Datron 1071 zeigt ERROR OL

Datron 1071 zeigt ERROR OL

Heute gibt es schon wieder einen Beitrag, der tatsächlich etwas mit dem Thema dieses Blogs zu tun hat. Und das wo es hier ja an Beiträgen nur so prasselt. Aber zum Thema:

Ich bin seit kurzem glücklicher Besitzer eines Datron 1071, das ich als „defekt“ bei eBay erstanden habe. Es ist ein altes 6,5 Stellen Multimeter, dass im Averaging bzw. mit dem eingebauten Filter auch 7,5 Stellen auflösen kann :). Das ist natürlich genau das, was das Herz eines jeden Präzisionsfetischisten höher schlagen lässt. Der Defekt bezog sich laut dem Verkäufer auf die fehlende Kalibrierung. Ich dachte mir, dass es soooo schlimm nicht ist, weil ich momentan Zugriff auf ein wenige Monate altes Agilent 3458A habe (8,5 Stellen, aber ich denke DAS muss ich nun wirklich keinem sagen 😉 ). Also habe ich übers Wochenende mein Arbeitszimmer zu einem Kalibrierlabor umdekoriert.

Laut Serviceanleitung des Datron soll es mindestens 2h am Stück laufen bevor man mit der Kalibrierung anfängt. Also habe ich alle Geräte (DC Standard, 3458A und das Datron) laufen lassen und dabei schon mal ein wenig rumgespielt und geschaut wie ich dann nun stabile Spannungen im gewünschten Bereich bekomme. Das ist alles andere als einfach bei dieser Auflösung, aber das ist eine andere Geschichte. Als am 3458A und am parallel geschaltetem Datron schon ne ganze Weile 1,0000V anlagen zeigte das Datron mit einmal „Error OL“ im Display. Hups?!?? Dachte ich mir. Habe die Stecker am Eingang abgezogen, das Gerät ausgeschaltet,  eingeschaltet, wild an den Knöpfen rumgedrückt.. usw. Halt die Dinge die man so wohlüberlegt macht, wenn man so ein Problem ganz systematisch angeht. Aber es half alles nicht, das Datron meinte ich würde ihm zu viel zumuten und zeigte weiterhin in allen Messbereichen und Betriebsmodi (es kann nur DC und AC Spannungsmessung) einen Overflow an.

CIMG3184

Also wird es wohl doch eher ein Reparaturwochenende und kein Kalibrierwochenende.. Naja, also erstmal den Arbeitstisch freigeräumt und das 3458A beiseite gestellt. Ein Blick in das Servicemanual und auf die Platinen des Datron stimmten mich dann aber sehr froh. Den Fehler habe ich zwar noch lange nicht gefunden, aber es gibt eine Menge Testpunkte die in den Schaltplänen wiederzufinden sind und teilweise auch aussagen was man dort so zu erwarten hat. Und weil das ja noch nicht vorbildlich genug ist, sind einige dieser Testpunkte als Drahtschleifen ausgeführt. Damit ist es sogar möglich die Schaltung an bestimmten Stellen zu trennen! Das ist wirklich schick. Ich hatte bei einem alten Keithley mit genau solchen Dingen schon so meine Probleme, aber auch das ist eine andere Geschichte.

Also schnell ein anderes Multimeter angeschmissen und die üblichen Verdächtigen überprüft. Die Versorgungsspannungen sahen aber alle gut aus. Wäre ja auch viel zu einfach gewesen… Also muss man nun tatsächlich systematisch vorgehen? Es sieht fast danach aus… Nagut, also erstmal den Bestückungsplan des Analogboards ausgedruckt und die interessanten Testpunkte markiert.

Das Datron nutzt eine sehr interessante Schaltung um den Eingang hochohmig zu behalten. Dabei „schwimmt“ ein Transistorpaar als Eingangsstufe auf Ebene des Eingangs um hier Ströme zu vermeiden. Diese Bootstrapgeschichte sah aber auch gut aus, die dazu bereitgestellten +/-40V waren da und der Eingansabschwächer bzw. Verstärker funktionierte auch wie im Servicemanual beschrieben. Ich habe einige definierte Spannungen angelegt und der Isolationsverstärker (So nennt Datron die Eingangstufe) lieferte brav was er soll. Ok, der Isolationsverstärker sowie die Bereichswahl funktionieren also schon mal. Da das Gerät den gleichen Fehler auch im AC Modus zeigt liegt der Verdacht nahe, dass es etwas am AD Wandler sein muss, aber der Reihe nach…

Wir wissen also, dass es die Eingangsstufe nicht ist und auch nicht der Abschwächer, der Muxer vor dem AD bekommt auch noch das gewollte Signal. Bis hierhin liegt also tatsächlich kein Overflow vor. Ich starte also mal die eingebaute Test-Routine des Geräts. Das Gerät fängt lustig mit dem Display Segmenten an zu blinken und beginnt dann einige Schaltungsteile zu überprüfen. Dafür haben die Jungs bei Datron an einigen Stellen Transistoren spendiert, die z.B. eine Spannung am Isolationsverstärker erzeugen können. Somit kann das Gerät einige DC Bereiche selbständig testen und mit den zu erwarteten Werten vergleichen. Natürlich nur solange niemand vorne etwas anschließt :). Der Test bleibt sofort mit einem Fehler im DC Test stehen. Laut Ablaufplan in dem Punkt, in dem der erste Eingangsspannungsbereich getestet wird. Ein nachmessen der so injizierten Spannung zeigt jedoch, dass die Schaltung genau das tut was sie soll. Der Fehler wird also fälschlicherweise erkannt, weil der DA Wandler nicht nur mir sondern auch dem Controller erzählt es würde ein Überlauf stattfinden. Naja, das ist wenigstens fair…

Also schauen wir uns den DA Wandler mal genauer an. Die Umschaltung zwischen Signal und den Referenzen erfolgt übrigens über einen (1)4051. Ich habe dieses IC mal fast 30 Jahre später in einem DualSlope Wandler benutzt und dachte mir „Ach für das was ich hier will reicht es“. Es reicht offensichtlich auch für ein 7,5 Stellen Multimeter! Hinter dem 4051 ist dann noch ein Buffer aus einem OP und zwei Transistoren mit etwas Hühnerfutter aufgebaut. Dieser Buffer soll eine Spannungsverstärkung von 1 machen und den Integrtaor treiben. Das könnte doch was sein? Dachte ich zumindest, aber der machte auch brav was er soll.

CIMG3189
Das was hier das Bild so unansehnlich macht ist übrigens Sonnenlicht, der natürliche Feind des E-Technikers. Mein Hioki DC Standard war schon fürs Kalibrieren geöffnet, musste aber wieder an die Seite. Darum steht das kleine Netzteil so schief dadrauf.

Der Wandler liefert also einen Overflow? Also schauen wir erstmal in das Servicemanual und belesen uns ein wenig wie das Gerät überhaupt misst. Im Prinzip ist es einfach ein DualSlope Wandler mit zwei Extras. Zum einen kann ein sogenannter Bias dem Signal hintergeschickt werden um einige nicht Linearitäten auszugleichen und zum anderen wird beim „abintegrieren“ kurz vor erreichen der 0 eine kleinere Referenzspannung gewählt.

wandler

Also schauen wir uns zunächst mal das Ausgangssignal des 4051 an (blaues Signal weiter unten). Dann ist nicht alles für mich neu. Der Ausgang sieht dann meiner Meinung nach nicht ganz so aus, wie ich es aus dem Servicemanual erwartet hätte. Der Bias ist sehr kurz, aber da. Vielleicht ist das einfach nur für die Anschauung im Manual anders dargestellt. Was hier aber völlig fehlt ist das Umschalten auf die zweite kleinere Referenz. Hmm, gibt es hier evtl. ein Problem? Ich suche im Schaltplan die betreffenden Pins raus und beginne zu messen. Die positive Referenz sind gut und stabil aus, die kleinere positive auch, aber irgendwie sieht die negative komisch aus?? Das klärt sich dann aber doch schnell auf, wenn man die Pins von der richtigen Seite aus durchzählt :). Dieser Absatz hier, den man nun in weniger als einer Minute lesen kann hat mich sicher eine halbe Stunde gekostet. Bevor man noch mal nachmisst ist man sich natürlich ganz sicher, dass man Recht hat und verfolgt erstmal die Entstehung dieser Referenz, stellt dann fest, dass da alles ok ist. Dann schaut man sich die Schaltpläne an um herauszufinden wo das Signal auf der Strecke bleibt. Geht diesen Pfad Schritt für Schritt durch um DANN GAAAAAAANZ am Ende festzustellen, dass man einfach nur zu blöd zum Zählen war. Ok alle Signal die zum 4051 kommen liegen also auch an. Leider hat mein Scope nur zwei Kanäle, also begnüge ich mich erstmal damit zu schauen ob an allen Steuerleitungen für den 4051 wackeln (Das Ding ist ein 8-fach Umschalter bei dem über drei Steuerleitungen bestimmt wird, welcher Eingang mit dem Ausgang verbunden wird.). Alle drei wackeln. Ich gehe also mal davon aus, dass das ausbleibende REF2 Signal nicht verschluckt wird, weil eine der digitalen Steuerleitungen zum 4051 hin kein Signal mehr bis hierhin liefert. Also woran liegt es dann? Ist der 4051 defekt? Hinzubekommen ist sowas, ich habe mal einen Funktionsgenerator… anderes Thema!.. Ich könnte nun natürlich die drei Steuerleitungen mal hochbiegen, zum Glück ist hier alles gesockelt, und dann irgendwas frickeln um alle Stufen von „Hand“ durchzuschalten. Ich bin mir aber nicht sicher, was der Integrator dazu sagt, wenn ich ihn gnadenlos bis an den Poller fahren lasse (wahrscheinlich hätte er gar nix gesagt, weil die Schaltung dagegen geschützt ist, das wusste ich aber da noch nicht). Also schau ich mir lieber mal das Integrator Signal (gelb) an und überlege ob es so aussieht wie es soll.

TP4_TP5

Hmm, komisch finde ich, dass das Signal über die 0 hinausgeht. Das macht ein normaler DualSlope-Wandler nicht. Haben die hier aber vielleicht irgendetwas anderes noch gemacht? Es ist schließlich ein 7,5 Stellen Gerät. Ich vergleiche das Signal wieder mit dem aus dem Manual und schaue mir auch noch mal Nulldetektorsignal genauer an. Hmm, so wie im Manual sieht das aber nicht aus? Laut Manual ist das Signal erstmal unten und geht dann hoch?? Hmm, da sollten wir mal die Schaltung ein wenig genauer untersuchen. Ich überlege mir also was für ein Signal der erste Nulldetektor wohl liefern würde bei einem negativem Eingangssignal und wer nicht das erste mal einen OP sieht, der sieht sofort, dass diese Schaltung das Signal invertiert.

nulldetektor

Messung an TP9 (gelb) und TP3 (blau)

nulldektor2

Dahinter kommt dann dieser Komparator LM311. Ok, das sollte sich dann genau so verhalten wie im Manual angegeben. Tut es aber nicht. Es ist genau falschrum. Hmm, also das es nicht mehr geht oder aber nicht mehr die Performance hat wie vor 30 Jahren, aber das es geht nur das Signal invertiert?!?! Das kann nicht sein. Vielleicht haben die bei Datron ja die Schaltung nochmal verändert. Auf den Schaltplänen steht ja 1979 und auf den EPROMS in meinem Gerät steht 1984. Also mal eben an den Pins des LM311 nachgemessen, aber irgendwie ist da alles so wie es im Schaltplan steht. Bei der Suche nach einem Ersatz fiel mir dann im Datenblatt des LM311 auf, dass Pin 2 nicht wie bei gewöhnlichen Operationsverstärkern der positive Eingang ist :). Damit erklärt sich natürlich einiges. Das + im Schaltplan ist einfach falsch. Die Schaltung tut also genau das was sie soll. Aber die Beschreibung aus dem Servicemanual passt nicht zum Null Signal.

Nun hatte ich mich aber auf das Null Signal eingeschossen. Zwischenzeitlich war mir aufgefallen, dass das hochlaufende Signal etwas mehr als genauso lang war wie das runterintegrieren. Offensichtlich bricht die Software hier das integrieren einfach ab. Es kann ja auch nichts sinnvolles mehr rauskommen, weil das Signal dafür größer sein müsste als die Referenz. Somit zeigt das Gerät aus dieser Sicht völlig zurecht einen Overflow an. Es sieht fast so aus, als würde der Digitalteil des AD Wandlers nicht merken, dass wir die 0 schon längst erreicht haben. Bzw. erstmal die kleinere Referenz. Damit ist dann auch klar warum der 4051 nicht auf die nächste Referenz umschaltet. Der Wandler „denkt“ es wäre noch nicht so weit. Die Spur mit dem Nulldetektor ist also noch ziemlich warm.

Dann schauen wir doch mal was mit dem Null Signal so alles gemacht wird. Die gesamte Elektronik des Datron ist in zwei Bereich geteilt. Der Ananlogteil ist floatend und nur über Optokoppler mit dem Digitalteil verbunden. Man will ja schließlich potentialfrei messen können. Die digitalen Anschlüsse des Gerätes sind aber auf Erdpotential, also alles schön getrennt. Es gibt ein FlipFlop (M29) auf dem Analogteil dem das Nullsignal zugeführt wird. Es stellt sich allerdings schnell heraus, dass dieses nur dafür verwendet wird die Polarität des Eingangssignals zu erkennen um somit die richtige Polarität der Referenzspannung zu wählen. Ein kurzer Test mit einer negativen Eingangsspannung zeigt auch, dass das funktioniert. Der 4051 wählt immer die richtige Referenz um den Integrator wieder zu entladen. Ich gehe im weiteren nun einfach mal davon aus, dass der Logikpegel des Nullsignals richtig ist. Die Schaltung kann sich ja nicht plötzlich verändert haben. Also schaue ich mir den Optokoppler (M1) zur Digitalseite hin an. Die LED des Kopplers wird richtig angesteuer und an Pin 5 (Emitter des Optokollers) messe ich ein Signal, dass genauso aussieht wie das Nullsignal auf der Digitalseite. Das ist scheinbar (<- man beachte die Bedeutung dieses Wortes! Allerdings wusste ich das zu dem Zeitpunkt noch nicht) in Ordnung. Also weiter..

Das Nullsignal hat also ein Problem auf der Digitalseite. Das ist in sofern schön, als das man sich hier weniger Sorgen machen muss, dass man an der Genauigkeit oder Stabilität des Gerätes etwas ändert durch eine Reparatur. Ich verfolge das Signal bis zu einem Transistor (Q3). Das Signal gelangt vom Optokoppler über den Widerstand R23 an die Basis. Also schnell im Schaltplan geschaut und gesehen, dass Testpunkt 9 das digitale Signal hinter dem Transistor führen sollte. Doch halt? Irgendwie sieht meine Platine auf der Digitalseite ein wenig anders aus als die aus den Unterlagen. Die haben also tatsächlich noch mal einiges geändert, was allerdings das invertierte Nullsignal aus dem Manual weder erklärt noch entschuldigt, aber egal… Ich kann den Transistor identifizieren und messe an seiner Basis auch das Nullsignal mit einigen 100mV Pegel. Auf den ersten Blick für die Basis eines Bipolartransistors völlig in Ordnung. Dann messe ich Kollektor und Emitter und hier endet unser Nullsignal. Also denke ich mir: Sehr schön, einfach einen Schalttransistor ersetzen :). Nach etwas googeln finde ich auch ein Datenblatt zum 2N3646 und beschließe ihn durch den nur marginal langsameren BC547 aus meiner Schublade zu ersetzen.

Um mir den Ausbau der Platinen zu ersparen knipse ich die Beine des Transistors ab. Dabei lasse ich ihm noch etwas Bein um ihn weiter sezieren zu können. Nach dem Ausbau und dem Einbau des BC547 sieht der Transistor gar nicht so kaputt aus. Hmm doch ein anderer Fehler? Der neue Transistor schaltet auch nicht. Hat vielleicht einer der CMOS Eingänge einen defekt und einen Schluss gegen 5V und es bleibt deshalb das Potential oben?

Ich nehme 1kOhm als Tastspitze und verbinde diese über ein Multimeter mit GND. So kann ich sehen wieviel Strom in diesen Zweig fließen und der Strom wird durch die 1k so begrenzt, dass nix kaputtgehen sollte und trotzdem geschaltet werden kann. Dann „taste“ ich mit diesem Widerstand an den 5V Pullupwiderstand (R25) und sehe: Das Signal auf dem Digitalteil ist immernoch auf 5V und das Multimeter zeigt fette 5mA. Also tatsächlich ein Kurzschluss gegen 5V? Ich ziehe nacheinander alle ICs die an diesem Netz hängen und biege das entsprechende Beinchen hoch. Aber alle drei Kandidaten sind für diesen Umstand nicht verantwortlich. Dann fällt mir auf, warum man lieber direkt an der Transistorbasis tasten sollte :). Ich habe beim Pullup natürlich die falsche Seite erwischt und die ist natürlich satt mit 5V „kurzgeschlossen“. Also neuer Versuch, diesmal kein Risiko und direkt an die erstmal schwer zu erreichende Basis des Transistors. Und siehe da: Das Signal auf der Digitalseite geht runter. Hmm, es fließt offensichtlich einfach nicht genug Strom in die Basis. Ein kurzer Test mit dem Schraubendreher am Optokoppler zwischen Kollektor und Emitter bestätigt das. Der Optokoppler schaltet nicht mehr genügend durch. Nach dem Tausch des Optokopplers (M1) läuft das Gerät nun wieder und ich kann mich endlich ans Kalibrieren machen :).

Für alle die mal ein ähnliches Problem haben sollten hier noch ein Bild wie die Signale aussehen, wenn es heil ist.

DS2_QuickPrint23

DS2_QuickPrint22

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