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 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。

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。

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。

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 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。

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。

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。

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。

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。

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 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。

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。

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。

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。

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。