罗德施瓦茨ZVR矢量网络分析仪维修 [复制链接]

本文约3400字。
前段时间偶然得到一台故障罗德施瓦茨（R&S）ZVR矢量网络分析仪。

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         机器成色较新，液晶屏灯管亮度很好，机器里面灰尘较少，估计是以前实验室里用的完整设备（这种机器以前大量装备于车间生产线上，由于故障率高，近几年批量淘汰，很多商家大量回收后将好的板卡拼装在一起攒成好机销售）。机器是WIN NT操作系统，固件版本为3.54，在罗德官网查询得知已经是最终版本。
         机器到手时存在的问题是进入测量界面后，S11测量曲线一片乱麻，S21看不到曲线；矢网也没有提示任何错误。接标准负载校正件和直通电缆，4个测试模式曲线都无变化。那么根据矢网的原理，先从显而易见的地方开始着手分析。

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         一般矢网的构成是一个信号源+多个接收机（R接收机和主接收机）。ZVR和ZVRE相比，前者有2个独立R接收机和2个主接收机，而后者只有一个R接收机（类似HP8753），所以ZVR比ZVRE多了一些校正和工作模式（具体请参考使用手册）。对于一般使用而言，ZVR和ZVRE区别不太大。出现曲线一团乱麻，根据经验一般是R接收机信号丢失导致。
         ZVR目前只有文字版维修手册，没有详细图纸，但手册提供了工作原理说明和各关键信号定义，聊胜于无。
         由于是射频系统问题，首先从最简单能直接测量的地方开始检查。将一台频谱仪连接到矢网1端口上，将矢网设置为S11测量模式，中心频率为2GHZ，扫描点数为2点，扫描时间手动最大值，观察端口输出的扫描信号，发现矢网的输出频率基本正常，但相位噪声特别严重（频谱呈剧烈抖动状态），其他频率也有同样情况，怀疑是VCO单元存在问题。
         ZVR是比较复杂的仪器，为方便维修，软件中有一个内部电压采集功能，进入服务菜单后，根据维修手册提示，输入测量节点编号，可以在屏幕上看到内部一些关键节点实时测量电压（显示值一直在刷新），从而判断机器内部工作状态，提高分析效率，节约维修时间。根据维修手册提示进入机器服务菜单（密码为894129），在测试节点中输入2.10.1.1~2.10.1.6（总共6个测量点，分别是A130的3个VCO在两种状态下锁定情况，5V左右电压表示锁定，0V或较低电压表示失锁或临近失锁）。发现无论频率正确与否。所有电压都是接近5V，表明机器逻辑认为所有锁相环都在锁定状态。既然从软件检测无法获取故障信息，看来需要从机器内部做进一步检测。

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由于第一次接触ZVR，对内部信号流程不是特别熟悉，只能根据以往经验暂时把关注点放在信号源和他相关的系统上。
         这台机的信号源部分比较复杂，大致由以下几个板卡组成：
         A130：主VCO（VCOSO和VCOLO）和AUX VCO
         A140：接收机本振发生器（来自于主VCO）
         A150：信号源发生器/放大器（来自于主VCO）
         其中A140和A150还包含其他功能，他们与故障没有关联，不再细述。

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         A130是一块包含3个VCO系统的板卡。其中2个主VCO，输出范围均为1~2GHz，输出频率相差21MHz左右（ZVR接收接收机第一中频）。其中VCOSO输出通往A150，经过分频，倍频和混频之后产生20KHz~4GHz主输出信号,；另一个VCOLO通往A140，经过分频，倍频和混频产生（20KHz~4GHz）+21MHz的信号，提供给接收机第一本振。
         由于板卡输出和输入的射频端口和数据控制端口都在底部，测试时需要做一套3X32PIN延长线和几条SMB公-SMB母延长线，所以花一些时间做好延长线，将A130延伸出来，打开上盖进行信号分析。

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         经过分析发现，在设置频率1~2GHz之间变化时，VCOSO输出频率基本正常，但有严重抖动；VCOLO无论如何设置频率，输出大约为2.2GHz不变，说明VCOLO系统存在问题。该仪器的VCO有开环检测功能（即断开VCO频率调节端和PLL环路滤波器的联系），使用一个2脚跳线帽切换，当切换到VCO开环状态时（实际上VCO此时接入一个约12V的固定调谐电压），VCOLO输出频率变为1.5GHz左右，但抖动依旧。而且此时设置机器频率，无论从9KHz~4GHz变化，PLL环路滤波器上电压一直保持22V左右不变，说明环路滤波器和PLL分频器等系统存在问题，这样也直接导致接收机混频器无法输出正常中频，导致系统认为R接收机信号丢失。（下图为切换VCO开环的跳线帽）

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随手测一下VCO供电电压，发现电压为12V基本正常，但用示波器观察，发现该电压有约2VP-P的纹波，纹波频率约266Hz，这个可能与频谱抖动有关系

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         经走线分析，该电压是从主电源+15V支路通过有源滤波电路降压得到。测量发现+15V支路也有相同的纹波，幅度约2.5VP-P。看起来主电源可能存在问题。电源是一个设备的心脏，心脏供血不稳定，器官工作岂能正常？看来需要把主电源整个拆下分析。

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         ZVR用的是一个OEM定制电源，电源原理框图如下：

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         220V经过第一级隔离转换器转换成一个中间电压，该电压通过下一级多组DCDC转换器变成各路系统所需电压。检查发现，各组电压中只有15V和28V有纹波，其他电压正常，基本可以判断是15VDCDC故障（但28V为何要从15V电压上取电再与另一电压叠加生成28V，套路诡异，无法理解）
         多组DCDC的原理基本类似，都是由UC3845+MOS管组成降压PWM模式DCDC。虽然包含其他电路（如遥控开关机，电压过压欠压跟踪监测等）但他们对电源输出影响不大，主要问题来自PWM电路自身。UC3845是电流反馈型DCDC，和传统电压采样反馈方式有所不同，电路设计上也有区别，需要小心分析。仔细看该电源，有部分电解电容被更换过，UC3845和一些运放也被更换过，看来问题不在芯片上。经过一轮排查，发现2个470Uf/25V电容虽然外表没有异样，用电桥测量，残存容量不足1uF，已经严重老化。没有同样电容，找了一个820uF电容换上，电源输出恢复正常。

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，排除了电源问题，跟着目光重新回到VCO板上。再次测量VCO输出情况，发现抖动已经消失，VCOSO输出恢复正常，此时要分析VCOLO无法锁定原因。
         根据维修手册介绍和板卡上盖的图示可以了解到，VCOSO和VCOLO基本上都是由VCO振荡器，主可编程分频器，专用小数分频器，鉴相器，环路滤波器/提速系统以及辅助电路等组成。其中可以利用VCO开环模式查找系统问题所在环节。
         主可编程分频器是一片MOTOROLA的MC10E016FN和一个固定频率分频器构成。在PLL环路正常工作时，MC10E016与前置分频器一起工作，将VCO输出并放大后信号进行分频，输出一个误差信号给后面的鉴相器（74ACT74），与10MHZ参考频率产生相位误差信号，通过环路滤波器的运放（CLC430AJE）放大并积分滤波后，控制VCO频率，使其锁定在所需频率上。而小数分频器（TH3087.11，一片定制的CPLD）辅助MC10E016产生细小的频率步进，从而使ZVR在4GHz频率上依旧能提供0.001Hz的频率步进精度。

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         将VCOLO设置为开环固定控制电压状态，用示波器测量VCOLO单元的X31测试点（MC10E016分频输出），发现在改变ZVR设置频率同时，测试点频率会在5-15MHz之间变化，说明分频器工作正常；当设置频率在1~2GHz范围内变化时，特别是频率经过1.5GHz附近时，鉴相器的2个输出端电压会相互高低切换，说明鉴相器工作基本正常；当鉴相器2个输出端电压高低值切换时，与他连接的运放（正和负输入端分别接鉴相器2个输出端）输出端电压却一直保持高电平，这明显存在问题。经过分析比对，确认是CLC430AJE高速运放损坏。该运放增益带宽高达100MHz，压摆率高达2KV/uS，不能用一般运放代替，需要买同型号更换。

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         更换完运放，重新通电测试，本以为大功告成，点知路只走了一半，前方似乎还有绊脚石：当ZVR设置频率在1.5GHz以上时，VCOLO输出正常，跟随频率变化而锁定；但输出低于1.1GHz时，VCO频率会自己跳到1.5GHz左右，并保持该频率基本不随设置变化；当设置频率重新提高到1.5GHz时，输出频率又会重新跟随设置变化锁定。这种问题以前没遇到过，思来想去，还是要从VCO开环状态分析。
         在VCOSO开环状态下，给这一路VCO一个外接可变的调谐电压，观察VCO受控时频率变化情况。结果发现，当控制电压低于2V（对应振荡频率约1.1GHz）时，输出频率会自动突然升高到1.5GHz，且此时手动调节VCO电压在0~8V之间变化时，输出频率只有约100MHz变化；但调整VCO电压超过8V左右，输出频率会突然跟随VCO电压正常变化。在VCOSO一侧，对这路VCO也采用同样方法测试，没有发现问题，在控制电压从0~20V之间连续来回变化时，输出频率保持跟随控制电压正常变化。可以这么理解，故障回路的VCO受控电压低于某个值时候，VCO进入不受控的自由振荡状态，高于某值，恢复正常受控振荡。看来需要对VCO模块做一番研究才可能有答案。

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ZVR的VCO单元是一个三极管和变容二极管组成的微波振荡器，模块上没看到电感或微带线，可能使用了别的方法构成电感。三极管没有标明型号，后来让朋友帮忙查找，确认是2SC3603，参数与2SC3355类似，只是封装不同。经过对正常和异常VCO模块工作点对比，发现正常VCO的三极管工作电流为35mA左右，异常管只有25mA。怀疑是VCO三极管工作点异常导致问题。但两个VCO所有器件参数都是一样的，在路测量也没发现问题，怀疑是三极管工作时间久以后轻微老化导致工作点偏移。由于手头没有管子替换，就考虑能不能通过提高三极管工作点尝试解决问题。试着在三极管基极偏置电阻上并联一个电阻（虽然没有原理图，但在简单的板子上非常容易就能判断出哪个是偏置电阻），提升三极管工作电流，最后通过调整偏置电阻，使该管电流提高到35mA左右。重新进行开环测试，确认现在无论如何调整VCO调谐电压，输出频率始终跟随电压连续变化，证明该方法有效。然后把板卡装好，插入机器插槽中，开机对所有功能测试，所有测试功能都能完美呈现，且测量指标和原厂要求基本一致，可以确认已成功解决所有问题。
         虽然从表面上看，整个维修只更换了一个电容，一个运放和一个电阻，但实际的分析过程走了不少弯路，例如为VCO实际上已经失锁，但ZVR并未提示失锁等表里不一的现象耽误了很多时间。为了节约大家阅读时间，最终呈现出来是一个比较符合分析逻辑的维修文章。

能修好这么复杂精密的仪器，敬仰楼主。

非常佩服。

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敬仰之情犹如滔滔江水…

高手修机看着过瘾！

这是高手！这是高手！

看高手维修思路是种享受

敬仰楼主

一字不落看了一遍，高手分析电路

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真高手啊

高手看着过瘾    多次拜读

相当厉害！

CK不敢来了？

高手啊，分析到位，抽丝剥茧，看着受教。
想起来我也有台罗德施瓦茨的CMT综测修了很多年都没有眉目，而且越修故障越多，看那一天鼓起勇气振作精神又再重新修起来。

拜读，楼主真有耐心，好好学习。

BA7IA:
高手啊，分析到位，抽丝剥茧，看着受教。
想起来我也有台罗德施瓦茨的CMT综测修了很多年都没有眉目，而且越修故障越多，看那一天鼓起勇气振作精神又再重新修起来。[表情]  

老仪器最喜欢钽电容漏个电或电解电容干枯了，全部换掉省心

有条件的话，把电源模块里面的输出滤波电解电容全部换掉，并且在电容背面管腿处并联0.47u的mlcc电容方可以延年益寿！