儀器產生的訊號頻率到底準不準,我便把GPSDO的超精準10MHz插到 Counter 的Ref In,這樣才能做精準的測量。

沒想到電源打開之後 Counter 竟然又當機了,反覆把電源ON/OFF了幾次,每次都當機,等這麼久終於讓我逮到當機現象了,雖然自我診斷程式呈現FPGA fail,但FPGA之前工作都正常,所以我一直不認為FPGA有問題,我推測是FPGA的某個輸入端出問題,導致FPGA看起來不正常。

於是我把CH1與Ref In的訊號全部拔掉,準備開始找問題,電源打開之後差點罵髒話! 它竟然開機了…,喔! 我需要冷靜一下,這是在跟我玩捉迷藏嗎? 要你當機現在卻開機,我望著 Counter 回想剛才到底發生了甚麼事情,該不會跟CH1有沒有插進去有關吧,雖然我覺得不可能,但還是得試看看,把訊號插回CH1再上電,確實也能開機啊,所以不是CH1的問題。

那只剩下一個可能了,難道是Ref In插進去就會讓 Counter 不開機,我之前也都用得好好的,於是我把10MHz插入Ref In再上電,哇靠! 不會吧,一上電真的當機了,經過幾次反覆的實驗,確認只要10MHz插入Ref In再上電就會當機,但如果先上電再插10MHz到Ref In,整台 Counter 就是好的,這是一個很大的收穫,只要能複製出當機現象,就不難找問題了。

追查REF In

既然當機與Ref In的訊號有關,那我就來追追到底哪裡有問題。下圖就是從Ref In接頭到FPGA的線路圖,黃色路徑就是Ref In的訊號,它經過鎖相迴路PLL與外部頻率同步之後,繼續把訊號送往多工器MUX,它可以多選一,以這顆MUX來說它有4個Input,CPU可以選擇MUX的其中一組訊號,然後10MHz訊號繼續沿著綠色的軌跡到達FPGA做為參考頻率TB_OUT。

主機板的外部頻率線路圖
主機板的外部頻率線路圖

首先我確認了PLL確實有複製出10MHz訊號,因為若把10MHz訊號移除,PLL的輸出頻率就會消失,因此確定PLL輸出有跟著外部頻率走。

接著來看看MUX的4選1訊號,從圖上來看,上面三組都是黃色的外部頻率Ref in,只有最後一組是紫色的內部頻率INT_TB。只要外部頻率有接在Ref in上面,這4個Input無論怎麼選理論上都要有頻率。

先測量MUX的前3組訊號,它們都是短路在一起的黃色軌跡,實測之後確實有PLL送來的10MHz頻率,所以前3組訊號沒問題。接著來看INT_TB的訊號,則完全靜悄悄,難道晶體 Crystal 振盪器沒起振嗎?

由於 Counter 從上電到當機這段時間會執行簡易的自我診斷程式,那表示CPU有運作,代表晶體Crystal振盪是正常的,於是我開始追蹤INT_TB這條線,發現它是從晶體振盪器延伸過來的訊號。下圖就是 Counter 自身振盪器的訊號路徑圖,到了最後面還串了一個電阻R265才接到INT_TB,也就是紅色圈起來的地方。

計頻器 主機板的振盪器線路
計頻器 主機板的振盪器線路

我拿示波器觀察R265的前後波形,發現它的左邊確實有10MHz的波形,但是到了右邊的INT_TB線路10MHz就消失了,也就是說R265這個120 ohm電阻故障了,我很納悶為何會壞這顆電阻,是老化? 還是電源不穩打壞的? 還是靜電? 現在已經不得而知了,眼下把它換掉最重要。

R265一樣是在 Counter 主機板的底部,要找到它也是得花點工夫,如下圖箭頭處就是更換過後的樣子,沒有焊得很漂亮,只要可以修好就行了。

更換主機板的INT_TB串聯電阻R265
更換主機板的INT_TB串聯電阻R265

Counter 重獲新生

為了驗證維修有效,上電之前必須先把10MHz插在Ref in,因為剛才就是這樣當機的嘛! 接著就是緊張的時刻啦,插上電源按下Power紐,登愣! Counter 毫不猶豫的開機啦,再也沒有畫面卡住的問題,真是太好了。

唯一覺得不爽快的就是頻偏,畢竟剛剛測量就有6Hz的誤差,雖然這是0.6ppm的誤差,但我總覺得可以再小一些。所以要對 Counter 做些調整,在背板的下方有個Osc Adjust的旋鈕,它是一個18pF的可變電容,調整它可以改變 Counter 晶體振盪器的頻率,要注意的是請勿用金屬螺絲起子來轉,你還沒轉它頻率就會偏了,一定要用塑膠等絕緣材質的一字起子,才能得到較好的調整效果。

Counter 背板的頻率調整旋鈕
Counter 背板的頻率調整旋鈕

經過調整之後,由 Counter自己的晶體振盪器測量GPS的10MHz,大約有0.02ppm的誤差,我想這樣應該算很滿意了。在當時我自己確實是很滿意,但經過3天觀察下來,我發現 Counter 的測量誤差會隨溫度改變,因為我這台當初並沒有加購恆溫型的晶體振盪器OCXO,所以頻率容易受溫度影響,它會上上下下的變化,長期來看這台 Counter 目前的狀況大約有2Hz的誤差,也就是0.2ppm的誤差水準,對我來說也是可以接受了。

調整後的頻率讀值很精準
調整後的頻率讀值很精準

看起來這次我有真的找到問題,至於是不是還有其他地方的元件有故障,我也不知道,若沒有明顯症狀出現,那要找起來真的是大海撈針啊,目前就先這樣用囉。

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