Ремонт и отладка мультиметра Keithley 2001.

[xDevs]

Мяу.
Всегда хотелось добыть точный мультиметр с кучей функций для радиогубительства в особо крупных масштабах, но целесообразности
в покупке нового как не было так и нет. Тем более что стоят 6.5 и более разрядные приборы ощутимых денег, за пределами бюджетов домашней лаборатории.
Однако как говорят - если сильно хотеть, то в итоге желания исполняются. Так и тут, несколько лет назад купил поломанный Keithley 2001 в заморских странах,
за 5% от цены нового, и спустя несколько недель получил и вступил в ряды "вольт-манъяков". Тогда я еще не знал, сколько мороки сулит наличие многоразрядного
мультиметра.

Небольшое отступление - по работе в основном занят с цифровой техникой, микроконтроллеры, ПЛИС, шины ПК, материнские платы/видеокарты, поэтому в
аналоговом мире я полный профан. Поэтому прошу ногами сразу не бить за порчу техники, ведь мы тут собрались just for fun

После получения девайса, и изучения скудного сервис-мануала, удалось оживить прибор и даже заставить его измерять. Так и пользовался оным совместно с Fluke 87V, пока в итоге не набрел на очередную продажу дохлых 2001, которые я в помешательстве скупил не глядя На цифре 7 было решено остановится, ибо хоть мертвые мультиметры и
имели хорошую стоимость (как для 7.5 разрядного прибора), но пользы от их складирования на полке не добавится. Так душа была продана дъяволу Keithey.



Сервисный мануал имеет лишь общие рекомендации и описание кодов самодиагностики, и перечень компонентов (спасибо, что с указанием номиналов и RefDesов).
Схемы засекречены и производитель их не дает, ибо даже сегодня они продают 2001/2002 серию, судя по сайту.

Сейчас план таков:
1. Отреверсить схему прибора по имеющимся платам.
2. Изучить принцип работы, примененную схемотехнику и приемы.
3. Отремонтировать проблемные мультиметры
4. Собрать и потестировать некоторое время восстановленные приборы.
5. Провести калибровку у производителя (возможно, если стоимость оной не превышает некоторых разумных пределов)
6. Радоваться результату.

На данный момент - есть 4 метра которые можно собрать докучи, и один из приборов пущен на мясо и детальки для оставшихся.



Также для дальнейших опытов и изучения доступен различный инструментарий:
HP 33120,TLA715 logic analyzer (захват цифровых данных, изучение протокола),скоп CSA7404,Keithley 2400 (был калиброван в 9/13/2007, скорее всего соответствует спекам и сейчас), стандарт напряжения EDC MV106 (неизвестно когда калибровался, соответсвует НЭ в районе 140uV , НЭ Eppley 809684 Standard Voltage Cell 1.01909VDC @ 70F неизвестной истории.

Поскольку для своих проектов я давно пользуюсь redmine :ссылка на проект.
Вся информация, схемы, фотки и успехи можно скачать тоже оттуда в любой момент. Доступ свободный

Сейчас причищаю схему АЦП и занимаюсь аналоговой платой. Занимает этот процесс достаточно много времени, т.к. все платы 4-слойные, и опыта в аналоговых вещах у меня маловато.

Общяя информация по начинке Model 2001:

Цифровая плата (Digital board)

Main CPU: Motorola MC68302FC16C
RAM: 2x128K

Фото сверху
Фото снизу

Аналоговая плата

Фото сверху
Фото снизу

ИОН : LM199 отобранный самими Keithley (согласно сервисному мануалу)

Плата АЦП

Top:

Bottom:


АЦП интегрирующего типа, управляется U808 ALTERA/Cypress CPLD (MAX EPM5128JC or CY7C342B)
и общается с процессором по SPI через оптоизоляцию на аналоговой плате.
питание АЦП: Q812, 78L05AC in TO92 package
Тактирующая частота: CMOS генератор, 7.680 MHz
Интегрирующий ОУ: BB OPA602AP, High-speed precision Difet OpAmp, 6.5MHz, +/-15V, 35V/us, +-1mV Vofs, +-15uV/°C Drift
?: 2 x LT1097CN8
Onboard VREF? : IN4579 Zener 6.4V

Передняя панель с кнопками и дисплеем:

Аналогична другим hi-end приборам Keithley, кастомный iTron VFD и мембранные клавиши.
Keithley 2002, 2400-series SMU, Keithley 7001, 7002 используют идентичный VFD.

Типичные поломки (все мои приборы имели проблемы с этим)

От возраста все электролиты текут, и электролит разъедает дороги.
Важные конденсаторы C114,C115,C116,C117 (470uF 63V and 1000uF 35V) используются
в схеме виртуальной земли (?) и дороги там прогорали до дыр в текстолите, что
требовало хирургического ремонта и перемычек.

fail1.jpg

(30.89 KiB) Скачиваний: 1195

Мультиметры которые мне достались были изготовлены в 1992-1994, согласно кодам на микросхемах.

Прошивка:
Версии A06,A08,B07

B07 хранилась в двух различных микросхемах ROM, четные байты отдельно, нечетные отдельно
Пришлось вспомнить Си и написать мелкую утилитку под FreeBSD чтобы склеить файлы в один

Что забавно - в прошивке открытым ASCII текстом перечислена команда разработчиков Keithley 2001.
Посмотреть можно начиная с смещения 0x741AA. Возможно при какой-то магической комбинации
клавиш мультиметр выдает эту инфо на экран, но найти сходу не получилось

George Topola Mike Szalkowski Bob Spinks
Larry Spilar Greg Sobolewsky Dave Skerkoski
Dave Sherrets Karl Sasgen Paul Sally
Ken Reindel Bill Pelster Gerald Naujoks
Scott Oberlin Steve Mihalick Marla Mock
Michael Minneman Mike Marks Peter Lui
Dave Lewis Warren Kumley Dave Kruszewski
John Kraizel Larry Klubert Meindert Kleefstra
Doug Kirsop Fred Hume Jim Horvath
Todd Hayes Theresa Harlan Jay Hardway
Kevin Hansen Kevin Graham Robert Fitch
John Ferman Mike Dahlhausen Mark D'Ambrosia
Jeff Cunningham Andy Creque Grant Coyle
Dale Cigoy Roger Chaplin Mark Brinich
Charles Bona Robert Bennet Gary Bish
John Banaska Kevin Ballou Mike Atwell
The Project Team

Мир должен знать героев прецизионной техники

На сегодня один из мультиметров проходит само-тест, но по прежнему имеет мелкие проблемы.
Использую его как эталон для проверок других плат и замеров.


Заснял небольшое видео с сигналами на выходах интегрирующего АЦП


Канал 1 (желтый) - ZCTL2 по схеме, Канал 2 (голубой) - ZCTL1


P.S. в процессах поисков единомышленников нашел восстановленную схему Keithley 2000. Работа была проделана китайским энтузиастом jhzyou с форума bbs.38hot.net

Последнее время занимаюсь этапом 1 - восстанавливаю схему:
Текущая схема в PDF

Сегодня закончил аналоговую часть АЦП:
Схема в PDF

Осталось причесать и можно изучать.

[Mickle]

Потрясающая работа!
Давно наблюдаю за проектом. Видел, как результаты были выложены на eevblog.com, bbs.38hot.net. Теперь приятно видеть их и на РадиоКоте

[veejut]

Мастер...Спасибо.

[xDevs]

Какой там, до мастеров еще учиться и учиться. Пока больше упорства, чем собственно мастерства и понимания.
Хотел давно запостить здесь, но почитав труды Mickle в соседней теме по калибровке было как-то стыдно позориться.
Да и выложить было нечего, схемой занялся более плотно лишь последние пару недель.
К тому же хотелось почитать и других владельцев K200x. серий, потому и в первую очередь взялся за зарубежные ресурсы.

[xDevs]

Выяснил стоимость калибровки местным сервис-центром Tektronix (нынче Keithley часть Danaher, так же как и Tek).
ISO9000 с данными до/после - Model 2001 - 550$ USD за один, Model 2400 Sourcemeter - 405$ USD.
Ожидал будет хуже, так что будем готовить пару 2001вых на калибровку

Эталоны для 2001 - FLUKE 5700A CALIBRATOR, FLUKE 5725A AMPLIFIER , KEITHLEY 2001-758 1G OHM STANDARD и Agilent 33220A генератор.
Эталоны для 2400 - все тот же 5700А, 3548А и Keithley 2400-756 10 ohm standard.

[Mickle]

Можно только порадоваться, что вопрос с калибровкой решается доступными средствами.

Я уже давно эту проблему перенёс в список бесперспективных. Если и найдутся где-то в областном центре эталоны c достаточным TUR для калибровки хотя бы одного из 7,5-8,5-разрядных приборов, то выделить на это дело 500$-1500$ из семейного бюджета - такое не могу себе даже представить.

[xDevs]

А если с пересылками, найти кого-нибудь в доступом к калибраторам (что тоже еще та задачка, но все же) и использовать транспортную меру для калибровочных значений?
Хотя учитывая требования даже 7.5 разрядов к стабильности - скорее всего будет гадание на гуще..

Сегодня тут выходной в честь нового года, так что потыкал термокамерой в один из 2001-вых.
Две аналоговых платы vs Fluke Ti32

Плата номер №4 не проходит самотест с ошибками:

304.3, 304.4, 304.5, 304.6, 304.7, 306.1, 309.1, 407.1, 407.2, 407.3, 408.6, 409.6, 410.1, 411.1, 411.2

Плата номер №1 на холодную проваливает пару тестов , по после 5-минутного прогреву можно крутить бесперерыва, все "ОК".
Используем ее как условно рабочую для проверки температурных режимов компонентов. Фото сделаны по очереди, заменой плат и
запуском самодиагностики в непрерывном режиме.

№4

Спойлер

№1

Спойлер

Все выглядит более менее сходно в этой области. Переходим к схемам отвественным за измерение сопротивления/тока.

№4

R286 и CR335 возле оптопары U537

Спойлер

[img]http://dev.xdevs.com/attachments/718/a09891_R286.jpg[/img

]

Ага, резистор прогревается до +65C, а CR335 более 45C, хмм..

Плата №1, та же область.

Спойлер

R286 лишь слегка выше температуры платы, +38C, CR335 мертвецки хладен, +33c.

Другая аномалия - Q540 под ADC платой, возле ОУ U324

Спойлер

Слева - нормальная плата, справа - проблемная.
У нормальной Q540 около 35C, на проблемной более +53c..

Время порисовать схему около этих узлов и разобраться кто здесь кто...

Бонусом:

Температура LM199 VREF

Спойлер

.
Учитывая что вся аналоговая часть платы заключена пластиковым кожухом в металлизацией внутренних поверхностей в термостабильный блок, очевидно что
ИОН работает при температуре свыше 70С.

Больше термокартинок - в соответствующем задаче тикете.

[Neekeetos]

Приветствую! Очень заинтересовала схема АЦП. Нет ли у Вас возможности сделать осцилограммы того, что происходит на выходах U816 и U813 ?

[xDevs]

Отчего ж нет, возможность есть, как и указывал в первом сообщении

20V диапазон, скорость normal (1 NLPC если память не изменяет)







За уровни не ручаюсь, осциллограф не прогревал.

Fast (0.01 NLPC)



Normal speed



Medium speed



Hi-accuracy speed (10 NLPC)

[Neekeetos]

Отчего ж нет, возможность есть, как и указывал в первом сообщении

О, вот за это огромное спасибо!!! На картинках практически все видно. Это multislope adc, если по Вашей схеме смотреть, то верхняя часть это ИОН плюс основной балансер заряда на интеграторе - два разнополярных источника тока максимальной амплитуды, дает примерно от 9бит в нормальном режиме до 12 бит в точном, остальное добирается тремя более точными источниками тока, каждый добавляет примерно по 4 бита (16 тактов ацп). Мне кажется на осцилограммах видно работу только одного из них - небольшой выступ внизу в конце цикла измерения, думаю если увеличить масштаб там появится еще два. Нечто похожее в виде патента https://www.google.com/patents/US4574271

[xDevs]

Спасибо, будем читать.. Там как раз цифровая часть описана тоже, собрать можно на модульке
CPLD и посинтезировать логику, за попробовать завести АЦП на коленке. В наличии ведерко
ALTERA MAX II и MAX V есть, ну и всякие более жирные FPGA.
Кстати эту механику улучшить можно? Какие пути? Если использовать современный сигмадельта АЦП?
В старшем 8.5-разрядном Keithley 2002 кстати CPLD более жирная и ИОН входов там два. Mickle описывал немного
ранее в соседней ветке про калибровку мультиметров.

Сигнал еще там прыгает забавно, завтра видео сниму, покажу. Сейчас уже спать пора, 4.21 утра

P.S. кажется это уже клиника, купил сегодня на Linear ИОН LTZ1000, несколко LTC1043, жменьку усилителей,
и заказал еще семплов LTC2442 и 16-бит ЦАПов в нагрузку...

[Mickle]

Хочу добавить, что Multislope ADC - это целое семейство алгоритмов преобразования. Большая часть производителей мультиметров разрядности 7,5-8,5 использует ту или иную реализацию Multislope. К этой группе относятся Takeda Riken/Advantest/ADCMT, Datron/Wavetek/Fluke, Keithley и HP/Agilent. Различия кроются в деталях. Кто-то для ускорения преобразования включает в алгоритм балансирование заряда на стадии интегрирования входного сигнала (multicycle run-up), кто-то использует внешний АЦП для определения остаточного заряда в интеграторе и т.п. Сколько бы источников тока и на какой стадии ни использовалось, в конечном итоге всё упирается в одно - инъекцию заряда при коммутации, суть причину нелинейности АЦП. Исключить её аппаратно нельзя, а вот скомпенсировать (сбалансировать) алгоритмически - можно. Об этом очень хорошо написано в журнале, посвящённом HP 3458A. Datron использовал похожую идею компенсации в 1271. Что же касается Advantest, есть все основания считать, что в R6581 используется безо всяких изменений алгоритм HP3458A.
Версию Multislope III (HP) вполне по силам реализовать самостоятельно: http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=24619, http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=35246
Впрочем, неспешные 7,5-8,5 разрядов можно получить и без CPLD и сложных алгоритмов. Solartron, Prema во всех своих мультиметрах, а так же Valhalla во встроенном вольтметре калибратора 2720GS использовали PWM АЦП.

P.S. Если это чем-то поможет в исследовании, скромная подборка патентов на интегрирующие АЦП основных производителей мультиметров: https://www.mediafire.com/?g5qnzwnela9ay6o. Составлял когда-то для статьи-обзора 8,5-разрядных DMM, но видно уже не пригодится

[Neekeetos]

купил сегодня на Linear ИОН LTZ1000, несколко LTC1043, жменьку усилителей,
и заказал еще семплов LTC2442 и 16-бит ЦАПов в нагрузку...

Кстати говоря это довольно хороший вариант, если взять что-то из серии ltc24хх и использовать мк для линеаризации характеристики ацп. Учитывая, что сам график нелинейности приведен в даташите, можно выйти на достойные параметры точности без сложных схем.

Различия кроются в деталях

Истинная правда. У того же ХП существует куча патентов просто на тему в каком порядке ключи активировать в интегрирующем ацп, детали крайне важны.

Версию Multislope III (HP) вполне по силам реализовать самостоятельно: http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=24619, http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=35246

А у вас нету случайно этих файлов? Сайт просит зарегистрироваться, видимо на китайском. Multiclope III существует минимум в двух вариантах, наиболее современный использует всего два источника тока и вспомогательный ацп для получения остатка на интеграторе, патентов на него я не видел, скрывают .

[xDevs]

Сегодня перерисовал CPLD, почистил схему от мусора, немного стало понятнее..
Итоги трудов:

PDF,PNG, 1MB.

P.S. Извините за цветастый PDF, у меня в оркаде фон черный, поэтому светлые цвета помогают разбираться что и куда идет...
В настройках Adobe Reader можно фон задать на черный тоже, в accesibility (для инвалидов )

Mickle, спасибо. Вы по китайски читаете, что-ли? Я хоть и проживаю в Тайпее уже третий год, китайский для меня темный лес, хотя из лености не учу даже , так что сам виноват.

[Mickle]

Neekeetos, в той подборке патентов, что я выложил выше, есть и Multislope III с вспомогательным АЦП. Какой-то другой его вариант мне лично неизвестен. Возможно Вы имеете ввиду поколение II или IV.
На bbs.38hot стоит зарегистрироваться. Много интересных проектов выкладывают наши китайские коллеги. Кое-что я попробовал сохранить из вышеприведенных веток https://www.mediafire.com/?z63qccyntgf8rpg, https://www.mediafire.com/?hrl8hmqgjtacmtf.

[xDevs]

Вернемся к нашим баранам...

Порисовал сегодня еще схему, перерисовал сетевую часть на чистую.

PDF

Обновил и причесал изоляцию между цифровой платой и аналоговой.
Пока только со стороны аналоговой платы..

PDF

Немного порисовал узел отвечающий за омы/амперы (не любит меня этот блок)

PDF

Добавил блок диаграмму, а то лазить в PDF каждый раз неудобно:

PDF

Убито 6 часов

[Mickle]

Всё таки принципиальные схемы Keithley 2000,2001,2010 существуют не только у производителя, но и у простых смертных . На bbs.38hot встретились недавно их куски. Правда местные аборигены неохотно делятся подобной информацией.

[xDevs]

А скачать получилось? Где нашли? А то я все рисую, и рисую...

Аборигенов тоже понять можно, их за это здесь увольняют и сажают, без шуток.

[Mickle]

Тема вот: http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=68691&extra=page%3D2 Увы, качать там нечего. Автор выложил куски схем интеграторов АЦП и задал вопрос о требованиях к ОУ. Странный вопрос, учитывая, что этот товарищ работал в сервисе Keithley непосредственно по ремонту приборов. Сапожник без сапог

[xDevs]

Ну знамя ему в руки, раз так
Продолжим наш хоровод и без фирменных схем...

PDF 12/01