TDS3034B示波器故障診斷與維修技術(shù)

王潔行　趙玉波

(總參63所，南京 210007)

0　引言

TDS3034B示波器是泰克公司生產(chǎn)的通用/便攜型數(shù)字示波器，其最高實(shí)時(shí)采樣速率達(dá)到每秒5×109個(gè)采樣點(diǎn)，配有多種觸發(fā)套件，滿足科研、生產(chǎn)的基本需要。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)該示波器存在以下常見(jiàn)故障：1)無(wú)法開(kāi)機(jī)或顯示故障；2)信號(hào)測(cè)量不準(zhǔn)確；3)垂直方向小量程無(wú)法測(cè)量，基線消失，直流偏置超差等。在缺少維修手冊(cè)的情況下，分析儀器結(jié)構(gòu)及電路原理，研究有針對(duì)性的維修方法成為解決此類維修難題的根本途徑。

1　TDS3034B示波器維修方案制定

TDS3034B示波器由主板、開(kāi)關(guān)電源模塊、LCD顯示面板等模塊組成，如圖1所示。主板完成了輸入信號(hào)整形、采集以及處理顯示等功能，是儀器的核心部分，其它各單元完成了供電、圖形顯示等功能。分析發(fā)現(xiàn)，該儀器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、緊湊，各功能單元可以快速定位，便于開(kāi)展部件級(jí)維修。因此，第一類故障：無(wú)法開(kāi)機(jī)或開(kāi)機(jī)后無(wú)顯示、花屏的問(wèn)題，可以利用替代和比對(duì)測(cè)量的方法快速定位故障單元或部件，為進(jìn)一步實(shí)施器件級(jí)維修打下了基礎(chǔ)。對(duì)直接影響信號(hào)測(cè)量結(jié)果的第二、第三類故障，雖可以初步將故障定位于主板單元，但存在更換主板價(jià)格昂貴，開(kāi)展器件級(jí)維修無(wú)手冊(cè)可依據(jù)，因信號(hào)路徑不明，測(cè)試節(jié)點(diǎn)不宜定位等問(wèn)題。另外，信號(hào)輸入端的整形電路為集成于陶瓷基片上的整體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)滿足了大信號(hào)測(cè)量的保護(hù)、散熱需要，但無(wú)法通過(guò)常規(guī)焊接手段完成替代更換。因此，在遇到第二和第三類故障時(shí)，綜合考慮后決定采取以主板各單元的核心功能器件為中心，通過(guò)分析信號(hào)流向和信號(hào)特點(diǎn)來(lái)開(kāi)展診斷測(cè)量的維修方案。

圖1　TDS3034B示波器電路結(jié)構(gòu)框圖

2　維修實(shí)例分析

1)故障描述：一臺(tái)TDS3034B開(kāi)機(jī)正常，運(yùn)行自檢程序無(wú)錯(cuò)誤提示，輸入激勵(lì)信號(hào)測(cè)試發(fā)現(xiàn)通道1信號(hào)測(cè)量幅度不正常，頻率準(zhǔn)確度正常，切換量程故障情況依舊；測(cè)量其它三個(gè)信道，正常。

故障分析及維修過(guò)程：由初步測(cè)試可知，故障集中于通道1，由于其他三個(gè)通道正常，可以采取比對(duì)法和信號(hào)追蹤法來(lái)定位故障。首先拆機(jī)，對(duì)主板上±5V、+3V和±12V參考電源進(jìn)行測(cè)量，均正常；在不通電的情況下，對(duì)通道1輸入端焊接牢固程度、隔直電容數(shù)值及屏蔽接地等情況進(jìn)行測(cè)量，未見(jiàn)異常。由于信號(hào)整形電路結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)連續(xù)變換儀器設(shè)置狀態(tài)的方法，測(cè)量進(jìn)出信號(hào)狀態(tài)及變化可以定位信號(hào)路徑和控制路徑。

根據(jù)實(shí)際電路繪出輸入端局部電路圖，如圖2所示：輸入信號(hào)從BNC連接器接入，經(jīng)隔直電容進(jìn)入繼電器1，在此完成AC/DC輸入耦合，之后由繼電器2控制切換輸入阻抗。給通道1和通道2加載相同信號(hào)，并做同樣設(shè)置，對(duì)各個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。在設(shè)置50Ω阻抗匹配、直流耦合的情況下，分別測(cè)量進(jìn)出兩個(gè)繼電器的信號(hào)，故障通道繼電器2的輸出信號(hào)幅度明顯高于正常值，切換到1MΩ阻抗匹配時(shí)，信號(hào)幅度正常。連續(xù)切換1MΩ/50Ω輸入阻抗，信號(hào)幅度有變化。由此懷疑端口阻抗匹配不佳，進(jìn)一步測(cè)量發(fā)現(xiàn)故障通道在切換到50Ω時(shí)，實(shí)測(cè)值為70Ω，失配導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大。關(guān)機(jī)，外加繼電器控制信號(hào)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)繼電器2切換動(dòng)作正常，但在50Ω阻抗接入端閉合不到位、存在約20Ω阻值。更換該繼電器，測(cè)量通道1各項(xiàng)指標(biāo)正常；對(duì)示波器進(jìn)行必要的指標(biāo)校準(zhǔn)，儀器恢復(fù)正常。

2)故障描述：一臺(tái)TDS3034B開(kāi)機(jī)正常，運(yùn)行自檢程序無(wú)錯(cuò)誤提示，使用者故障描述為通道4的10mV/div以下小量程無(wú)法測(cè)量。據(jù)此檢查通道4，存在5mV/div、2mV/div、1mV/div沒(méi)有掃描基線的問(wèn)題，切換輸入端口至接地狀態(tài)，上下調(diào)節(jié)垂直位置電位器，不能使掃描基線回到正常位置；10mV/div以上量程正常。測(cè)量其他三個(gè)通道：狀態(tài)基本正常，存在小量程直流偏置超差的問(wèn)題。

故障分析及維修過(guò)程：由于通道4存在直流偏置和小信號(hào)測(cè)量的問(wèn)題，首先運(yùn)行儀器SPC程序(信號(hào)路徑補(bǔ)償程序：可修正由于溫度變化或者長(zhǎng)期漂移引起的直流誤差，在環(huán)境溫度變化大于10℃或5mV/div或更小量程時(shí)啟動(dòng))，過(guò)程中報(bào)錯(cuò)不能完成補(bǔ)償，故障依舊存在。由于無(wú)維修手冊(cè)，對(duì)于信號(hào)整形電路的具體組成和控制過(guò)程沒(méi)有現(xiàn)成參考依據(jù)，因此，下一步需要針對(duì)具體故障結(jié)合電路測(cè)試結(jié)果，分析電路組成和控制信號(hào)流向。由于信號(hào)整形電路是獨(dú)立的陶瓷基片結(jié)構(gòu)，可以以該單元核心器件TEK165004102423芯片為中心，向外延伸查找進(jìn)出整形電路的信號(hào)和控制邏輯。如圖2所示，將進(jìn)出陶瓷基片的信號(hào)線分為三組，左側(cè)11條線編號(hào)為L(zhǎng)1～L11；右側(cè)11條線編號(hào)為R1～R11；上端8條線編號(hào)為U1～U8。連續(xù)切換量程和基線垂直位置，分組實(shí)際測(cè)量故障通道各條信號(hào)線電平和變化情況，得到以下結(jié)果：具體見(jiàn)表1。

圖2　TDS3034B示波器信號(hào)整形電路示意圖

表1　TDS3034B示波器整形電路引腳信號(hào)分析結(jié)果

續(xù)表

比對(duì)正常通道的測(cè)試結(jié)果，分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：1)整形電路輸出信號(hào)的直流偏置電壓(U2～U3為一組，U5～U6為一組)在基線上下位置設(shè)定后，不隨垂直量程的切換而變化，正常情況下該直流偏置在-0.5～0.6V范圍內(nèi)與基線垂直位置對(duì)應(yīng)成比例；而故障通道的信號(hào)直流偏置在5mV/div、2mV/div、1mV/div量程上超出正常范圍較多。2)R10處信號(hào)隨垂直量程切換、垂直位置變化連續(xù)變化，正常情況下R10腳測(cè)量結(jié)果與其量程和基線垂直位置成比例變化，具體參看表2。

分析表2數(shù)據(jù)可確定：垂直位置控制信號(hào)由R10注入整形電路，其數(shù)值與其量程存在成比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，表2中不同灰度的區(qū)域代表了量程控制信號(hào)的區(qū)段，分別對(duì)應(yīng)控制信號(hào)不同區(qū)間：區(qū)域一包含量程1mV/div、2mV/div、5mV/div；區(qū)域二包含量程(10mV/div、100mV/div、1V/div)，(20mV/div、200mV/div、2V/div)，(50mV/div、500mV/div、5V/div)；區(qū)域三包含量程10V/div。分析測(cè)試數(shù)據(jù)得到基線位置與垂直控制信號(hào)的對(duì)應(yīng)規(guī)律，據(jù)此將故障通道的控制信號(hào)測(cè)量值與正常數(shù)值比較發(fā)現(xiàn)，在量程1mV/div、2mV/div、5mV/div其垂直控制信號(hào)數(shù)值已大幅超出了正常區(qū)間，由此直接導(dǎo)致了基線超出屏幕的故障。由R10處追蹤控制信號(hào)來(lái)源，結(jié)合實(shí)際電路逆向繪制出電路原理圖，如圖3所示。

表2TDS3034B示波器垂直位置信號(hào)測(cè)量結(jié)果

圖3　TDS3034B示波器垂直控制電路局部框圖

由反繪出的電路可知，控制信號(hào)由芯片ADG361輸出后經(jīng)過(guò)了運(yùn)算放大器和電子開(kāi)關(guān)組成的電路單元。測(cè)試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)切換到10mV/div以下量程時(shí)，電子開(kāi)關(guān)第4腳為高電平，控制閉合開(kāi)關(guān)使信號(hào)接地。實(shí)測(cè)故障通道，閉合控制信號(hào)正常，但開(kāi)關(guān)并未正常閉合，由此導(dǎo)致了進(jìn)入放大器的直流控制信號(hào)錯(cuò)亂，最終導(dǎo)致垂直偏移控制信號(hào)超出限定區(qū)間基線跳出屏幕。更換可疑電子開(kāi)關(guān)，開(kāi)機(jī)測(cè)試儀器恢復(fù)正常，再次運(yùn)行SPC調(diào)整程序通過(guò)，儀器指標(biāo)恢復(fù)正常，維修結(jié)束。

3　小結(jié)

在維修實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)： TDS3034B示波器雖然在電路結(jié)構(gòu)上有其獨(dú)特之處，但整體設(shè)計(jì)具有代表性，針對(duì)數(shù)字示波器信號(hào)路徑和控制路徑的故障分析、診斷方法能夠相互借鑒。在維修手冊(cè)等參考信息十分有限的情況下，研究該型號(hào)示波器的故障診斷和維修方法，能為開(kāi)展同類儀器的維修提供一種思路和方法，也希望本文能對(duì)廣大儀表維修同行有些許啟發(fā)。

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