bg1grn's 4910维修案例

lymex

故障现象

4910是早年Datron/Wavetek生产的高稳定度的固态电压基准，具有独立4路10V、内部平均电路、内部缓冲10V输出、1V和1.018V等功能。由于采用了PWM技术，再加上Datron的精心设计/制作，使得4910成为有史以来最稳定的固态基准。

该4910的历史：grn从eBay买得，当时从照片上就知道第4路故障（灯不亮）：

但感觉问题不会很大，这基准全部采用分立元件和小规模常见集成电路，坏了也能修，就拍了下来。后经Ae修理，发现这第4路是电源问题，换了调整管等器件，故障消除。但经过测试，仍然表现不佳，用8位半很容易观察到变化。

机器拿到我这里，首先就是加电测试，结果很令人失望：


测试的时候是与我的4910、我的其它基准一起，用17×2多路扫描器/开关巡回对比进行的，一共17路基准。曲线是每纵格1ppm（下同）。明显看出噪音大，电压偏差大，尤其是波动非常大。检查结果，居然是短路造成的。
由于运输的关系，基准的底部轻微变形，造成机壳与内部螺丝（Lo）接触短路，这样形成环流，使得输出变差。
这其实也是基准在设计时考虑不周：底板没有绝缘，而且两个螺丝突出，尽管整个底板包括C部分是有塑料片绝缘的，但AB处的那个通气窗口的绝缘部分被剪裁掉了。
解决办法很简单，纠正变形后，螺丝周围局部加上塑料片+胶带。


继续与其它基准一起测试30个小时后做出曲线，短稳完全正常了（测试线很细），1、2、3路非常平稳。但第4路（grn4）的问题也暴露出来：随温度的变化而反向变化。



曲线中，两个早期的731B由于不是恒温的，因此也有一些温度系数（正常），但这第4路的温度变化更明显。用散点图做出分布曲线，求得温度系数为-0.60ppm/K，远大于4910的指标：0.05ppm/K。

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故障定位

接下来，就要找出这路温度系数大的原因了。看电路，这是个双闭环的，U111负责把基准的7.23V用常规的电阻分压法（R122/R124）升压成10V（O点），取得良好的噪音和动态特性。然后该电压经过PWM电路分压成Vp后（B点），通过U109进行对比，使得任何不同于Vref的偏差都会得到纠正。通过R112和C113的积分作用，PWM的噪音得到有效的抑制。
R111和R113对辅PWM进行分压，弱化了65536倍（2的16次方），是微调用的（最弱的2个旋钮），由于U109/LTC1052的Ib非常小，C113的漏电也可以认为不存在，因此这个对比就是B点与基准点Vref之间进行的。也由于U109/LTC1052的增益非常高（>=120dB），因此只要对比的输入有少许偏差（例如1uV），就会让输出有足够的电压（>=1V）来改变O点，从而通过反馈让B点与Vref相同，从而达到输出仅与PWM分压比相关的目标。


接下来，测试基准的Vref=7.23V，这样就可以判断是基准的问题，还是后续电路的问题。测试了20多个小时的曲线如下：


显然，基准是稳定的，不随温度而变化，问题出在后面。
本着先易后难的原则，先怀疑U109和U112相关的模拟电路。
从A点断开，这样数字电路形成开环，PWM及U109相关电路将不起作用，再次测试24小时，结果正常。开环的10V由于只用了两个1%的金属膜电阻（R122/R124）进行升压，具有+11ppm/K的温度系数，已经很不错了。这样级别的温度系数，或者有类似级别的老化因素，只要闭环了，都可以由PWM部分纠正过来。



然后接上A，改测PWM的输出，也就是B点的电压，测试了12小时：


B点的曲线和其它7V一样，也是按照每格1ppm来转换的。尽管能看出B点的电压噪音较大（PWM的特点），但结果是稳定的、不随温度而变化的。
至此，可以确信是主PWM的问题。
原因很简单，正常的PWM会从O点以不变的比例分压成B点电压，而现在O随温度而变、B不变，说明PWM分压比在变。
换句话说，PWM的分压比若出了问题，影响的就是O点的输出，而不会影响B点。
B点稳定，也同时说明U109相关的电路是没有问题的。




事实上，别人也包括我自己也怀疑过辅PWM的问题，但感觉这个弱化了65536倍的反馈，必须有相当大的问题，才会引起输出ppm级别的变化。最后还是断开了C点测试了Vs：

可以看出，辅PWM分压后的噪音很大，这是因为滤波只用了三阶的原因。由于只有几ppm的变化，属于正常。

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故障排查

这样，就必须对复杂的主PWM电路下手了。但检查主PWM，首先检查电源。电路板是插在缝隙里的，运行状态不能直接测试，做个延长板也不现实。实际上每次测试是先把板子拔出来、焊接出引线，然后再插进去，加电测试的。
PWM电路最主要的部分的电源有两个：10V(A)和10V(B)。


其中，蓝色圈的10V(B)就是要分压的10V（O点），而其余的都是用了10V(A)，那么就要看后者的电压了。


10V(A)其实就是从O点即10V(B）跟随出来的另一个10V，目的在于提供一定的电流但不对主10V形成负载。D301、D302等是启动用的。Q305接成射随，提供比运放更大的输出电流，但由于运放供电电压是12V，不能输出高于10V的电压来驱动Q305，因此用D303/R309进行电位转移。
一测试，10V(A)的电压居然是11.24V，而且一直在变化。
这样问题就初步定位了，是这个电源出了问题。首先怀疑是负责启动的D301击穿，这样电压就不是2.0V而是直通，造成运放3脚电压偏高、输出也就高起来。在线测试果然D301短路，拆下来用三个1N4148替代：

D301下面的2V0，是2.0V的意思，不是字母VO。顺便说一下，2VO是我的呼号。

把三个二极管换上去测试，输出电压仍然是11.24V！
继续测试，运放U302的3脚电压是正常的10V、但6脚输出是11.9V，因此怀疑是该运放问题，打算拆下来替代。但拆前一观察，居然这运放的3、4脚是交叉的！而且3、4脚贴的很近貌似短路了。马上在线测试了一下，结果并没有短路，只能拆下来。



为什么3、4脚会交叉呢？首先怀疑是原始电路板布线问题，为了简单的弥补而不用重新布板，有意的这样做的。但观察了另外一组好的板子，其对应运放的管脚并没有交叉，拍了这两个板子的背面的照片对比：



可以看到，电路板背面完全一样，因此只有一种可能，交叉属于安装错误，而且是从娘胎里带来的问题。合理的判断是，厂家在组装的时侯，这运放的管脚比较长，但扭曲了，造成插板的时候错位交叉，然后强行压入的。退一步讲，如果是有意交叉，那也应该用塑料管进行绝缘才对。也不太可能是运放本身的3、4脚错位，被检查出来而故意为之。Datron/Wavetek真要发现3、4脚错位的运放，本应淘汰。

用指针万用表R×100档测试该运放，发现2、3脚是不对称的，类似二极管。而从其内部电路上看2、3是对称的，因此初步怀疑该运放已经损坏。经过简单的搭了一个跟随电路试验（电源12V），3脚加上5V但2、6脚只有2V多，确认是运放损坏。
由于手边没有LM301/LM101，找了一个精度更高的AD707进行替换。AD707的可能问题是增益太高存在不稳定因素，但这电源是一个简单的闭环增益为1的电路，不会出问题。


换上AD707后，10V(A)就正常了。当然，C311这个针对LM301的补偿电容也没有用了。以下是换下来的元件：


为了保险起见，用数字表的交流档，测试了10V(A)的交流噪音，非常小，确认没有纹波或振荡。

lymex

调整与测试

问题解决后，加电测试，发现原本10V的输出变成了10.000707，高了70.7ppm。
这属于正常情况，也说明10V(A)对输出有一定的影响。也就是说，10V(A)从11.24V降低到10V，造成主输出70.7ppm的升高，因此对这电源的抑制比就是57ppm/V。
另外，也可以推算出，原来主10V的-0.6ppm/K的温度系数，相当与原来10V(A)=11.24V具有了+0.01V/C的温度系数。这也可以说明，需要10V(A)具备0.0003V/C的温度系数，也就是不大于30ppm/C的温度系数，才能忽略对主10V的影响。当然，那个电源正常情况下达到10ppm/C以下都没有问题。

本来，第3个微调钮具备21ppm/格的调节能力，调节3格就基本能达到目的。但该钮已经到了极限，只能再调节1格，因此实际调节时，调节了第4个微调旋钮1格，同时把第3个反向调节了13格。当然，第2个和第1个微调旋钮也都进行了调节，使得最后4路10V电压基本一致。
各微调旋钮的调节量（实测）如下：
第一钮：0.08ppm/格
第二钮：1.33ppm/格
第三钮：21.1ppm/格
第四钮：337ppm/格
第五钮：（未测，推算为6000ppm/格）
可以看到，这是16进位的，即每个相邻调节旋钮的灵敏度相差16倍。 整个调节范围是16×6000ppm=96000ppm，或者说，可以调节范围大致是9.52V到10.48V，相当与可以适应7V基准变化范围为6.88V到7.57V，足够了。

接下来，测试曲线（随时更新）

时间还不太够，18小时，但已经可以看到很稳定，温度系数已经小到测试下限了。


补充：连续测试了30个小时，局部放大图，纵向每格为0.1ppm，grn4表现正常。


补充：断续测试，发现grn4的电压有所下降，下降了大约0.35ppm


2011-2-9补充：
前面测试发现grn4的电压有所下降，昨晚继续测试，结果发现波动还很大，马上检查，发现居然是接线松了。接好后继续测试，问题消除，完全恢复到刚修好后的电压值。

lymex

问题过程推断

首先，插件/安装失误，造成运放U302（LM101）的3、4脚交叉。

随后，3脚正输入接地，造成运放高输出，D303的钳位不起作用（相当与开路），使得10V(A)输出达到11.24V，而且有比较大的正温度系数，造成整体10V输出具有-0.6ppm/C的温度系数。
由于Datron/Wavetek没有进行内部电压测试（没有测试点），因此该板通过了加电检查。
又由于厂家的测试环境是恒温环境，因此温度系数大这一缺陷没有表现机会，也没有被发现。
厂家进行了稳定性考核，也没有发现问题。
本来运放U302的3脚到4脚是不通的，但3、4脚接错后4到3就提供了低阻通路，因此造成12V(B)通过D301、D302、U302的4->3对地形成较大的电流，出厂后运行时间一长，首先造成D301过热击穿短路，这样一来电流更大，造成12V电源调整管损坏。同时，尽管U302可能没有马上烧断，但脆弱的输入端流过很大电流，也功能失常了。

Ae把电源部分修好后，或者U302已经被烧坏（4脚到3脚为开路），或者修好后的电源更强劲，把U302的4-->3烧断，运放的输出开路，使得10V(A)的输出达到11.24V附近，并随温度而变化，造成主输出的温漂效果。

总之，4910的设计很完美。以前分析过4910的电源部分原理，也是慎密周全。但是，貌似生产制作过程并不理想。另一个问题已经提及过，LTZ1000A典型电路中的R3（70k），根据Linear，是关键电阻之一，其变化100ppm将对7V有0.2ppm的影响：

这电阻本来应该采用较好的电阻，但Datron居然只采用了一个1/16W的普通电阻68k，这样如何能保证电阻的变化不大于0.05%从而让基准的变化不大于1ppm呢？

lymex

【全文完】

老来学皮匠

沙发[s:30]

qinchang

关注DATRON4910

youngliu

只能地下室听课了

三只眼闲人

那我就负2层听课。[s:31][s:31][s:31]

zoo

第四路为啥没看到外挂的那个33p电容？

suny-hyb

老大太强了！   

youngliu

引用第10楼zoo于2011-01-22 23:56发表的 :
第四路为啥没看到外挂的那个33p电容？

可能再正面，现在被老大卸掉了吧

csclz

学习，匪夷所思的故障啊

自定义

老大就是老大,分析得透彻,这个DATRON的工人工艺实在太不严谨了.

yjm2000

这个太厉害了！理论加经验啊！

lymex

引用第10楼zoo于2011-01-22 23:56发表的 :
第四路为啥没看到外挂的那个33p电容？

不了解了。这个电容是U111的2脚和6脚之间的，估计是增进稳定用的，后补的，电路图上没有。

入铁三分

看这样的帖子感悟良多啊

zwei13

为学习

zy_sh_npk

学习了，现在对4910的原理了解的更多了！

bgqjm

这个故障不是一般的离谱，LD不是一般的厉害。

bosch

这个维修案例反映了了楼主的精深的理论知识加上实践维修经验的总结的完美结晶。希望版主加精

deng_18

学习了

redtony

老大也是修机高手啊!拜膜!

absolut

这个机器居然能通过测试出厂？

轩尼诗

老大厉害，学习了。[s:31]

王珏

佩服！！

vr2whf

Very Cow B!  [s:31]

grn

妙手回春，手到病除，[s:21][s:31][s:27]