【實作實驗室】計頻器故障維修實錄

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。

Counter is fixed(圖片來源:實作派提供)

小結

你們覺得這樣算是有修好嗎?我認為沒有抓到病因,不能說 100% 修好,但它目前確實可以動。對於我同事來說,他們覺得太神奇了,竟然可以修好,現省 10 萬,而且非常高興。

假設你是維修人員,轉個 VR 就讓機器會動,你應該收多少錢?雖然只是轉個 VR,但可是經過層層關卡才到這裡,有經驗的人也許更快。剛才我的問題是陷阱題,事實上我不是只有轉 VR,那只是眾多 Action 之一,在那之前有很多無效的 Action 與經驗判斷。

所以若我自己對外接案,我只會講我花很多時間修好了,不會強調「轉個 VR 就好了」,那只會讓外行人覺得你好 low,這樣也要收這麼多錢。

你的專業值多少錢?要怎麼做才能讓別人尊重自己的專業?將來我們請水電師傅來家裡施工,我們又願意花多少錢請專業的人來處理?我認為這個問題很值得思考。

(本文轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:葉于甄)

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實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。
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