高頻 儀器維修 DIY-衛星訊號復活記[上集]

前幾天聽同事說有一台衛星訊號的調變器Modulator掛掉了,由於是台歷史悠久的儀器,也過保固很久了,所以基本上送修跟買新機的費用會幾乎一樣,看來這意思就是要高頻 儀器維修 DIY了。

如下圖,當我看到儀器時,右方一顆紅色的警告燈馬上映入眼簾,為了看到細節,馬上進入儀器的警報Alarm選單,看看到底是怎麼回事,結果訊息顯示是頻率合成器Synthesizer裡面的鎖相迴路Phase Lock Loop故障了,這下麻煩了,它可不像一般接觸不良這麼好處理。

儀器維修-儀器顯示PLL故障
儀器維修-儀器顯示PLL故障

鎖相迴路 Phase Lock Loop/PLL

鎖相迴路的概念並不難,它的目的很簡單,就是要讓Output相位與Input相位同步,也就是Vin往上跳,Vout也要往上跳,反之亦然,總之就是輸出相位要跟緊,有跟上源頭就稱為Lock,沒跟上就稱為UnLock。

你可能會覺得輸出和輸入頻率的相位若同步的話,那兩者頻率不就一樣? 那就直接拉一條線過去就好了,這樣多此一舉鎖相位是要鎖心酸的嗎? 答案在下圖,因為PLL通常拿來作倍頻用,如下圖只要在PLL當中加個N倍的除頻器,如此一來壓控振盪器Voltage Control Oscillator(VCO)的輸出頻率\(f_{out}\)就會是N倍的輸入頻率\(f_{in}\) 。

Phase lock loop diagram
Phase lock loop diagram

檢查PLL的輸出頻率

我先用頻譜檢查過儀器的RF output,發現頻率會抖動,這樣接收器當然無法抓到訊號,難怪同事會跳腳,所以我先檢查載波的電路是否正常工作。

如下圖,板子上有2個PLL迴路,目前不知道誰才是負責載波頻率,應該是其中一個故障,總之先挑一個來檢查。我把Cable放在其中一個VCO附近,這樣Cable就能感應到振盪器輻射出來的電波,然後接上頻譜Spectrum看頻率。

先挑下方的Voltage Control Oscillator (VCO)來偵測頻率
先挑下方的Voltage Control Oscillator (VCO)來偵測頻率

接著Modulator頻率設定為1.5GHz,理論上應該要下圖一樣,在頻譜上呈現一個非常穩定的中心頻率,在剛開機的時候確實是穩定的,但一段時間之後就變得不穩定了,所以這需要耐心觀察,這也是為何一開始大家都誤認為這台Modulator是正常的原因。

穩定的載波頻率
穩定的載波頻率

儀器到了某個時間點,也許是熱的因素,載波頻率就開始抖動了,只要出現抖動機器就會亮紅燈Major Alarm。 下圖就是頻率抖動的畫面,它距離目標頻率1.5GHz下方約10MHz,而且還是不穩定的跳動狀態,難怪同事會覺得這台機器有問題,頻率都偏了,這到底是PLL裡面的哪個地方出問題呢? 我們一起來找找。

偏移且跳動的載波頻率
偏移且跳動的載波頻率

至於另外一個PLL,無論Alarm有無出現,它的頻率都是穩定的930MHz,所以我認定與本次的問題無關,就先不管它,我也不知道它是拿來做甚麼用。

儀器的PLL方塊圖

在拆解故障的PLL之前,先確認一下輸入頻率是否穩定,或許根本是上一級的訊號就是抖動的狀態,畢竟PLL只是在追前一級的相位而已,總要先確認輸入是沒問題的。從下圖實際的電路板來看,上面有個10.7MHz的濾波器,於是我推測PLL的輸入頻率應該是10.7MHz。

PLL倍頻的實際電路
PLL倍頻的實際電路

除了濾波器之外,電路板最右邊還有個白色方塊的混波器Mixer ADE-1H,你很難不看到它,Mixer的作用是將兩個訊號相乘。

為了方便除錯,我必須把PLL的完整方塊圖畫出來,所以我查了ADE-1H的Datasheet以及其他IC的資料,做了些反向工程,終於確認PLL包含前級Mixer的整個方塊圖如下,這還滿花時間的,其中Phase detector與N div是包裝在單一個Chip LMX2347內。

PLL and mixer diagram
PLL and mixer diagram

追查混頻器MIXER是否抖動

接著要確認PLL的輸入頻率是否穩定,也就是要測量方塊圖中B處的頻率,為了確保10.7MHz真的有進入PLL晶片LMX2347,我測量的是\(f_{inb}\)腳位,結果我觀察到它確實是個10.7MHz的穩定波形,所以輸入頻率B是沒問題的。

出於好奇我也順便測量了Mixer ADE-1H的輸出頻率,我在頻域上看到了2個很穩定的波峰,這就是通訊原理裡面講的雙邊帶Double Side Band,它是700KHz輸入訊號與10MHz本地振盪器相乘之後的結果。至於為何混頻的輸入訊號是700KHz? 我沒去研究。

題外話,你是否發現我改用示波器來測量? 那是因為頻譜被借走了,加上待測頻率不高,我就改用示波器來觀察,只要搭配FFT功能,一樣能看到頻譜,詳情可以參考這篇FFT 頻域測量-示波器瞬間變頻譜-進階功能解說

接著也順便測量一下Mixer的輸入,也就是本地振盪器,結果如下圖。它果然是很穩定的10MHz,用來給後面的系統做倍頻之用,所以它是量測的基準,它的誤差是多少,後面PLL倍頻之後的誤差就會跟著是多少。

所以如果你嫌儀器量起來不夠精準,可以找個很準的10MHz訊號源,插入儀器背板的REF IN,一般有檔次的儀器都會有這個孔,通常會標示Ref IN 10MHz +10dBm,插入之後就可以取代內部的振盪器,讓你的量測更精準。

通常振盪器一定有頻率誤差,即便是儀器內部的10MHz的參考頻率也不例外,一般商用如PC、冷氣之類的振盪器頻率飄移誤差大約在50ppm左右,稍微好一些的有到25ppm,至於用在一般儀器上的振盪器大約在1~2ppm附近,如果對於頻率要求非常高的應用,那麼就需要用到所謂的Oven controlled oscillator,它的精度可以到20ppb(parts per Billion)也就是0.02ppm。

再查PLL的壓控振盪器VCO

現在已經確認PLL的輸入頻率是穩定的了,所以問題應該在PLL本身,那就先來看看壓控振盪器VCO是否有問題。既然頻率會抖動,一定是VCO輸出有問題,但到底是VCO本身有問題? 還是外部的控制電壓有問題?

先量看看VCO的輸入電壓吧,也就是PLL方塊圖中D點的部分。如下圖,果然VCO的輸入電壓就已經會上下跳動了,當然輸出頻率也會跟著左右跳動。

VCO的輸入電壓波形
VCO的輸入電壓波形

即便是VCO的輸入電壓有跳動,我還是不能排除VCO本身故障,因為這個電壓也是從VCO的頻率與10.7MHz互相比較來的,若VCO本體故障也能導致這個結果。所以我決定把D點斷開來(R15),輸入固定電壓並且期待VCO輸出固定頻率,這樣才正常。

為了做到這件事情,我必須把反向工程再做深一些才知道應該在哪裡斷開,經過一連串的努力,終於得到LPF電路如下:

PLL的低通濾波器LPF電路
PLL的低通濾波器LPF電路

所以我要做的事情就是把右邊的R15斷開,再將VCO的輸入端接到附近的5V,然後觀察它的頻率是否會跳動,你可以看到下圖標示Open處,我已經把電阻立起來了。

當然,這顆VCO(UMS-2000-A16-G)要做實驗之前,要先把它可接受的電壓範圍查出來,千萬別讓超標的電壓接進去,根據資料這顆VCO電壓範圍在1V~14V,所以接5V是OK的。

VCO改用固定電壓5V
VCO改用固定電壓5V

現在VCO的電壓已經固定在5V,我實際測量它相對應的頻率是落在1372MHz,而且不會飄移,但硬要說的話它還是會飄大約幾十Hz的程度,基本上就算沒有飄,所以確定VCO是正常的,喔~感謝老天爺,如果它真的壞了我也無能為力,因為這零件停產了,那這樣就會再往前推進把問題縮小到PLL的晶片輸出了。

順帶一提,在做反向工程的時候,我發現OP放大器的供電並不是對稱的,+Vcc是17V但-Vcc卻是-11V,這跟一般的用法不太一樣,這個問題我回頭在來處理,我們先處理PLL的問題,或許原廠是故意這樣設計的。

檢查Low Pass Filter輸出

VCO的電壓是從PLL晶片的CP(Charge Pump)腳位轉換來的,也就是PLL方塊圖中的C點,Charge Pump與外部的電容C27形成一個充放電的線路,充電時電壓會拉高,放電時電壓會降低,透過下一級的低通濾波器LPF,最後會轉換成平順的DC給VCO,我們來檢查一下LPF(Low Pass Filter)的輸出是否正常。

由於VCO已經固定接在5V,因此頻率也固定在1372MHz,因此檢查的方式就是藉由設定大於和小於1372MHz的輸出頻率,來看看LPF的反應是否符合期望,所以我透過儀器面板分別設定了下面兩種頻率,以及LPF應有的反應。

  • 1472MHz
    • 較高的目標頻率,LPF輸出電壓應該要降低,結果電壓確實有降低。
  • 1100MHz
    • 較低的目標頻率,LPF輸出電壓應該要拉高,結果電壓確實有拉高。

LPF的輸出完全按照期望,這下子反而我有點失望了,因為PLL的各個方塊我已經幾乎要查過一遍了,但現在看來似乎是都正常,那到底問題在哪裡?

檢查PLL的CP輸出

我突然想到,既然當初出問題的時候是在某個設定頻率上看到的,那麼當時的輸出設定頻率一定與VCO的頻率是相吻合的,由於現在Loop是切開的,若刻意讓設定頻率與VCO頻率相等,應該就能重現當時的狀況。

現在VCO的頻率只能固定在1372MHz,那我就將Modulator的目標頻率也設定在相同的1372MHz,理論上CP output應該會是High或Low其中一種,因為VCO的頻率一定會比1372MHz多或少一點點,若觀察CP腳位應該就能發現一些端倪。

於是我就把Modulator頻率設定為1372MHz,接著用示波器來觀察CP的波形。量測結果如下圖,我發現CP輸出並非high或low,而是高高低低的波形,但並不是VCC到GND那種頂天立地的方波。

PLL chip的CP輸出
PLL chip的CP輸出

為何不是穩定的High或Low? 我想到由於VCO的1372MHz雖然宏觀來看是固定頻率,但微觀來看它還是會在1372MHz附近有些微的飄移,所以這是難免本來就會發生,因此在C點的Phase detector輸出便會有高低交錯的訊號出現。

如果把Loop在封閉起來,在正常Lock的情況下就不會有這麼多高低波形,因為頻率會越調越接近目標頻率,一但相位鎖住之後,就只會有些許方波出現用來微調VCO的電壓。

至於CP的波形為何沒有頂天立地,我查了LMX2347的CP輸出級說明。如下圖,我想是因為它的輸出級是由2顆互補MOS所構成的緣故,當MOS導通的時候,若在線性區的話會很類似一個電阻,所以電阻會吃掉一些電壓,輸出電壓沒有頂天立地我認為是正常的,但它起碼有個方波的樣子。

LMX2347 PLL晶片輸出級的等效電路
LMX2347 PLL晶片輸出級的等效電路

檢查Low Pass Filter電路

CP輸出方波是合理的,但是LPF的輸出為何也會跟著方波跳動? 我從示波器看起來就是如此,LPF的輸出與輸入都會跳動這也太奇怪了,輸出不是應該要是DC值嗎?

我一開始以為是LPF故障了,後來才發現原來是我測量的地方在右邊的R15之前,如果測量的是R15之後,也就是VCO的電壓輸入的話,那就會得到一個穩定的DC值,因為有個電容做濾波,所以還是要有電路圖才不會搞混。

PLL的低通濾波器LPF電路
PLL的低通濾波器LPF電路

這個電路若沒有二極體D3的話它應該要是個積分器,因為以前課本上的OP放大器只要回授電路有接電容,它就是積分器,而且是反相積分,但現在多了個二極體,我也不確定跑起來是怎樣,那就來跑模擬看看吧。

模擬的結果如下,輸入與輸出都有方波,和我實際觀察到的波形一樣 ,那就表示LPF的線路是正常工作的。

LPF的輸入/輸出模擬
LPF的輸入/輸出模擬

PLL各部分都沒問題,怎麼會?

這就怪了,一開始明明就看到輸出頻率會抖動,於是開始檢查PLL的各個部位,甚至把VCO的輸入電壓斷開,從VCO、LPF、CP、PLL Chip都檢查了,竟然全部都沒問題?

不會吧! 之前明明就有問題,看了一圈回來卻沒問題,這是見鬼了嗎? 走到這裡,我想需要暫時休兵一下,讓思緒沉澱再來戰它個一回,有時候回家休息隔天之後腦袋就會有新的想法,剩下的過程我寫在下集高頻 儀器維修 DIY-衛星訊號復活記[下集]

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