(BI4LBK) HP 4192A阻抗分析仪拆解/维修
I 简介
在1980和1981年，HP在日本的子公司YHP（YOKOGAWA-HEWLETT-PACKARD）分别推出了4191A和4192A阻抗分析仪。其中4191A使用S参数法（精密单端口VNA），频率范围覆盖1MHz…1GHz，4192A使用自动平衡桥原理，频率覆盖5Hz…13MHz。以今天的眼光来看，与VNA测量原理相同的4191A已经不具有太大的吸引力了。但测量原理与绝大多数低频精密LCR相同，频率却扩展到13MHz，且具有1Hz分辨率的4192A仍旧是一类昂贵、稀有，且相当实用的仪器。于是一台4192A顺理成章来到了我的工作台上，这也是本期的主角。
从外部的功能上来看，4192A与许多爱好者家中的数字LCR电桥并没有太大的区别，它本质上测量DUT的阻抗/导纳和穿过DUT的激励信号的相位，进而可以计算出DUT的电容/电感值，损耗值等参数。而4192A内使用高分辨率的频率合成器作为其激励信号发生器，因此具备1Hz的频率分辨率（还可以使用外部信号源做本振，分辨率可以扩展到1uHz），这种高分辨率不仅可以在真实的工作频率下对DUT进行表征，还可用于扫频分析，了解DUT的阻抗曲线等。而高达13MHz的测量频率上限，则不仅仅是使用一个更好的信号源就可以搞定的事情了，这里需要有一些魔法设计：
要试图了解4192A的原理，需要先看看传统的自动平衡电桥LCR是如何工作的。上图所示的电路，假设这里有理想运算放大器，这个电路在DC或者AC激励的条件下都是成立的。该电路之所以叫做自动平衡电桥，是LO端子上利用运算放大器平衡ix和ir，这样当电桥平衡后，LO端子实际上是0V的虚地，es即为DUT上加载的电压，而量程电阻Rr是已知的，自然er也就等于DUT上流过的电流。知道DUT的电压和电流后，自然可以算出DUT的阻抗。如果使用矢量电压表去测es和er，还可以获得相位值用于计算复阻抗。通常绝大多数300KHz以下的LCR电桥都是直接基于这种构造实现的。当频率升高后，一些问题逐渐开始暴露出来，比如运算放大器开始变得“不理想”，在高频时没有足够的增益来平衡电桥。HP的工程师们使用了十分巧妙的技术解决了这些问题，因此4192A的电桥部分的框图看起来是这样的：
需要关注的区域仍旧是LO端子上的电路，因为LCR电桥大多数都是4端子测量的（4192A也是），在这里LO端子也被分为了LPOT（电压）和LCUR（电流）端子。在经典电路中的一个运放，实际上被拆开形成了几个不同的部分。首先从LPOT端子开始，这里进入一个固定量程的I/V转换器，当电桥不平衡时LPOT端子的电位也不为0，则有电流注入LPOT端子，此时I/V转换器产生相应的输出电压，该电压被变换到较低的中频频率后进行了实部与虚部的分离，紧接着被分离后的实部与虚部电压分别调制40MHz信号的幅度与相位，该40MHz的信号再与本振信号混频后产生的信号与测量激励信号同频，但幅度与相位不同的信号。该信号通过LCUR放大器放大后加载到量程电阻Rr上，其矢量和完全可以抵消穿过DUT的电流ix，因此电桥平衡，LPOT端为0V，此时测量Rr两端的电压即可获得穿过DUT的电流值。在这个过程中LCUR激励的相位经过了多次转换，下图是这些信号相位的关系：
必须通过HP-IB接口程控操作才能完全发挥4192A的价值，Michael D. Kelzenberg编写了一个非常好的扫频测量程序，其内置的曲线拟合功能还可以用于提取等效电路参数，以下是测量一个4.7uF 1210封装的MLCC电容的实例：
4192A有一些怪癖，比如当阻抗过小的时候不显示相位值，不知道为什么。
该软件可以在这里找到：https://mkelzenb.caltech.edu/software/4192A/
II 拆解
4192A体积硕大无朋，实际上内部结构比较松散，面板同样也比较松散。三个显示器有固定的功能组，A显示主参数，B显示副参数，C显示频率或者偏置电压。主/副参数可以从位于面板中间的切换区域选择。除此之外4192A其实也是一台低频的增益-相位分析仪（GPA），它具有A/B输入端口，可以测量A/B之间的幅度差和相位差，不过我有其它更好用的仪器,所以我不打算着重说这个… 4192A自身带有扫频功能，只能使用模拟记录仪输出，若想获得数字化的绘图结果则需要用HP-IB接口进行控制。
前面板两侧
机身侧面
后面板
连接内置频率合成器和本振输入的跳线。
4192A也可以使用外部信号源做本振替代4192A内部的频率合成器，以获得更高的频率分辨率，在手册里推荐是与HP 3325A搭配使用
HPIB与模拟绘图仪信号输出
拆去外壳
顶部
底部
在顶部与底部之间其实共有四层板卡，其中三层可以通过展开的折页进行检修。在顶部的左后方有一个锁可以锁住展开的板卡。
展开最外层的电源/处理器板
向下看，屏蔽罩下面的是频率合成器部分
拆去前面板后可以看到机内板卡的层次结构
前面板
再回到顶部，这是主电源部分
这里的警告说电源上这块金属盖和它的四个螺丝通过电容直接与AC电源相连，因此绝对不要触摸
两个坏东西：4192A使用镍镉电池保存用户配置，这两颗电池装在主电源上，一旦漏液可能导致整个电源报废。
拆除屏蔽罩
串联在高压电容上的电阻，经年累月的高温烧断了电容的扎带
主电源为开关电源，这是两颗NPN的开关管
电源的其他细节
在主电源旁边的是二次电源/偏置电源板。这块板子产生许多路隔离电源共电桥的不同区域使用，同时也产生+/-35V的偏置电压，可以加载到DUT上
两层屏蔽之中的隔离电源部分，实际上是一组RC振荡信号源带了4组开环的推挽变压器
下面是偏置电源区域
整板全貌
继续向下，在电源板背面的是一块硕大的处理器板
老版本的4192A有十多片ROM，在后期版本中改成了1片
其他细节
这些“汇流条”一面是5V一面是GND，两片铜排之间是某种介电材料，因此它同时也是滤波电容
继续向下，中间层的下半部分是频率基准与频率合成器区域
中间层的所有板卡
Fractional-N频率合成器
频率基准部分
X-Y记录仪接口板
中频鉴相器和ADC部分，这是对PROCESS AMP变换到中频后的矢量电压/电流信号进行采样的部分，包含一个开关鉴相器和一个积分式ADC
以下图片是机箱最下层的板卡，基本上都属于自动平衡桥部分的组件：
调制器板，用于产生5Hz…13MHz的HCUR激励信号以及同频率的LCUR激励信号，LCUR激励信号的矢量调制也在这块板上进行
这块板上包括HCUR驱动, LCUR驱动和量程电阻以及LPOT放大和矢量分离等相关电路
下面的板子是PROCESS AMP,是LCR和GPA功能共用的部分。对A/B通道的输入信号或者LCR的HPOT和LCUR(Rref)进行放大并转换到中频
机箱部分
后面板
III 维修
这台4192A买来就是坏的，然后又在我手里坏了一次，因此前后经历了两次维修，这里是两次维修过程的记载。
第一次维修
故障现象是这样的：开机看起来正常，执行自检显示PASS，测量任何器件都显示UCL，开路校准可以通过，短路校准无法执行，插入短路片就显示UCL。
经过查询手册，”UCL”实际上是电桥未平衡的提示，可能在正常操作中偶尔出现，但如果一直出现，大概还是有故障了。那时候，我对4192A的内部原理一无所知，看了下手册感觉十分庞杂，所以打算先摸索一下机器的各种功能，看看能不能从外部发现更多的故障现象。经过一些尝试，果然有了一些收获:
把一颗10k电阻放在治具上，电桥显示UCL。此时手动切换量程，在R模式下可以显示100欧或者1k，在各种频率下电桥均可平衡，如果换成电抗相当于10k的小电容等器件，则同样可以量出来数值准确，只是比例被缩放了若干倍的测量值。更换一些其它器件表明，该电桥实际上只能测高阻抗的器件，所有低阻抗器件都不能平衡电桥，似乎像是某处的量程/增益控制出了问题。再次阅读手册，原来该机的自检至多只能覆盖到PROCESS AMP部分，整个自动平衡桥部分都不在自检环路的范围之内，如果我选择相信自检结果，那问题就出现在自动平衡桥的某处地方。这一选择相当于给我略去了检查许多存在增益切换的结点，自动平衡桥这部分有一处明显影响增益的结点是在Rref部分（量程电阻）上，电桥选择不同的参考电阻将穿过DUT的电流转换为电压，如果这些电阻切换不正确，可能会出现测量倍率的缩放现象。实际上会是这样吗？
这个小盒子下面就是量程电阻和切换部分，不同的电阻通过干簧继电器进行切换。在手动量程时，用万用表直接量两个继电器的线圈，似乎总有一个继电器不动作，赌注好像是正确的。
不动的继电器是K4，经过测量K4周边的线圈驱动电路，最终发现晶体管Q4发生B-E击穿短路，导致继电器驱动晶体管Q2的基极被拉到接近0V，不能响应量程切换信号。
这就是击穿的Q4，上面标记为”3-354”，是HP经过筛选的某种晶体管，参数不详。我翻出来一颗BC556做替代，电桥就完全恢复工作了，精度看起来没受明显的影响。
那么Q4是怎么坏的呢？推测一下，Q4和Q9实际上是一对开关，用于选择电容C21接地或不接地，C21连接的那条加粗的线路就是电桥的LCUR节点，直接去前面板的LCUR端子。电容C21可能是起补偿作用的，而开关电容的晶体管可能是自然老化损坏，但更有可能的是有人把未放电的电容插进测试治具，或者身上带静电徒手插入DUT导致Q4击穿。具体原因无从追溯，但只用了几个小时就修复了4192A，确实是非常幸运的一次维修。
第二次维修
在第一次维修后，我开始用电桥做一些扫频测量，比如了解手头的电容和电感的自谐振频率，在这期间电桥一直开机。在持续开机大约6个小时后，著名的UCAL警告再次出现。根据上次的经验，我测量了各种低Z和高Z器件，电桥均不能平衡。执行自检依旧是PASS的。
使用GPA模式隔离故障，电桥在GPA模式下工作良好，可以测量外部网络的幅度/相位差，电桥输出的激励信号幅度/频率正确，因此可以说PROCESS AMP，中频和ADC及HCUR驱动部分应该都没什么大问题，还是自动平衡桥部分有故障。这次维修就没有得到好运气的眷顾了，这次选择跟随维修手册的排障流程图进行检查，这些流程图并不完全正确，还有些地方的描述模棱两可，但手册提供了另一种可能性：电桥内有复杂的相位补偿电路，这就意味着UCL错误除了是由幅度超差导致不能平衡，同样也可能是因为相位超差不能平衡。跟随检查步骤我得到了一个新的结果，当测试频率设置为7MHz-11MHz之间时，UCL错误消失，测量值误差较大，但接近器件的真实值，因此检查的方向从幅度问题转向相位问题。
最终排障流程图把我带到了这里，这是位于A1板上的一块相位补偿电路。首先这里产生两对信号驱动开关鉴相器进行矢量分离，其次这两对信号的相位差实际上可以按16级，每级22.5度的增量进行调节。这个电路是这样工作的：U27是74164 SIPO，接收处理器送来的4bit频段编码，这4bit频段编码与拨码开关S1设定的4bit硬件校准频段编码送入U32 7483全加器，相加后的结果去U31 74193计数器的预置端，因此计数器在不同的时刻进位，产生了可变的延迟（相位）。
以下两个视频是在这部分电路上测试时钟与计数器输出的信号，在测试时通过前面板指令改变频段编码组合。
在两段视频中可以看出，计数器的输出信号在某些频段组合下非常不稳定，于是我想，大概是IC坏了，所以就把这几个IC都换了，换完以后，一切照旧。果然还是要认真检查才行。
进一步测量电路上各个节点的波形以后，很快发现了一个大问题：全加器的某个输出居然是锯齿波。检查全加器的输入信号，问题浮出水面：
拨码开关S1的某个开关漏电，而该电路并没有单独设计上拉电阻而是利用了TTL电路内部的弱上拉。这种上拉电阻可能达到几十到上百k，而其中的一个开关恰好提供了一个适当的漏电阻，让全加器的某个输入端处于1.5V左右——所以这导致了亚稳态问题。这些开关经过加热和反复拨动，仍不能消除漏电问题。
当时我没有替换的开关，此外为了消除这个40多年前的设计缺陷，我给全加器与开关相连的四个脚都加上了4.7k上拉电阻。
装好以后就是这样的，旁边的开关就是漏电的那个。之后电桥完全恢复工作。这是一个非常生动的教训，在设计中最好不使用IC内的弱上拉电阻，而是通过较强的上拉把引脚置于确定电平是更加可靠的选择。
这让我想起工作中的一个真实的例子：某种单片机内置上拉电阻大约在33k-56k之间，我把一颗参数复位用的按钮接在某个IO上，因为参数复位按钮隐藏在壳体里很少被接触到，所以也没给这个按钮设计单独的上拉电阻。有一天生产人员找到我说有一块板卡不能保存配置，分析问题后发现复位按钮总是处于被按下的状态，进一步测量表明按钮漏电，引脚上的电压大约0.3V，更换按钮后修复。此后在这种电路上均设计了上拉电阻。
~全文完，感谢您阅读~
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