Reparatie verslag Netwerkanalyzer HP 8714ES (Algemeen)

door loek , Exloo (Drenthe), 09-01-2018, 22:53 (2510 dagen geleden)
Gewijzigd door loek, 09-01-2018, 23:17

Hallo forumlezers,

Eindelijk is de HP 8714ES netwerkanalyzer gerepareerd.
Ik heb deze netwerkanalyzer gekregen.

Wat is een netwerkanalyzer?
Op een NA zit een zenduitgang meestal op 50/75 ohm basis. Deze uitgang is ook een ingang, er wordt via een zogenaamde “directionele koppeling” met een demping , in dit geval van 16dB, een signaal van de uitgang afgenomen. Dat signaal komt niet van de zender zelf maar is het signaal dat terug komt vanuit het punt waarna gezonden wordt. Op onderstaande schema zijn de koppelingen in het rood aangegeven.

En dat is nu precies wat een NA zichtbaar kan maken. Verder kan een NA het fase gedrag zichtbaar maken. Om dit alles mogelijk te maken moet dus de zenduitgang in frequentie kunnen zwepen. In dit geval van 300 KHz tot 3 GHz.
Op een NA zit ook een ingang. Met deze ingang is het mogelijk om bijvoorbeeld van een filter/versterker een frequentie karakteristiek te meten. In dit geval dus van 300KHz tot 3GHz. Voor al deze type metingen zijn in de “wereld van de NA” standaard termen gebruikt:
De uit/ingang heet “Port1”
Reflectiemetingen op “port1” heet: “S11 (Refl port1)”
Frequentie karakteristiek zendend via “port1” heet: “S21 (Fwd trans)”

Deze NA (dus type 8714ES) had nog een extra optie ingebouwd. Daarmee kan de uitgang zoals hierboven beschreven is, de ingang worden en de ingang wordt dan uitgang. Deze omschakeling wordt mogelijk door de toepassing van een relais dat in blauw is aangegeven in het blokschema.
De uit/ingang heet “Port2”
Reflectiemetingen op “port2” heet: “S22 (Refl port2)”
Frequentie karakteristiek zendend via “port2” heet: “S12 (Rev trans)”

Dit was een korte omschrijving van een NA.

Nu het apparaat zelf:
Hij start op en komt volledig door alle zelftesten. Maar ondanks dat komt er geen signaal op de uitgang. Ook bij aanbieden van signalen op de ingang zie je geen reacties dus het apparaat is defect.

Er is service documentatie beschikbaar waar in staat hoe de waarde moet zijn van al deze testen. Maar bij afwijkingen is dan steeds de oplossing vervang moduul 1,2,3 of 4. Er zijn geen schema’s beschikbaar van deze modulen. Wel is er een blokschema.

De NA heeft 4 modulen te weten:
Microprocessor
FRAC-N-generator
Source
Reciever

Agilent heeft voor de hobbyist alle documentatie die ze hebben van vorige type NA op hun site gezet. Als je naar de opbouw kijkt van de printplaten dan is van de print FRAC-N-generator geen schema beschikbaar. De overige lijken erg op de exemplaren van vorige type en zijn dan ook goed bruikbaar.

Om metingen te kunnen doen aan een moduul, moet deze uit het apparaat gehaald worden en aangesloten worden op een extender. De module zijn erg lang en hebben een 96 pins DIN connector. Een extender met een printplaat en dus daarop weer de te meten module wordt een lastige constructie. HP heeft daarvoor een andere oplossing gemaakt. Op de achterzijde zit een plaat met vergulde contacten.

Al deze contacten zijn verbonden met een punt van de 96 pin DIN connector. Er wordt door HP een speciale extender geleverd met een contactblok dat past op de plaat met de vergulde contacten. Aan een korte kabel zit dan de 96 DIN connector waarop een moduul kan worden aangesloten. Dit exemplaar is erg duur 1000 dollar of hoger. Met behulp van dit gaatjesboard en onderdelen van 96 pin connectoren is een contactblok gemaakt dat past op de vergulde contactplaat. Als contactpunt heb ik gebruik gemaakt van zogenaamde “pogo-pins” . Dit zijn vergulde busjes die passen in het gaatjesboard en in de busjes zit een stalen pen met een veer zie onderstaande detailfoto.

Een oude behuizig van een 96pin connector dient voor de uitlijning. De binnenkant van deze behuizing is opgevuld met een lijmlaag zodat tijdens het solderen de pennen niet meer kunnen verschuiven.

Het gaatjes board met totaal 2*48 “Pogo-pins” zit op een stevig aluminium frame. Dit moet omdat de totale druk van al deze pennen vrij hoog is en de print niet mag doorbuigen. Aan het einde van de bedrading zit de DIN connector waar de module op kan worden aangesloten. De module ligt op de kast van het meetapparaat. Zo is een makkelijk werkveld gecreëerd.

Als eerste ben ik aan de slag gegaan waarom er geen enkel signaal op de uitgang komt.Alle voedingen (ook de vele voedingen op de print zelf) waren aanwezig. Ook de signalen die na modulatie voor het eindsignaal nodig zijn waren aanwezig. Uiteindelijk blijkt dat de fout zit in het relais dat de functie (zoals eerder is beschreven) van de uitgang en ingang kan omdraaien. Zie ook het blauw gemarkeerde deel in het blokschema. Dit relais kost minimaal 1500 Euro (buiten invoer rechten).

Op onderstaande foto’s zie je dit relais opengewerkt

Op de volgende foto zie je de ingangen en uitgangen in detail

Op de volgende foto zie je extra uitvergroot de linker uitgang waar de draad naar de ingang is weggebrand.

Waarschijnlijk is een te hoge spanning op de in/uitgang gezet. Als oplossing is gekozen om dit relais te vervangen door een goedkoop relais met echte contacten. Op onderstaande foto zie je de twee relais naast elkaar.

Alleen de aansturing was anders hiervoor is een schakeling gemaakt die alles naar TTL niveau maakt. Op onderstaande foto zie je het nieuwe relais met schakeling ingebouwd.

Nu was er signaal op de uitgang en bleek dat de frequentie niet stabiel was. De boel stond te jitteren . De uiteindelijke frequentie op de uitgang wordt verkregen door modulatie producten. De laatste modulatie trap wordt aangestuurd door een Spanning gevoelige oscillator (VCO). Deze heeft een frequentie bereik van 400 tot 960 MHz. Dit komt dan uiteindelijk na moduleren/filteren overeen met de frequentie van 0,3MHz tot 3 GHz.

In de service documentatie wordt met een formule aangegeven welke frequentie van de VCO moet hebben bij een bepaalde uitgangsfrequentie.

Deze gehele schakeling zit op het moduul FRAC-N en daar is dus geen enkele documentatie van. In vorige type NA is de zogenaamde FRAC-N techniek ook al toegepast maar dan met bestaande TTL/MOS IC’s. In de uitvoering van dit apparaat is alles ondergebracht in speciale custom IC’s. Het is wel duidelijk dat de fout (instabiliteit frequentie) zit in dit moduul. Omdat de output van de VCO niet overeenkomt met wat volgens de HP formule moet zijn. De receiver module is terug geplaatst in de kast en de FRAC-N moduul zit nu voor onderzoek op de extender.

Als eerste moet je (ook ik ) begrijpen wat dat FRAC-N nu precies is voordat je het kan repareren. De uitgangsfrequentie van de NA kan worden ingesteld van 0,3MHz tot 3 GHz met stappen van 1Hz. De stabiliteit/nauwkeurigheid moet de eigenschappen hebben van een kristal. Als dus de VCO bepaalt welke frequentie er komt op de uitgang dan moet deze VCO ook die eigenschappen hebben van een kristal. Het sterk vereenvoudigd blokschema van deze VCO ziet er zo uit.

In de regellus voor deze VCO wordt gebruik gemaakt van een microprocessor welke steeds naar delen van het signaal kijkt en per frequentie puls bekijkt of er iets bij of af moet als frequentie puls. Dat er bij of afhalen kan niet zomaar omdat er dan een vervormde modulatiesinus zou kunnen ontstaan en dus ook dat wordt weer via de MP geregeld. Kortom een zee complex systeem en in dit geval was de meest complexe type N-FRAC toegepast de “Quad 4 Modulus prescaler”

Na weken van studie wist ik eindelijk een beetje hoe een FRAC-N werkte. Nu de vraag waar zit de fout in dit apparaat en zit dit in een custom IC? In dat geval was reparatie (bijna) onmogelijk. Als eerste is van alle printplaatdelen van de FRAC-N moduul detail foto’s gemaakt met daar op alle onderdelen met een zelf verzonnen nummer. Voor zover dat mogelijk was is (ook met behulp van de Ohm meter) het schema opgetekend met de waarde van de componenten.

Op onderstaande foto zie je het controller print deel van het FRAC-N moduul.

Op onderstaande foto is een deel van het schema dat op het controller deel zit.

Op onderstaande foto zie je het VCO print deel van het FRAC-N moduul met daarop duidelijk de 4 varicap dioden die parallel staan.

Een deel van de VCO schakeling welke op het VCO printdeel zit is op onderstaande foto zichtbaar. Ook hier zie je weer de 4 varicap dioden parrallel

Met behulp van deze gegevens is de gelijkspanning gevonden die de VCO aanstuurde. Ook bleek dat deze spanning in het (eerder besproken) service menu ook gemeten kon worden. De spanning die ik meet fysiek klopte dus met wat in het service menu werd aangegeven. Volgens de documentatie moest deze waarde liggen tussen de -5,5 en + 8 Volt. Het betreft hier dus het punt op het control schema deel waar staat TP-VTUNE2.

Ook deze waarde lag in dit gebied, maar wat wel raar was dat het IC U304 (Opamp) die deze spanning leverde het kennelijk erg moeilijk had met de stroom. Dit kon je zien omdat de voeding van de Opamp U304 via twee weerstanden (R1 en R2) komt met condensatoren voor ontkoppeling. Deze weerstanden zijn laagohmig (beide 100 ohm), maar toch viel er naarmate de uitgang negatiever werd steeds meer spanning over deze weerstand van de negatieve kant.

Wat nog gekker was dat de VCO gelijkspanning ook op een tantaal elco nummer C1 (1uF) stond naar aarde en dus ook negatief werd. Ik had dit nog niet eerder gezien dat een tantaal elco in een ontwerp bewust negatief kon worden. Met dit “bewust” bedoel ik dat ook in de service documentatie over het bereik op dit punt gesproken wordt van -5,5 en + 8 Volt. Deze regelspanning stuurde rechtstreeks de 4 varicap dioden (D1 tot D4) aan. Zie het VCO schema

Dus eerst maar de tantaal elco C1 losgehaald.
En ja hoor de stabiliteit kwam terug en over het gehele bereik werkte alles goed. Uiteindelijk is de tantaal elco vervangen door een niet pool gevoelige condensator.
Nu kon ik weer verder meten of het apparaat goed werkte. Maar helaas er klopte niets van de niveau nauwkeurigheid en ook de reflectiemetingen waren zeer onnauwkeurig.

Dus is de FRAC-N moduul terug geplaatst en het Reciever moduul weer aangesloten op de extender.

Zoals eerder beschreven was het relais aan de in/uitgang defect waarschijnlijk door een te hoge spanning. En nu blijkt dat ook één directionele koppeling doorgebrand was. Op de foto kun je deze koppeling zien met ook de twee minuscule weerstanden die voor de 16 dB demping/koppeling zorgen. Beide weerstanden waren hoogohmig.

Deze koppelingen zijn zeer kritisch omdat daar de gegevens van de reflectie vandaan komen zoals fase gedrag,etc. Op internet worden ook deze directionele koppelingen soms aangeboden maar voor prijzen van 1000 Euro of hoger.

Ik heb toch een poging gedaan om de weerstanden die doorgebrand waren te vervangen door zeer nauwkeurige en voor hoge frequentie geschikte SMD exemplaren.

Maar heelaas dit was geen succes. Ook was er nog een andere constatering (teleurstelling?). Nu het apparaat wat beter werkte ontdekte ik dat er ook metingen mogelijk waren waarbij snel geschakeld werd tussen zenden op poort 1 en dan op poort 2. Omdat daar nu een relais zat met echte contacten kon dit niet zo snel. Dat zal dus ook wel de reden geweest zijn dat er origineel een “solid state” relais toegepast is.

Ik heb besloten om deze NA om te bouwen naar 1 poort. Er was dan geen relais meer nodig en er was één koppeling minder nodig (dus de defecte was nu overbodig).

Bij HP werd ook een NA geleverd met één poort het type is 8712ET

In de software is natuurlijk in mijn NA de keuze mogelijkheid voor poort 2 nog aanwezig . Om duidelijk te maken dat deze keuze niet meer werkt is een schakeling aangebracht die een piepje laat horen wanneer de functies worden aangeroepen waar het relais voor nodig is.

Op onderstaande foto zie je het receiver moduul met in het midden de weg gehaalde koppeling en daar voor in de plaats een extra demping van 16dB. Ook zie je rechts midden de extra schakeling voor het piep signaal.

Eindelijk na zeker ¾ jaar is het apparaat nu gerepareerd.

Op onderstaande foto zie je een presentatie van een zogenaamde “smith card” .
Hier is te zien dat de (zend) poort is aangesloten op een doel waarvan de impedantie alleen uit 50 ohm bestaat (horizontale as). Het frequentie bereik is van 0,3MHz tot 100 MHz

Op de volgende foto is de (zend) poort aangesloten op een hoogohmig punt (open coaxkabel). Je ziet dan dat alle energie terug komt en dat , afhankelijk van de frequentie, zowel capacitief als inductief is.

Op de volgende foto zie je een filter karakteristiek van een object weergegeven in dB. Met het frequentie bereik van 0,3MHz tot 3 GHz.

Op de volgende foto zie je de reflectie in dB van het object waarvan ook de filterkarakteristiek gemaakt is.

Het blijft een leuke aanvulling op de meetapparatuur die ik al heb. Ook heb ik zeer veel geleerd van deze techniek. Ik hoop dat jullie het een niet al te ingewikkeld en interessant verhaal gevonden hebben.

Met vriendelijke groet,

Loek