HP5430A 18GHz微波计数器维修+测试 / Microwave Counter Repair+Testing

这其实是2019年11月完成的事情,当时拍了一些照片记录,不过因为拍摄环境限制拍得不是很好,就没发出来。最近本科快毕业了,在考虑离开学校的事情,整理了一下自己在学校外租的,专门用来当实验室(事实上更像是仓库)的出租屋。这台仪器作为所有收集到的仪器中个人最喜欢的一台,作为一个纪念,还是发出来了。

HP5430A是HP Journal 1973年第4期的封面产品,这是一款量程覆盖10Hz~18GHz(加选件后可进一步提升至23GHz)的采样式微波计数器。和同期推出的,搭配180系列示波器使用的采样头一样,这台仪器的核心是HP在当时刚开发出来的20GHz采样模块。

实现18GHz的测量并非难事:使用一些微波技巧和当时速度已经足够快的射频二极管,通过混频的方式就可以将高频挪到低频。但是这样做的问题很明显:一个混频器+本振+相关的滤波器只能实现窄带测量,所谓窄带,在当时来说就是300MHz的量级。如果希望测量10Hz~18GHz这样广的频率范围,使用混频方式的成本和制造难度是超高的,只有在频谱仪这类“通用仪器”中才会采用。对于计数器这种需求略有不同的专用产品而言,HP采用了一种基于采样,也就是频域卷积的解决方案,大幅降低了成本。将简单来说:该仪器在工作时,利用采样过程导致的混叠,将微波信号“折叠”到低频,再用普通计数器计数,再去反推原频率。该仪器采用了一个巧妙的方式实现了折叠次数的判断,具体实现方式可以阅读这一期HPJ,Youtube上也有几个视频中有讲解。

作为当时HP微波产品线毋庸置疑的高端产品,这台仪器的售价达到了1973年的$5900,换算到今天就是2019年的$34428.58,约24万RMB。因为当时做高频ESD防护和高频信号限幅很困难,这台仪器的输入保护远远没有现代射频仪器那样完善,真正实现了摸下就死——指现实中的。以至于机器的上面贴了一块金属铭牌,特别强调:“警告:向50Ω输入端输入大于+30dbm(1W,7.07Vrms)的信号将造成严重,且维修费用高昂的损坏”。

温馨提示

因为以上的这些原因,购买前我非常犹豫。这台仪器已知有相当多的故障,前端,也就是价值最高的部分好坏未知。最后还是看在它有辉光管显示屏的份上,付了一大笔运费把它买下了。想着:如果实在没救了,改造成一个超重的辉光钟也不是不行。


首次通电

收到机器,检查变压器设置没问题之后通电测试,状态就和卖家描述的一样:只显示0。 这台机器带有一个自检模式“CHK”,将右侧的开关选到该模式,HP5430就会测量内部振荡器的频率,正常情况下应该显示10MHz,然而我仅能看到如图所示显示全为0的状态,切换档位后小数点和单位指示灯会到处乱跳,屏幕上有时会空白,有时全0,旁边的各种指示灯也是随意地亮灭。只有振荡器恒温炉的温度指示灯(“*”)是正常的,在通电一段时间后会熄灭,表示机器内部的恒温炉到达指定温度。

小数点和单位乱跳的问题比较容易解决:这两个部分是直接连接到开关上的。使用WD40清理了几遍后基本就修好了。剩下的问题恐怕就要费一番功夫了……

将机器拆开,这台机子虽然很扁平,其内部仍是采用的高度模块化的板卡设计。

根据维护手册,首先检查了几个时钟信号是否正常,在确认这些信号正常后,问题锁定到A21逻辑控制板上。此外我还特别确认了一下除了微波前端以外,另一个我比较担心的,容易损坏且难以替代的部分:A22高频计数板

A22高频计数板

测试方法比较简单粗暴:使用信号发生器,直接对那根同轴线加一个幅度较小的信号,然后用示波器观察引脚输出。判断这个板子上的元器件基本没问题之后稍微松了一口气。

手册中关于A21的内容

这台机器内没有微控制器或其它类型的处理器,A21是一个结构非常简单的数字状态机,由两个ROM组成,功能是控制其他模块的工作以及自检。仔细观察了一下:状态机的工作由第一个ROM(U3)控制,U4则是作为一个译码器使用的。使用示波器观察U3的输出引脚,发现所有引脚在所有情况下均没有输出,这很不寻常。U3这个单次编程的熔丝ROM有被人维修过的痕迹,我甚至怀疑上一个维修者更换这个芯片后忘记或没有办法给它写入程序。

A21-U3

这个ROM因为容量小,而且是TTL器件,工作频率远远超过现在容易买到的大部分5V EEPROM,达到了20MHz。为了避免因EEPROM读取延迟过高而造成什么额外的问题,我选择使用一颗GAL代替它。

GAL22V10D,掰弯一些引脚后再飞一根线,放进两个排孔中,正好插进原来的芯片座。

换进去之后满怀期待地开机!……这是什么鬼?

虽然锁定提示灯表示这台机子的工作情况大致上是正常的,但屏幕上却只会显示混乱的数字。

仔细观察了一下,虽然大部分数字是混乱的,最后两位却似乎是正常的,前面6位是混乱的,但出现7和9的概率似乎比其他数字要高。

手册中关于A23的内容

检查显示寄存器A23,经过一些简单的测试判断出在上图所示的问题状况下,U6和U7对应的是倒数第4位和倒数第3位。用示波器大致观察了一下发现这两个芯片都不太正常,其中一个芯片上还被划了一个“X”,看来已经有人发现过这个问题了。

这两个芯片是DM76L75N,没有找到什么资料,有一篇crossreference中提到这可能和93L10是同样的芯片。前者在淘宝网上完全没有,后者有一些成色比较差的拆机件,于是我买了几个给它换上。

A23-U6,7

赶紧接入一个信号试试

使用HP83540生成一个8GHz的信号输进去,计数器工作正常了!可惜正常的仅仅是高频档,低频档的数字逻辑仍然有一些奇怪的问题导致没法使用。不过那已经不重要了,到目前为止基本可以认为是维修成功啦!低频档的问题等未来有时间再去修吧~

其实这台8350+83540也有一大堆奇怪的问题:超大的偏移,非常不稳定的频率(并非是我开了扫频模式的缘故,如果将它关掉生成的信号会更加糟糕),时不时报E004电源故障,以及输出功率超过某个值就开始报unleveled错误等,感觉是YIG振荡器供电部分的毛病。

8.5GHz + 二倍频

最后接了一个倍频电路,测试了一下接近其输入频率上限的17GHz。这个无源倍频电路性能不算非常好,信号源我也特地选择了一个比较低的输出幅度,而5340A测量起来仍然毫无压力,看来前端的老化状况还是比较令人乐观的。


A stack of instruments

在学校读本科的时候收集的仪器中比较心爱的,有价值的并不多,这样一张桌子就可以放下。其他的一些比较常见,或者没有实用价值的仪器,最终都被我扔去压箱底了……

关于学校实验室和自己的实验室里的故事,还有很多想说的,等将来哪天悠闲的时候,再单独开一篇博文来说吧~♪

2 thoughts on “HP5430A 18GHz微波计数器维修+测试 / Microwave Counter Repair+Testing”

  1. 你好,我手头也有一台,可是是坏的,请问能分享一份维修手册吗?在这先谢谢盆友了。

    1. 感谢关注,我参考的文档是在ko4bb.com找到的,不过那份文档在ocr的时候出了些问题,有些页面不正常。

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