作者：實作派
前幾天為了提高計頻器 Counter 的準確度，因此嘗試把一個從 GPS 訊號轉換來的 10 MHz 頻率輸入 Counter 裡面當作時基 Timebase，這稱為參考頻率 Reference Frequency，這樣 Counter 的頻率測量就能很精準（畢竟 GPS 衛星上搭載的是原子鐘，它要一億年才會慢一秒，對我來說這種精準度很夠用了）。
Counter 參考外部頻率（圖片來源：實作派提供）
Counter 又不開機了
一開始我用得滿愉快的，但突然間計頻器 Counter 又故障了，我心想這不太妙…去年修理時，我大概知道自己沒有找到真正的原因，這次如果要修，應該會很硬，當時的文章在這裡【實作實驗室】計頻器故障維修實錄—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。
The counter stuck here（圖片來源：實作派提供）
Counter FPGA fail（圖片來源：實作派提供）
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。
檢查 Counter 電源電壓（圖片來源：實作派提供）
測量結果如下：
3.3 V – now 3.34 V
5 V – now 5.18 V
-12 V – now -11.89 V
12 V – now 12.05 V
9 V – 與9 VG 之間為 9.1 V
9 VG – 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什麼東西，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 12 V 與 5 V 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 12 V 與 5 V 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。
Counter 的電源電壓穩定線路（圖片來源：實作派提供）
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 2.47 V~2.52 V 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 10 MHz 的訊號可能會在某些時刻出現很怪的讀值，如下圖出現了 74.2 KHz 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 讀值不穩定（圖片來源：實作派提供）
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。
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。
追蹤 Counter 的輸入訊號波形（圖片來源：實作派提供）
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 0 V，這嫌疑真的很大，因為 5 V 邏輯電路的 high/low 應該要接近 5 V 與 0 V，怎麼會出現個 3.6 V，於是我繼續往回追。
LCHxPEDGE 腳位兩個 CH 不同調（圖片來源：實作派提供）
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。
LCHxPEDGE 路徑上的電壓前後不同（圖片來源：實作派提供）
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。
（圖片來源：實作派提供）
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。
電阻零件樣品本（圖片來源：實作派提供）
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。
更換 Counter 主機板的電阻（圖片來源：實作派提供）
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 10 MHz 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 穩定的頻率讀值（圖片來源：實作派提供）
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 10 MHz 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，電源打開之後我差點罵髒話！它竟然開機了… 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？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 10 MHz 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 10 MHz 插入 Ref In 再上電就會當機，但如果先上電再插 10 MHz 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 10 MHz 訊號繼續沿著綠色的軌跡到達 FPGA 做為參考頻率 TB_OUT。
主機板的外部頻率線路圖（圖片來源：實作派提供）
首先我確認了 PLL 確實有複製出 10 MHz 訊號，因為若把 10 MHz 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 10 MHz 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。
計頻器主機板的振盪器線路（圖片來源：實作派提供）
我拿示波器觀察 R265 的前後波形，發現它的左邊確實有 10 MHz 的波形，但是到了右邊的 INT_TB 線路 10 MHz 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？又或者是靜電？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。
更換主機板的 INT_TB 串聯電阻 R265（圖片來源：實作派提供）
Counter 重獲新生
為了驗證維修有效，上電之前必須先把 10 MHz 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，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 6 Hz 的誤差，雖然這是 0.6 ppm 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 18 pF 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。
Counter 背板的頻率調整旋鈕（圖片來源：實作派提供）
經過調整之後，由 Counter 自己的晶體振盪器測量 GPS 的 10 MHz，大約有 0.02 ppm 的誤差，我想這樣應該算很滿意了。在當時我確實很滿意，但經過三天觀察，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），長期來看這台 Counter 大約有 2 Hz 的誤差，也就是 0.2 ppm 的誤差水準，對我來說還算可以接受。
調整後的頻率讀值很精準（圖片來源：實作派提供）
看起來這次我有真的找到問題，至於是不是還有其他地方有故障，我也不知道，如果沒有明顯症狀出現，那要找起來真的是大海撈針啊，目前就先這樣用囉！
（本文經同意轉載自實作派電子實驗室、原文連結；責任編輯：賴佩萱）
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