【實作實驗室】計頻器故障維修實錄—PART1

Posted By StrongPiLab on 12 月 10, 2018 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

作者：實作派Lab

今天同事提著一台 53131A 計頻器（Counter）來找我，說壞了要送修，於是就請廠商報價，沒想到那維修價格基本上已經可以買一台新的儀器了！倒底是要修還是要買？這真是太為難我了，為了省錢，所以…當然就拆了它，死馬當活馬醫。

Counter 異常症狀

把電源接上後，風扇會先運轉，按下 power 鍵之後，會在幾秒鐘內有一連串的面板燈號顯示測試，接著理當在螢幕上就要出現頻率數字了。但實際上卻停在下面這個畫面，動也不動，螢幕上只亮了三個燈號。

The counter stuck here（圖片來源：實作派提供）

我也不知道裡面發生了甚麼事情，於是就先拆了，希望只是電容爆漿或焊點鬆脫等小問題。下圖是拆開後的樣子，主要有三塊板子，操作面板、主機板、電源供應器。

Connection inside counter（圖片來源：實作派提供）

檢查電源供應器

根據經驗我先檢查電容，電路板電容最多的就屬電源供應器（Power Supply），所以先看看是否有電容凸起，但是看來看去，電容都是平的，基本上沒有爆漿的徵兆，我先暫時推估電容沒問題。接著就來檢查電壓，它上面的電壓有好幾組，基本上每個都偏高。

3.3V – now 3.5V
5V – now 5.54V
-12V – now -11.2V
12V – now 13V
9V – 量不到，只有 0.1V 左右
9VG – 量不到，只有 0.1V 左右
GND – 接地

機器能開機的話，理論上就表示電路板還能吃這樣的電壓，所以就先把電源擺著，繼續往主機板看去。

至於 9V 與 9VG 我事後測量，發現它是獨立的一組電路，它自己的 GND 沒有跟任何電路有接觸，所以9VG 就是 9V 的 GND，這兩點的電壓是很準的 9.01V，推測是要拿來回授給一次側用的，我沒有再追下去。

Power Supply in counter（圖片來源：實作派提供）

檢查主機板

第一眼看到這塊主機板，會看到一顆 Xilinx 的 FPGA，以及一顆 Motorola 68K 系列的 CPU，還有滿滿的邏輯閘，是的！就是一堆 Multiplexer/buffer 單體湊出來的電路，搞不好還有 NAND/NOR 等邏輯閘，我沒有一一檢查。以現在 PC 主機板的架構回頭來看的話，會覺得這真的是一個很古老的東西，雖然古老但它的好處是 IC 的接腳都很粗，要測量的話很方便。我推測 FPGA 是拿來測量頻率的主角，而 68K 是拿來使用做儀器操做的系統。

FPGA in counter（圖片來源：實作派提供）

只是問題來了，我該測哪裡？就算要量電壓，總是要知道零件位置吧！沒有電路圖還真的無計可施，只能猜了。我先來看看主機板的電源是否都有接進來，通常電源零件都是又粗又大，而且又容易發熱，可以列為嫌疑人，看來看去只有下圖這三個電晶體最顯眼，應該是整流或開關之類的功能。

用電表測量電晶體各別的三個腳位，果然發現它們確實擔任電流開關的角色，只是三個電晶體都有作用，所以我還真不知還有哪裡可能會故障。放眼望去全是數位邏輯線路，如果有供電的話，應該是都可以動啊。

MOS Power Switch（圖片來源：實作派提供）

向外求援

為了找資料，於是搜尋了 Youtube 看看是否有人遇到跟我一樣的問題，結果發現資料很少。雖然很少，但我發現一件事情，為何有位老兄的影片中有秀出 Counter 的線路圖？它又不是維修中心，難道有外流版的線路圖？於是我就查了一下 Google，竟然給我找到了，Agilent universal counter component level information。早知道有線路圖，之前就不用花那麼多時間東試西試，於是我開始研究它的線路圖。

如下圖，我看到一件有趣的事情，這台 Counter 裡面的 clock 竟然是輪流使用的，因為它用了 74138 做切換，一次只有一個單元能使用 clock，下圖的 SCLK 是 clock input，UCCSCLK 是給 FPGA 的 clock。

看來有 8 個單元需要 clock，雖然說一個個測量是很容易，但這樣似乎很沒效率，應該有更簡便的方式吧。

Clock tree in main board（圖片來源：實作派提供）

記得手機都有工程模式，這種貴森森的儀器應該也有吧！有了剛才的經驗，再來問一下谷哥大神，我發現有一種手冊稱為 53131A Counter Assembly Level Service Guide，裡面有各種自我故障排除的步驟，其中一個章節有寫道在送修之前可以先自我偵測一下，做初步的判斷。你看下圖，目錄裡面有 Diagnosing the Faulty Assembly by Using the Self Test 的章節，所以維修手冊還是要看，裡面可能有你需要的東西。

Counter troubleshooting content（圖片來源：實作派提供）

自我測試程序

我們來看看這個 Self Test 章節裡面有甚麼，截圖在下面。原來只要按住 Recall 鍵，再打開電源，就能進入 Self Test 模式，這跟打電動的絕招很像嘛！

Self test chapter（圖片來源：實作派提供）

趕快來試試，選到 TEST:ALL 項目，按下 Enter 之後，馬上就停在下面這個畫面，喔~不會吧，這是說 FPGA 壞掉的意思嗎？

Counter FPGA fail（圖片來源：實作派提供）

那如果是其他項目做 Self Test 會怎樣？我選了 CPU，也就是 68K 的測試，結果是 PASS，表示儀器本身的系統是 OK 的，只有 FPGA 故障，所以沒辦法測頻率，唉~ FPGA 故障…有點難處理了。

Counter CPU self test（圖片來源：實作派提供）

採取行動

整理一下目前的狀況

這是一台維修費與新品相當的儀器
Power Supply 電壓偏高
主機板 FPGA 故障

這基本上就是打破免賠，修好賺到的概念。就先從 FPGA 來吧，Self Test 顯示 fail 很有可能是 FPGA 的通訊埠的焊點鬆脫，導致 CPU 送來的 Request 沒有回應，所以理論上只要找到鬆脫的地方，重新焊過應該就會好了。若真的是 FPGA 壞掉，那就真的沒救了。

所以我就拿了烙鐵把 FPGA 相關的腳位與周邊 IC 的腳位都補焊了一次，結果…大失所望，重新上電之後，一樣卡在三個燈號上，所以維修主機板無解。

Resolder FPGA（圖片來源：實作派提供）

再來就是 Power Supply，我知道它電壓偏高，但我不確定主機板上的 IC 是否能耐得了這多出來的電壓。根據板子上的邏輯閘與 Xilinx FPGA 的 datasheet，耐壓最高是 5.5V，而電源供給的是 5.54V，確實是已經頂到天花板了，而且還要再高一些些。但是 Self Test 程式跑得起來，表示主機板應該是也能跑起來才是啊。

反正現在也只剩下 Power Supply 可以處理了，棘手的是電容看不出有問題，除非一顆顆拆下來量，根據Switching Power Supply 的構造，剩下的可能性應該是二次側回授訊號有誤，造成一次側 PWM 的寬度不正確，導致電壓不正確。

Adjust Power Supply VR（圖片來源：實作派提供）

影響回授訊號的原因很多，但我很明顯看到在二次側有一顆半固定可變電阻（Variable Resistor , VR）在我眼前，而且又這麼靠近光耦合器 Photocoupler PC111，我當下已經有點懶得查了，一想到要追線路就頭大，不如直接拿螺絲起子給它轉下去，看看結果如何再說，就這麼辦吧！

於是就拿了電錶，一邊測量 5V 電壓，一邊旋轉可變電阻，它還真的慢慢地讓 5.54V 調整回 5V。但我必須說，這樣的處理方式並不好，因為我並沒有找出病因，也許是電容、也許是穩壓的稽納二極體、也許是它的供電電晶體出了問題，但我真的不是很想找下去了，因為已經花了太多時間了。

維修結果

總之電壓調回來了都在 10% 以內，接著就是最緊張的時刻，上電測試。把電源按鈕按下，經過幾秒鐘的面板自我測試，面板上出現了跳動的數字，真是太感動了! 頻率出現了，雖然目前沒接訊號所以頻率亂跳，但起碼不會停住了。之後我拿 10 MHz 的訊號來測試，扎扎實實的就是 10.00000 MHz，小數點後有幾個零我忘了，但確定是準的。