(BI4LBK)Tektronix 496P 频谱分析仪维修
I 概况
我手头这台496P比较有故事，据说是十多年前BG2TOX购买的，因为无法修复故障，转手给BH4ILP，由于这种频谱仪的实用性已经不大了，BH4ILP最后也未修复，在两年多以前BH4ILP将这台496P赠送给我，当然我也是将它扔进了地下室…
最近一年的时间里我逐渐修复积存的故障设备，上个月目光投向了496P，于是这台频谱仪离开了昏暗的地下室，搬到闪光灯下准备被拆解和修复（我做到了！）。
大约两年前(Nov.2020)收到这台496P之前，已经被BH4ILP告知了以下问题：
- 1 输入衰减器烧毁。
- 2 第一混频器可能损坏，或某一级中频增益低。
- 3 机内贴有一个不明来源的晶体管。
以下维修顺序基本按实际维修过程描述。
II 第一混频器维修
给496P通电，正常启动，没有报错。为检查本振和大部分射频通路，将频谱仪调谐到0Hz，也就是所谓的“零频”。在此处频谱仪可以看到自身的本振泄露，这说明496P的大部分射频通路和控制系统都正常工作，可以进一步进行工作状态检查。因为已知输入衰减器烧毁，首先需要检查第一混频器是否良好，如果混频器也被烧毁，则没有太大的价值继续维修了(混频器昂贵且难以获得)。
1.拆除输入衰减器，直接从第一混频器输入端口处提供100MHz射频信号，根据频谱仪CRT显示的RF ATT值设定信号源幅度，REF LVL为0db时，RF ATT为30db，因此输入-30dbm的信号，频谱仪应该读出0dbm的幅度。实际上读出的幅度在-40dbm以下，这代表射频通路中某处损耗大或增益低。
2.首先排除中频通路增益问题，我选择从最末级开始。频谱仪的第三中频为10MHz，检波满幅度为0dbm，因此直接向对数放大器注入10MHz,0dbm的信号，此时可见频谱的基线升高到屏幕最顶部，检波及视频部分正常。随后检查第二中频，第二中频为110MHz，注入110MHz -50dbm的信号，同样可以获得0dbm读数，此处可以排除第二中放，第三混频器，RBW滤波器的问题。继续检查第二混频器及第二本振，第一中频为2.072GHz，并由第二混频器下变频到110MHz。由于手头没有能达到2.072G的信号源，但需要的幅度在-40dbm左右，因此投机取巧一下，利用信号源的二次谐波，在另一台频谱仪上观察谐波幅度，将其调整到-40dbm左右注入第二混频器（由于第二混频器有腔体带通滤波器，1.036G处的强基波应该不会导致混频过载）。实际上似乎也有效，可以得到0dbm左右的读数，并且幅度变化的趋势大致与信号源调节趋势相同。此处可以排除第二混频器，第二本振的（幅度）问题。于是剩下的就是第一混频器/第一本振问题了。
3.根据手册的标称值，测量了前面板第一本振输出，以及进入混频器/耦合器的第一本振幅度，两个信号幅度均在标称范围内，因此第一本振(幅度)问题排除。只能是第一混频器相关的部件有问题了。
首先看第一混频器相关部分的框图，496P采取的是定向耦合器+混频器的方式，定向耦合器通常是微带无源器件，非常坚固，因此损坏的概率微乎其微，这里也就省略不查了。而在混频器内有两颗肖特基二极管极易被强输入信号烧毁导致昂贵的混频器报废，由于输入衰减器已经被烧毁了，当下需要确认这两颗二极管是否幸存。
由于尚不了解混频器内部构造，因此盲目把混频器上的二极管模块拆下来测量，测量结果表明两颗二极管的压降都非常接近0.42V，看起来不像是被烧毁了。
此处特别注意：混频器上的二极管模块极度脆弱，倒装的二极管陶瓷衬底通过三条金带与框架连接，不要对陶瓷部分施加任何偏心压力，不要试图掀起陶瓷衬底，装回时确保垂直对准，否则将导致金带断裂难以修复。
4.将混频器复装回去，装机检查，情况既没有改善，也没有恶化。但突然想到没有测量输入平坦度，是否所有频率都低40db多呢？当然不是。随着输入频率的提高，幅度也逐渐提高，到1.2G时幅度已提高到-16dbm左右，这似乎像是一个典型的接触不良问题，信号正在通过寄生电容耦合，随着频率的升高容抗越来越低。随后，检查了第一混频器附近的所有线缆和SMA接头，并没有发现损坏的迹象，于是再一次拆下混频器，试图了混频器内其它结构的原理。
现在，我们仍然需要借助混频器的框图。这里可以看到混频器内除了二极管之外，还有一个定向耦合器和一个90度移相器。其中LO口(P127)连接定向耦合器的一边，可以看出这一边直接到达二极管，对DC应该是直通的。IF口(P124)经过耦合器的另一边并通过移相器后到达二极管,假设移相器是微带延迟线做的，那么对DC也应该直通。而RF口(P123)直接连接两个二极管，看起来没有DC BLOCK。因此通过混频器外部的三个端口应该可以测量到二极管不同方向的压降。但实际测量结果表示有问题：从LO到IF方向可以测到0.84V压降，说明电流经过了两颗二极管，移相器对DC也是直通的。但从LO到RF，RF到IF均为开路状态，这表示RF与任意一个二极管都没有构成通路。
5.再次拆下二极管模块，依次测量混频器基板与外部端口，结果表明RF口开路。
接下来拆掉RF口的SMA插座，看到了非常奇怪的现象，在两层PCB中间似乎有个细小的缝隙开口。
但SMA插座后面是平坦的，中间似乎有个断茬？
为了搞清楚这里的问题，混频器需要被整个拆开，混频器内部的基板是三层PCB层压的，但在四周可以稍微分开。
这是另外两个SMA插座之一，它清晰的表明插座是通过压接的方式与基板接触的，插座后面延伸出来了一小段端子，而损坏的插座端子已经断裂了，断掉的部分甚至不在混频器内部，它是被前人拆卸损坏的。
于是一支BC547献出它的半条腿，我在RF插座上再造了这部分端子，考虑到这只是个1.8GHz的频谱仪，大概也不用多讲究了。
后面的事情就很简单了，小心的把混频器原样装回，混频器的基板是三层压合的，这三层都可以在边缘剥离开，因此需要注意SMA的端子是插进哪一层里面，否则也不会建立正确的接触。
装机测试，该混频器立即产生了正确的幅度响应，这个被蛮力拆卸损坏的混频器，又被我粗暴的“修好”了。
III 输入衰减器维修
这是拆下来的衰减器组件。前人已经在继电器上标注了每一档的衰减量，它是由10+20+30db的PAD组成的。经过测量表明10和20db均已烧毁，30db正常。
比较巧合的是，我从网上买到了一个相似的，但只有10和20db两组的衰减器，因此期待内部的PAD可以互换。
这是衰减器拆开的样子。
实际情况是10db PAD尺寸完全合适，但20db的要更长一点。
既然都已经买了，自然得想办法用上。衰减器外壳上没有贴BeO警告，但为了安全和打磨质量，用金刚石锉在水中打磨PAD到合适的尺寸。
复装衰减器，现在衰减量测量正常，平坦度由于条件所限未作测量。衰减器可以认为功能性修复。
IV 一本振锁相维修
496P的第一本振在较大的SPAN下是开环扫描的，当SPAN小于等于50KHz时，自动将一本振锁定到间隔5MHz的步长上，提高其稳定性，降低寄生调频。于是将SPAN设定到50KHz时，频谱仪面板短暂的失去响应，几秒后屏幕提示ERROR:58。经过查手册，该错误表示一本振无法锁定。由于我尚未接触过这类仪器，对这种设计所知甚少。通过阅读手册大致了解到它使用谐波混频器对一本振下变频送入鉴相环路。这些信号跨越多个组件，因此我想先检查连接是否良好？
根据手册提供的接线图依次检查各个插头的连接关系，发现红框处有一个空余的插座，但插头应该插在上面，而不是下面。会是这里的问题吗？在确认过插座旁边的钢印标识后，我将插头交换到上面的插座上并通电测试。将SPAN调整到50KHz时，锁相指示灯立即点亮！这个故障只是前人疏忽造成的。
如果有人好奇的话，这是谐波混频器组件内部的样子，忘记用相机拍照了。
如果曾经没有人拆开的话，这里面的指纹是来自Braverton原装进口的。
V 黑屏故障维修
经过前面的故障排除阶段，496P的大部分功能似乎都在正常运作，因此我开始延长开机时间，观察它是否存在热稳定性问题。果然，在持续开机20-30分钟后，CRT屏幕会毫无预兆的“黑屏”，也就是突然失去全部显示，没有任何预兆或过渡阶段。
只需要关机几分钟稍微降温再开就可恢复。在发生这种故障时，根据前面板的指示灯判断面板还可以操作，但1本振看起来不能锁相，推测缺失的是一路模拟电源而不是CRT的专用供电。
由于担心主电源的状况（一旦有严重故障导致电源烧毁，修复将更加头疼），因此在没有确定找到故障点的情况下，首先拆下电源模块检查内部的状况。
事实证明及时检查主电源是正确决定，很难说这些RIFA能不能坚持到下次通电。
主电源内大多数电容正常，个别的有漏电现象。由于该机电源工作时温度很高，整机的热风也通过电源排出，因此电容先全部更换。
电源维护后，装机继续观察现象，用热成像寻找故障点是徒劳的。由于板卡密集，难以看到内部具体状况。
在大约40分钟后，又一次黑屏。这次及时测量了各路电源，测量表明+15V已降低到5.7V左右，不是完全短路，看起来像负载过重。因此找了一个风扇对着各个区域吹，看看能不能把这路电压“吹回去”。在吹到这块区域的时候，电压可以被吹到7.2V左右，拿开风扇又开始下降。于是拆卸该区域的相关板卡检查。
哈! 很快找到了两个头脑发热的家伙。周边的两个也一并更换。随后进行持续通电测试，没有再发生黑屏问题。电源相关的故障排除完毕。
VI 基线噪声不稳定维修
在持续通电的测试中，又出现了新问题。即便是没有输入信号，频谱仪的噪声基线也会升高或抖动，在1M和300K RBW时尤其明显，在最差的情况下基线可以离开底噪区，变成一条缓慢上升的水平线，一直到达屏幕顶部，出现这种情况时1本振无法锁相。但故障时可以用力拍打机壳恢复工作，见如下视频：
首先怀疑的是中频通路部分，会是RBW滤波器或对数放大器的问题吗？从RBW滤波器(Tek称为VR1/VR2模块)的输入注入信号，并敲击RBW滤波器，对数放大器，视频处理等部分，屏幕上显示的基线十分稳定。
根据根据噪声基线升高时1本振可能无法锁相的现象，进一步怀疑是不是本振偏移而混入中频？于是开始了新一轮的敲击检查，直接测量频谱仪前面板的1和2本振输出，并敲击YTO振荡器附近的区域，将1本振锁相并设定为ZERO SPAN模式，可以观察到敲击会导致1本振有漂移（但1本振漂移问题应该不大），随后测量2本振，仍是敲击YTO附近区域，这次发现了异常问题：
在敲击时，可以观察到本应该保持稳定的2本振频率出现了漂移，并且不能随着停止敲击而自行恢复。既然敲击可以同时影响两个本振，那么它们的公共部分值得怀疑，也就是基准频率部分。
频率基准与第三本振/第三混频器是装在一起的，位于YTO附近，拆开这部分倒是解答了我一个长久以来的困惑， 这台仪器来的时候就看到机内贴了个小袋子。
袋子里面是一颗“十字架”封装的射频晶体管，但一直没查到这是哪一部分上的。
现在知道了，这是第三混频器的混频二极管，已经被前人用其它型号替代了。此外从框图还可以看出第三本振与100MHz频率基准共用同一个晶体振荡器。
测量100MHz频率基准输出，并敲击这个模块，可以看到输出频率有瞬时跳变，可达几MHz，这基本就把问题锁定到了晶振相关的电路上了。
拆下这个模块检查，可见前人已经在这上面做了许多维修工作了。
可以看到该模块上大量使用小封装的实心碳质电阻，这些电阻只有1N4148二极管那么大。在我初学电子的时候就被告诫不要使用这类电阻，它们是最差的。不知道Tek是否为了避免金属膜电阻的ESL问题而选择这些东西。
检查晶振相关电路，板子上有一个空气微调电容是调节基准频率的，经过检查该电容焊接和接触都良好。但振荡晶体管的两颗电阻产生了较大的漂移，这两颗电阻也是碳质电阻，这让我考虑晶体管的直流工作点是否稳定？利用FFT分析仪的时域模式，测量晶体管的发射极和基极电压，可以看到随着敲击，这两处会产生几十mV的脉冲干扰（此处无图，忘了拍照）。但大体上可以怀疑电阻内部接触不良使得晶体管工作点变化而导致振荡频率漂移。于是R3042和R4046用新的电阻更换。
VII 对数放大器校准
是时候进行最终检查了！在检查幅度精度时发现，如果通过面板上的AMPL校准旋钮将输入幅度与0dbm参考对齐，则输入幅度越低误差就越大，输入-40dbm时，读出的幅度已经是-52dbm了。直接进行对数放大器模块检查并确认该模块需要维修或校准。 首先跟随手册的描述尝试进行校准，通过调节前面板上的LOG校准旋钮，对数放大器大致可以获得正确的幅度响应，这说明LOG旋钮被人错误的调节过，对数放大器应该没有大的故障，但增益仍有一定的偏差。
对数放大器的校准电位器位于板子中部，因此要用全绝缘材质的螺丝刀伸进去调节。
Tek的手册在这部分写的相当模糊，在经过大概三个多小时的摸索以后，对数放大器95%的满足了手册的要求，以下视频演示了10db/div和2db/div的幅度响应情况，看起来还不错，线性模式要差一些，但由于线性模式很少用，并且线性与对数的调节是相互影响的，所以放弃进一步校准。
有关对数放大器的校准，有以下建议：
- 1 不要轻易试图调节这个模块，如果幅度问题不大则忍受它.
- 2 手册的描述模棱两可且混乱，决定开始校准前一定确认手册描述的PCB与仪器内所安装的PCB版本是相同的，调整电位器的功能和位置在某些版本中有所变化。
- 3 调节前一定在电位器上画线记录其初始位置。
- 4 长时间拆开外壳进行调节时，一定注意RF DECK和数字控制部分的散热。
VIII 其它问题？
还有其它问题吗？是的。进行最终性能检查时，仍然有一些小问题：
1.输入平坦度不佳。在100MHz时校准到0dbm，然后以100M为步进测量到1.2GHz的区间内，最差的一点幅度误差为-2db（未扣除线损）。手册要求平坦度为+/-1.5db(ATT=10db)，由于平坦度是硬件性能保证的，没有可调节的地方，前端组件经历了大量的野蛮维修，同时测量时又未扣除线损误差，大致上可以认为1.2G以内的平坦度应该最差也就在超差的边缘，勉强合格。1.2G以上暂无信号源进行测试。
2.频率扫描精度一般。设SPAN为100MHz/div，输入100M信号并对齐到屏幕最左侧的格子上，然后输入1.1GHz信号，信号已经超出了最右侧的格子大约1/5个格。考虑到这是一种模拟扫描的频谱仪，本身就无法十分精确的测量频率，校准估计也比较复杂，因此放弃校准。
到目前为止，Tek 496P的维修告一段落，仪器已经恢复了所有功能，并基本达到了标称精度。
机器拆解部分请见上篇。
Tektronix 496P 频谱分析仪维修拆解
~完，感谢阅读~
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