8112A Pulse Generator

8112A Pulse Generator 50 MHz

Der Leser Karl Heinz hat freundlicherweise diesen Bericht verfasst und die schönen Fotos erstellt - Vielen Dank

Der hp 8112A Pulse-Generator ist stark verwand mit dem hier bereits vorgestellten hp8116A Pulse/Funktion Generator. Es kam zur selben Zeit auf den Markt (ca. 1983..1990) und wurde vom selben Entwicklerteam konzipiert und in der deutschen hp Messgeräte-Devision in Böblingen gebaut. Dieses Gerät wurde auf die Erzeugung von Impulsen optimiert, es kann bezüglich der Pulserzeugung mehr als der hp 8116A. Die Bedienung ist nicht so eingängig und leicht verständlich wie die eines reinen Funktionsgenerators, man muß sich schon etwas mit dem Gerät und dem Manual beschäftigen, um es bedienen zu können.

Der 8112A hat folgende Eigenschaften:

Periodendauer von 20nS - 950ms.
Verzögerungszeiten (nach Empfang des Triggersignals) 65nS - 950mS.
Doppelpuls (erster Puls wird aus dem Triggersignal erzeugt) 65nS - 950mS.
Impulsbreite einstellbar von 10nS - 950mS. Tastverhältnis ist von 1% - 99% in 1% Schritten einstellbar.
Impulsflanken mit fest eingestellter Anstiegs/Abfallzeit von 5nS
Impulsflanken mit linearer Anstiegs/Abfallzeit von 6,5nS - 95mS
Impulsflanken mit cosinusförmiger Anstiegs/Abfallzeit von 6,5nS - 95mS
Ansteigende und abfallende Flanken sind getrennt einstellbar.
Ausgangsspannung +8V..-8V an 50 Ohm, unbelastet max. 32Vss.
Triggerbar mit pos. und/oder negativer Flanke.
Extern getriggerter Burst mit 1 - 1999 Pulsen
Spannungsgesteuerte Steuereingänge für Amplitude, Pulsbreite, Verzögerung und Abstand der Doppelpulse.
9 Speicherplätze für Setups.
Vollständig über GPIB steuerbar

Die Bedienung erfolgt vollständig prozessorgesteuert, was die Handhabung sehr erleichert. Bei einem Pulsgenrator kann man prinzipbedingt allen möglichen Unsinn einstellen, z.B. Anstiegs und Abfallzeiten, welche länger als die Periodendauer sind. Der 8112A gibt bei falschen oder sinnlosen Einstellungen Fehlermeldungen und Warnmeldungen aus. Zudem hilft die markante, grüne "SET" Taste, immer eine sinnvolle Grundeinstellung zu finden. Bei einem Pulsgenerator müssen alle Einstellungen zusammenpassen, wenn man z.B. die Frequenz erheblich ändert, dann kann es sein, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten nicht mehr passen. Bei dem 8112A drückt man einfach die SET Taste, das Gerät stellt dann automatisch ein Tastverhältniss von 50% ein und eine Anstiges/Abfallzeit, die 10% der Periodendauer beträgt (bei linearen und cosinusförmigen Flanken). So hat man immer eine brauchbare Grundeinstellung, auf deren Basis man die Parameter an den Bedarf anpassen kann.

Hier ein paar ausgewählte Grundfunktionen als Beispiel:

Das Rechteck muss ich jetzt nicht beschreiben, es dient nur als Referenz, um die Unterschiede besser zu erkennen

Hier das selbe Signal mit der Option "linear". Die Flanken steigen und fallen linear.
Man kann die Anstiegs und Abfallzeit so einstellen, dass man ein Dreieck bekommt, solange die Periodendauer kürzer ist als die maximale Anstiegs/Abfallzeit.

Da jetzt der Pegel nicht mehr stimmt, weil die Flanken länger dauern als die Periode, zeigt der 8112A eine unübersehbare Warnung.

Hier die Funktion mit der Option cosinus Anstiegsflanke.

Auch hier kann man es, in Grenzen, wieder "excessive" betreiben:

So kann man den 8112A doch noch eingeschränkt als Funktionsgenerator betreiben. Ist halt etwas umständlich, weil man immer Periodendauer und die Flanken genau einstellen muss und auch die Amplitudenanzeige nicht stimmt. Aber es geht, auch wenn das Gerät dafür nicht konzipiert wurde. Wenn man nur bestimmte Frequenzen benötigt, kann man diese Sinus oder Dreieckfunktionen in einem der 9 Speicherplätze ablegen und somit mit einem Tastendruck einstellen. Die Linearfunktion kann man gut verwenden um z.B. Komparatoren, Triggerschaltungen usw. zu testen. Auch zur Ansteuerung mechanischer Systeme ist das gut geeignet. Die Cosinusfunktion war hauptsächlich zur Ansteuerung von CMOS Schaltkreisen gedacht und zur Vermeidung von Reflexionen auf Leitungen, da der Oberwellengehalt dieser Kurvenform gegenüber einem Standard-Rechteck reduziert ist. Man kann mit dem Gerät alles mögliche an Kurven generieren, die Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt. Es macht auch mal Spaß einfach nur damit herum zu spielen.

Hier ein paar Spielereien:

Über die Control und Triggerfunktionen wird das noch mal erweitert, Doppelpulse mit gesteuertem Abstand, PWM, Amplitudenmodulierte Bursts usw. usv.

Mein 8112A stammt von einem amerikanischen Surplus Händler, der ausgemusterte und defekte Geräte aus Regierungsbeständen verkauft, vermutlich Bestände der US Army. Solche Geräte werden in den USA oft unglaublich günstig angeboten, leider relativieren die sehr hohen Transportkosten, die oft höher sind als der Kaufpreis des Gerätes, und der Zoll, der dann noch dazukommt, das Ganze für Käufer aus Deutschland.

Das Gerät war außen recht sauber und in einem optisch erfreulich guten Zustand. Nur die Gerätefüße fehlten, wie immer. Ich habe noch nie ein hp Gerät bekommen, bei dem die Füße dabei waren. Ich weiß wirklich nicht, was die Vorbesitzer damit immer machen. Es gibt zum Glück einige amerikanische und asiatische Händler, welche die Teile günstig verkaufen, ich habe mir mittlerweile einen Vorrat davon angelegt.

So, nun endlich ein Blick ins Innere.

Die Elektronik ist auf drei übereinander liegenden Leiterplatten untergebracht.
Ganz oben die Prozessorkarte.

Das ist fast die selbe wie beim 8116A, sie unterscheidet sich nur geringfügig in der Bestückung (einige Bauteile fehlen gegenüber der Karte des 8116A) und der Firmware. Das ist typische 80er Jahre Technik, eine 6802 CPU, S-RAM, EPROM, GPIB Chip, TTL Chips für die internen Busse, Adressdecoder usw. Links unten der INTERSIL Chip ist der LED Controller.

In der Mitte, unter einem Abschirmblech, sitzt das Interfaceboard.

Hier sitzen jede Menge vom Prozessor angesteuerte D/A Wandler und die zugehörenden Ausgangsstufen, welche die Steuerspannungen für den Analogteil erzeugen. Links der Burstzähler, der zum Teil aus ECL Chips besteht.

Unten das Mainboard. Ganz rechts die Stromversorgung, links die Endstufe. Die drei ASICS unten in der Mitte sind für die Erzeugung der Periodendauer, Impulsbreiten und der Anstiegs/Abfallzeiten Zuständig, oben rechts das Timing ASIC, ein VCO für die Wiederholfrequenz oder den Impulsabstand zum Trigger bei Doppelpulsen, oben links das ASIC ist der VCA und Waveshaper für die Cosinusflanken. Es kommen hier die selben ASICS zum Einsatz wie im 8116A. Die ASICS werden mit Steuerspannungen und Steuerströmen von den D/A Wandlern auf dem Interfaceboard gesteuert.

"It powered on, but is otherwise untested" schrieb der Verkäufer.

Mal sehen... Zuerst wurde es auf 240V Netzspannung umgestellt, daran sollte man unbedingt denken, wenn man Geräte aus den USA kauft. Hört sich trivial an, passiert aber trotzdem immer wieder mal, dass es vergessen wird. Das Gerät wurde dazu erst mal geöffnet, die Spannung umgestellt und einer ersten visuellen Prüfung unterzogen. Es war innen sauber und die Elektronik komplett unverbastelt, ein Optimalzustand. Aber es zeigten sich gleich ein paar Auffälligkeiten:

Fehler 1:

Der original Lüfter war defekt, Lagerschaden und fast komplett festgefressen. Der Einfachheit halber hat man, um den Lärm des defekten Lüfters zu beenden, das Lüfterkabel durchgeschnitten. Auch eine Lösung, aber keine gute... Ein Techniker hatte sich anscheinend daran versucht den Lüfter auszubauen, was ihm aber nicht gelungen ist. Anstatt es richtig zu machen hat man versucht ein Seitenteil des Chassis auszubauen, um den Lüfter raus zu bekommen. Nachdem das nicht geklappt hat, wurde das Seitenteil wieder eingebaut, allerdings so, dass die Leiterplatte danach oberhalb der Auflagefläche anlag, und nicht unten. Dadurch war das Mainboard auf der einen Seite nicht befestigt, die Schrauben waren zwar von der Unterseite reingeschraubt, die Leiterplatte lag aber lose auf der Oberseite. Zwei der vier Halteschrauben des Lüfters fehlten. Eine echte Großtat des amerikanischen Kollegen, wobei ich hoffe, dass dies nicht bei der US Army so gemacht wurde, sondern erst bei dem Verkäufer. Denn wenn die ihre nuklearen Waffensystem genau so warten, wäre ich etwas beunruhigt... Der Lüfter wurde ersetzt, das Mainboard richtig eingebaut. Nach dem Einschalten zeigte ein Kurztest, dass das Gerät grundsätzlich funktionierte.

Fehler 2:

Wie bei allen Generatoren von hp, die ich bisher restauriert habe, war es auch hier notwendig, die Frontplatte auszubauen und die Tasten zu reinigen, da sie schwergängig waren. (Geht sehr gut mit Kontakt WL.) Nach dem Zusammenbau startete das Gerät zwar ohne Fehlercode, am Ausgang war aber kein Signal mehr zu sehen. Hö? Das ist eigentlich nicht möglich, da das Gerät ja seinen Selbsttest bestanden hat, ansonsten wäre ein Fehlercode angezeigt worden. Nur das Ausgangsrelais und die Verbindung zur BNC Buchse werden von dem Test nicht erfasst. Es zeigte sich schnell, dass die Verbindung von der BNC Buchse zur Leiterplatte unterbrochen war. Beim Ausbau der Bedieneinheit müssen die Koaxialkabel, welche die BNC-Buchsen der Frontseite mit der Elektronik verbinden, von der Leiterplatte abgelötet werden. Ich dachte erst, dass das Kabel beim Aus oder Einbauen irgendwo abgebrochen ist. So was kann ja schnell mal passieren. Die Kabel lassen sich recht einfach auslöten, sie sind an ihrem Ende einfach mit Schrumpfschlauch überzogen und werden direkt in die Leiterplatte gelötet. Außer das Kabel vom Signalausgang, da ist es anders. Dieses Kabel hat einen sehr kleinen Biegeradius und ist recht kurz, deswegen steht es unter mechanischer Spannung. Das ist der Grund, warum hier ein Verbinder verwendet wurde, der ist hier auf dem Bild zu sehen. Er sitzt unter dem Kühlblech der Endstufe. <connector>

Ich habe die Frontplatte wieder ausgebaut und mir das Kabel genauer angeschaut. Dabei traute ich meinen Augen nicht. Das Koaxialkabel wird normalerweise mit der Einbauhülse verlötet, danach am Ende mit einem Schrumpfschlach überzogen. Verlötet wird einmal der Schirm durch einen Schlitz in der Hülse (verdeckt vom Schrumpfschlauch) und der Innenleiter an der Stirnseite des Adapters. Das Kabel aber steckte einfach nur unverlötet in der Hülse, weder der Schirm noch die Stirnseite waren verlötet. Gehalten wurde das Kabel nur durch den Schrumpfschlauch. Ein Fertigungsfehler, der Jahrzehnte unbemerkt blieb, weil durch die mechanische Spannung des Kabels dennoch ein Kontakt entstand. Erst als ich das Gerät zerlegt habe, habe ich das Kabel ein Stück aus der Hülse gezogen und der Kontakt war verloren. Schon kurios irgendwie, da kommt das Gerät aus Böblingen mit diesem Fehler in die USA, wird dort lange benutzt und kommt dann zurück nach Deutschland, wo der Fehler der schwäbischen Kollegen dann in Baden behoben wird...Nein, ich werde das jetzt nicht weiter ausbreiten ;-). Das Verbindungsstück wurde richtig verlötet und mit einem neuen Schrumpfschlauch versehen. Somit war das Problem beseitig und das Gerät wurde einem Performancetest unterzogen.

Fehler 3:

Beim Test zeigte sich, das die Anstiegszeit der Flanken beim Rechteck in der Toleranz lagen, die Abfallzeiten waren aber ca. um den Faktor 3..4 zu hoch. Sie sollten abhängig vom Pegel zwischen 4,5 bis 6,5 nS liegen (im Mittel bei 5nS), waren aber bis zu 20 nS lang auf der abfallenden Seite. Alle Versuche dies durch den Abgleich der Endstufe zu verbesseren brachten nichts und verschlechterte nur die ansteigende Flanke, welche dann ein Ringing zeigte. Hier gab es einen Fehler in der Endstufe, der die Abfallzeit beeinflusste.

Die Schaltung besteht aus mehreren hintereinadergeschalteten Complementärstufen, die ersten Stufen sind für die Spannungsverstärkung verantwortlich, die Stufen im Ausgangsbereich für die Stromverstärkung. OpAmps sorgen für die Compensation unterschiedlicher Ströme in den beiden Hälften der Gegentaktstufen und korrigieren und steuern den Offset der Endstufe. Wer sich für die Schaltungsdetails des Gerätes interessiert, der kann sich bei Agilent das User und Servicemanual mit allen Schaltplänen und Schaltungsbeschreibungen herunterladen.

Fehler 4 :

Am Eingang der Enstufe war das Signal noch in Ordnung, Bei Q506 konnte man sehen, dass sich hier die Signalqualität deutlich verschlechterte. Als ich mir einige Zeit die Schaltung betrachtete und dann wieder auf das Oszilloskop schaute, war das Signal weg, statt dessen stand ein Gleichspannungspegel von rund +20V am Ausgang. Nach Aus und wieder Einschalten zeigte das Gerät Fehlercode E22 Nun war die Endstufe also komplett ausgefallen. Fehlersuche in Gleichspannungsgekoppelten Stufen ist normalerweise eine sehr unschöne Sache, da ein Fehler schwer zu lokalisieren ist, denn es verschieben sich alle Arbeitspunkte aller Stufen dadurch. Bei der Endstufe diese Gerätes geht das aber dennoch ganz gut,da man die Querströme und Signalpegel bei den push-pull Stufen gut messen kann, auch aufgrund des Umstandes, dass hier im Eingang keine Differenzstufe eingesetzt wurde. Somit läuft im Fehlerfall nicht alles an den Anschlag. Als Fehler konnte ich recht schnell Q506 (2N5943) (der markierte Transistor im Schaltplan rechts unten) ausmachen, dieser hatte eine Unterbrechung bei B-E. Der Ersatz war nicht einfach, hier muss unbedingt wieder der selbe Typ eingebaut werden, sonst funktioniert die Schaltung nicht so wie vorgesehen. Diese Schaltungen wurden auf genau die verwendeten Transitortypen optimiert. Leider ist dieser Typ nicht mehr so einfach zu bekommen, solche Transistoren werden nicht mehr hergestellt, man bekommt nur noch alte Lagerbestände. Zwei Stück konnte ich bei einem amerikanischen eBay Händler ausfindig machen, sie waren zusammen mit dem Versand nicht gerade billig. Nachdem sie eingtroffen waren, wurde einer der Transistoren eingebaut und das Gerät wieder in Betrieb genommen. Man konnte sofort sehen, dass das Signal nun besser war, die Abfallzeit hatte sich sichtbar verringert. Ich wollte gerade beginnen die Endstufe erneut abzugleichen, als das Signal wieder weg war. Nun lagen -20V am Ausgang, beim Einschalten kam der Fehlercode E21.

Fehler 5:

Eine erneute Fehlersuche zeigte, dass nun der andere Transistor dieser Push-Pull-Stufe ausgefallen war, jetzt hatte Q505 (rechts oben) einen Schluß C-E. War der erste Transistor schon schwer zu beschaffen, war es bei diesem noch wesentlich schwieriger. Es gibt davon nur eine hp Nummer, sonst nichts. Erst nach längerer Suche im Internet fand ich einen Hinweis auf die Originalbezeichnung, ein 2N5160. Dies ist ein HF Transistor, der nur noch sehr schwer zu bekommen ist. Er wurde von Motorola gebaut, seine Produktion ist schon längst eingestellt. Ein britischer Versender (littlediode.com), der ein sehr umfangreiches Halbleitersortiment hat und auch viele obsolete und seltene Halbleiter in Kleinmengen an Privatkäufer anbietet, hatte ihn noch im Programm, zwei Stück + Versand kosteten stattliche 58 Euro, ein Irrsinnspreis für zwei Kleinsignaltransistoren. Nach der üblichen Lieferzeit wurde einer der kostbaren Transistoren eingebaut, Gerät einschalten, funktioniert. Die Signalqualität ist noch mal etwas besser geworden, war nun innerhalb der Spec, aber auch nur gerade mal so. Das Gerät wurde nun komplett abgeglichen, was mehrere Stunden dauerte. Unter anderem auch wegen:

Fehler 6:

Der Offsetabgleich für die Cosinus-Kurvenform war nicht vernünftig einzustellen. Obwohl das Poti am Anschlag war, reichte es nicht ganz zum Nullpunkt, auch wenn es gerade noch innerhalb der vorgegebenen Toleranz war. Das war schon so, als ich das Gerät erhalten habe, auch das Trimmpoti stand bereits am Anschlag. Im Schaltplan ist ein Widerstand in Serie zum dem Trimmpoti zu sehen, ich überlegte nun, diesen zu ändern, um den Einstellbereich zu optimieren. Dabei zeigte sich, dass dieser Widerstand einen anderen Wert hatte als im Schaltplan angegeben. Ich tauschte ihn aus gegen den Wert, der im Schaltplan angegeben ist aus, danach war der Abgleich einwandfrei durchzuführen, der Trimmer steht nun fast in der Mitte. Wurde hier bei hp ein falscher Widerstand bestückt oder war das Absicht? Keine Ahnung, in der Revisionsübersicht habe ich aber nichts darüber gefunden. Man konnte es nach dem Abgleich nun so lassen, aber so ganz zufrieden war ich noch nicht.

Fehler 7:

Das Gehäuse wurde geschlossen und ein Dauertest gestartet. Ich wollte den 8112A erst mal eine Weile im Testbetrieb laufen lassen und dann nochmal versuchen besser abzugleichen. Dieser Testbetrieb dauerte gerade mal 4 Stunden, dann war nur noch ein verzerrtes, kleines Signal zu sehen. Wieder auseinanderbauen und Fehlersuche. Diesmal war es Q502 (links unten), der sich mit einer Unterbrechung der Basis verabschiedet hatte. Ein 2N4209. Ein amerikanischer Händler bot 20 diesen Exoten für wenige Dollar an, zwei Wochen später waren sie hier. Man sah ihnen an, dass sie schon Jahrzehnte in irgend einem offenen Behälter in einem Lager herumgelegen sind, sie funktionierten aber alle 20 einwandfrei. Von den 20 Stück habe ich mir einige herausgesucht mit der größten Stromverstärkung und einen davon eingebaut. Die Signalqualität war nun ideal, nach einem erneuten Abgleich lag nun alles sehr gut in der Spec.

Hier die Flanken eines 10nS Pulses nach der Reparatur:

<Puls>

Perfekt!

Hier die Endstufe mit den markierten ausgetauschten Transistoren:

Wieder wurde der 8112A zusammengebaut und ein Testlauf gestartet. Aber nun hatte es endlich aufgehört, auch nach einer Woche Dauerbetrieb funktionierte er noch einwandfrei. Es traten keine weiteren Fehler mehr auf. Das war schon ungewöhnlich bei diesem Gerät. Zwei Fertigungsfehler von hp, der Pfusch durch die Amerikaner und die nacheinander ausgefallenen Transistoren. Warum letzteres passiert ist, weiß ich nicht. Vielleicht waren sie thermisch vorgeschädigt, weil das Gerät eventuell ohne Lüfter betrieben wurde. Die Transistoren in der Endstufe erwärmen sich alle stark im Betrieb. Das ist normal. Nur ohne Kühlung wird es zu viel. Oder es wurde noch irgend etwas mit dem Gerät angestellt, von dem ich nichts weiß. Dieses Risiko hat man immer beim Kauf von gebrauchten und defekten Messgeräten, das ist eben so und man muss es akzeptieren, es gehört einfach dazu, wenn man sich auf solche Käufe einlässt. Es macht ja auch Spaß, alle Fehler zu finden und ein Gerät wieder in seinen optimalen Zustand zu bringen.

Karl Heinz - Vielen Dank

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