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[万用表]安捷伦HP34401A台式万用表主板维修和故障分析 [复制链接]

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离线siegfriedpan
 

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只看楼主 倒序阅读 我要置顶 楼主  发表于: 2015-09-21
— (發騷友) 本帖被小编设置为精华,作者+3000M币+5专家 (2015-09-24 19:48) —
PS1:少部分测试和维修过程未拍照。
PS2:语死早见谅,可能有部分语句不通,但遇到专业术语和理论分析我尽量表述准确。


本人有一台HP 34401a台式万用表,之前曾得到机会,与一台用fluke 734和Agilent 3458a标定过的基准进行过比对,误差约为-40ppm。该表出厂日期为1994年5月,至今21年未校准,仍然没有超出说明书规定的误差范围。不过这台表毕竟服役时间太长,基准LM399老化很厉害,需要2小时预热,短期稳定性才能降低到5ppm以内。



恰好最近有机会以配件价格入手3片有故障的按着抡Agilent 34401a台式万用表主板,用作研究和备件之用。



34401a是惠普在80年代末设计成功并在90年代初量产投入市场的一款高指标6位台式万用表。后来仪表部门从惠普拆分成按着抡公司,直到13年按着抡的电测部门再次拆分为“是德”keysight公司。在此过程中34401a台表硬件部分仅有极少量改动,无论HP标、Ag标、Ks标的34401a,其配件多数都可通用。




用HP表的面板电路和电源变压器分别对3片Ag主板进行测试。其中一片通电后屏全亮且不响应任何操作,问题可能比较麻烦。考虑到其缺少关键的参考电阻,即便修好,其校准值也已经无效,故将其作为配件板,拆元件给其他板使用。

这一片板通电后可正确响应按键操作,但开机自检出现604错误,全项目自检也出现604、608、609、610、612、613、614、615、616、617、618、619、620、622、623错误。


查看按着抡公司提供的34401a服务手册,其中对各种错误代码进行了比较详细的说明。这方面必须点个赞!按着抡互撸客这些欧美厂家,不仅提供详细的用户手册,还提供各种服务手册、校准手册等等,甚至电路原理图和元件表都悉数收纳其中;日本厂家虽然大多数并不提供电路图,不过用户手册也是极为详尽。反观国内厂家,大多技术垃圾心态浮躁。嘛,牵扯到体制问题,不宜多谈。



604错误:AD转换斜率收敛失败。DC部分设置为10V量程检零状态,测试adc是否能在20ms内产生理论上相等的正负斜率。608错误:串行配置回读失败。mcu向测量部分发送串行配置的最后5字节,数据返回mcu后与原始数据进行比较,不一致则失败。这2个错误比较麻烦,604指向核心积分器、电压基准和网络电阻,608指向主mcu和开关阵列逻辑控制。而网络电阻、开关阵列和其控制全都是多脚封装芯片,分析起来很复杂,先放一边。

下面这片板情况相对简单一些。612、613、615、617、618、619、621



这些错误全部指向故障则全部指向直流增益和电流源。621则是利用电流源对交流输入电容进行充电后测试充电状态,仍然指向了电流源。这样看来故障全部在输入回路、直流放大和电流源部分。

首先设法把缺失的元件补齐,再看情况。



维修前忘记拍照,这是维修到一半的板。



首先是电源部分缺失的一颗钽电容。34401a有一个通病,就是板上有几颗钽电容比较容易损坏,这是其中一颗。从服务手册的元件列表查得该电容原值为20V22uF,这是一颗为积分器和输入端跟随器供电的滤波电容。这里为了方便,胡乱焊了一颗25V47uF的三洋固态。由于原焊盘和PCB布线已损坏,只能从过孔处飞焊。


>>>>未完待续>>>>
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离线siegfriedpan

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只看该作者 1楼 发表于: 2015-09-21
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这片主板信号输入部分也有缺件,修复前未拍照,这是已经部分修复的状态。



前面板输入端子部分。从损伤程度推测缺失的元件估计是外力导致的。



缺失的2颗13kΩ贴片电阻已经从备件板上移植过来。



这里缺失了一颗10uH电感,连PCB布线都损坏。



这是正常的板子。



由于正面PCB走线已经断到继电器下面,飞线会使继电器无法摆正,故将这颗电感放到背面去。



将信号回路的缺件补齐,通电试机,进行全项目自检。



自检通过。

但仍然不能进行测试,输入端子接入任何激励源都无法引起响应。此时再次顺着信号回路进行检查。检查到继电器时发现,那颗coto继电器在线圈有激励的情况下触点并没有导通。直接将其焊点飞线短路后试机,对激励源已经能正确响应。于是从备件板上拆下这颗继电器进行更换。



这是已经换好继电器的板。



换下来的故障继电器。这种继电器是惠普向荷兰coto公司定制的低热电势干簧管继电器,只有部件号而没有型号。这种继电器属于3500系列。温度不同的2种导体相接触,在界面会发生热电偶效应,而不同金属的热电势都不同。34401a最小分辨率为100nV,热电势对其已经有比较明显的影响。这颗继电器的位置处在整个信号回路与输出端子之间,测量电压时外部激励源向内部高阻测量电路提供激励,而测量电阻时内部低阻电流源又对外提供激励,这将不可避免的在触点上产生温差。为保证测量准确度,这颗继电器的触点要求极低的热电势。



换好继电器后通电试机,图为用普通2线电阻档测量一颗标称值为99.925kΩ的fluke金封线绕电阻。从结果来看,这片主板的校准值并未丢失,准确度比较满意,修复价值比较高。



测试使用的fluke金封线绕电阻。这种电阻使用温漂极小的ever ohms合金制造,成本极其高昂,仅在fluke早期的高档货上使用,比如8505、8506台表,5700校准器,fluke 732 10V基准源等等。由于成本过高这种电阻早已停产,后期需要这类高稳定度精密电阻的场合都使用金属箔电阻。曾经用6871E用4线开尔文法对其进行过测量,读数为99.92944kΩ,与标称值误差44ppm。考虑到6871E的电阻档指标几乎比34401a高一个数量级,这个数值是比较可靠的。

>>>>未完待续>>>>
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离线siegfriedpan

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只看该作者 2楼 发表于: 2015-09-21
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将前输入端子焊回去后发现了新问题,4线开尔文法电阻档无效。

从原理分析,2线法时,电流源从通用端子对被测电阻提供激励,并在内部用参考电阻的压降对端子的压降进行比例运算而得出被测电阻值;而4线法时,电流源同样从通用端子输出激励,而采样则用另一对4线专用的端子。

测量通用端子发现电流源的激励是正常的,于是开始检查4线采样回路。



测量发现,采样端子的保护电阻大面积失效。前后端子共12颗保护电阻,有8颗失效。



这些2010封装的贴片电阻,失效方式全是可焊性镀层脱落。



将这些贴片电阻全部拆除,随便找了2颗75k电阻焊上。由于机内激励源的最高电压不会超过10V,4线法的采样回路是直接进入积分器,相当于使用10V基本档进行测量。这个量程不需要衰减,也不需要放大,而是直接进入mosfet输入级的运放,因此阻抗极高,大于10GΩ。保护电阻的100多k仅会引入不到10ppm的误差。再加上出厂校准时,是对已经有144kΩ保护电阻的整个采样回路的校准,因此更换电阻引入的误差甚至小于1ppm,几乎可以完全忽略。



现在4线开尔文法电阻档也恢复正常。



将临时焊的75kΩ电阻拆除。考虑到这些保护电阻需要承受由于误操作而引入机内的高压,并承担相应功率,还是依照原设计,每条线路用3颗电阻串联,整个回路6颗。手头没有这种2010封装的贴片电阻,于是用6色环低温漂金属膜代替。



后面板端子如法炮制。

焊好后通电,对整机进行功能性测试,所有档位均正常工作。

清理松香,再次检查焊点,洗板。



最后测试,并对10V基本直流档进行准确度评估。

如本文开头所述,曾经用经过fluke 734和Ag 3458a标定的10V基准对老HP 34401a和Advantest 6871E进行过比对,结果是2台表都在允许误差范围以内,其中HP 34401a偏低约40ppm,而6871E偏高20ppm。修好的这片Ag 34401a板,由于比较新,基准状态非常不错,预热3分钟内其短期稳定性就可以降低到5ppm以内,10分钟基本上可以降低到1ppm以内,且准确度与6871E几乎相同,即高于绝对值约20ppm。

这台菊水PAK 35-10A开关电源品质也非常好。作为大功率开关电源,不仅能提供最高35V10A,350W的功率,还能像本文开头的照片,在3401a上仔细调出一串稳定的0。巨细兼备,上得厅堂又下得厨房。

至此,这块34401a主板修理完毕,并用以替换掉那台基准老化的HP 34401a的主板,后者包装保存备用。应该说,这片主板的情况还是非常幸运的吧,几大主芯片和核心电路都没有损坏,校准值也没有丢失。不过就替换的元件来说,那颗coto的低热继电器价格不菲。好在有备件板可以用。

至于出现604错误的主板,待时间充裕再进行研究。

>>>>全文完,谢谢阅览<<<<
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离线siegfriedpan

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只看该作者 3楼 发表于: 2015-09-21
有坛友对“短期稳定性降低到5ppm以内”这句话不理解。这句话说成“短期不准确度降低到5ppm以内”比较准确,不过“短期稳定性”、“短期不准确度”、“短期不确定度”、“转移特性”这4个说法其实都是一个概念,即仪表在一段时间(24小时)测量一个稳定源,得到的读数之间的最大差异。

仪表刚开机没预热时,准确度是无法达到指标的,误差甚至可高到标称指标的几十倍。但如果预热几十分钟后再开始测量并计算不准确度,那么一般会小到10ppm以内。高档电测仪器,厂家标称指标都是预热一段时间后的指标,而不是开机指标。在10V直流基本档,Ag厂家给的34401a的短期稳定性的指标是15ppm。
[ 此帖被siegfriedpan在2015-09-24 08:36重新编辑 ]
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离线天使之音

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只看该作者 4楼 发表于: 2015-09-21

精华之贴。
楼主,
这是片级维修,
高高手!!!

期待连续剧,结局。
离线panhongg

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只看该作者 5楼 发表于: 2015-09-21
有理论,有操作。虽然看不太懂

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只看该作者 6楼 发表于: 2015-09-21
優秀文章,讲解的不错,图片清晰
离线yanshome

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優秀文章,辛苦了。
离线wc5095928

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只看该作者 8楼 发表于: 2015-09-21
牛X 这些隐蔽故障都被一一找到
离线凌晨2点
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只看该作者 9楼 发表于: 2015-09-21
文章优秀,修理思路清晰,方法值得借鉴