Der 8165A im Detail:
<8165A oben>
Blockschaltbild zur Signalerzeugung:
<Synthesizer>
<Synthesizer>
Die PLL ist sehr aufwendig bei diesem Gerät, sie besteht aus den Funktionsblöcken A8 und A9, der von der PLL gesteuerte VCO befindet sich in Baugruppe A5. A9 (Reference Loop) enthält den 10MHz Referenzgenerator, zwei PLLs zur Erzeugung der Referenzfrequenzen für die Main-PLL und eine Mischstufe. PLL2 erzeugt eine Referenzfrequenz von 802Hz..900Hz für die Main-Loop. PLL1 erzeugt eine Referenz von 1.9kHz..10,8kHz, die auf einen Mischer gehen. Auf den Mischer geht ebenfalls die Frequenz des Main-VCO in A5, geteilt durch 1, 10, 100 oder 1000. Zudem wird dieses Signal über einen Rampengenerator und einen Sinus Shaper in eine Sinusform gebracht, um zu verhindern, dass die PLL auf eine Harmonische des Rechtecks einrastet. Vorteil dieser Schaltungstechnik mit insgesamt 3 PLLs ist, dass die Main-PLL immer nur eine möglichst geringe Differenzfrequenz erhält und somit schnell einrastet. A8 enthält die Steuerung des Main-VCO. Am Eingang der Phasendetektor der PLL, weiter ein D/A Wandler, über den die CPU den Arbeitsbereich des VCO vorgibt und der Ausgangstreiber zur Ansteuerung des VCO. Zudem kannn die PLL abgeschaltet und der VCO direkt angesteuert werden, dies ist der Fall wenn der 9165A als Sweep-generator betrieben wird oder wenn die FM Steuerung aktiv ist. Beim Betrieb mit dem Sweepgenerator gibt der Prozessor die Daten für die Frequenzen nacheinander auf den Bus, ein D/A Wandler erzeugt daraus eine Steuerspannung, die über eine Anti-log Schaltung zur Erzeugung eines logarithmischen Verlaufes der Sweepfunktion auf den VCO geht.
<Reference Loop>
<VCO Control>
<SWEEP Generator>
<LF Generator>
Die Burst Karte ist ein von der CPU programmierbarer Zähler, der nach Empfang eines Triggersignals eine programmierte Anzahl von Signalen freigibt (1..1999) und dann den Generator bis zum nächsten Triggersignal sperrt.
<Burst>
Funktionsblock A5 in der Mitte des Mainboards.
<A5>
Dieser Teil enthält den
VCO, welcher ein Dreiecksignal von 1kHz bis 50MHz erzeugt, ein
Komparator zur Rechteck und Impulserzeugung aus dem Dreieck, den
Sinus-Shaper, der das Dreieck zu einem Sinus formt, die
Signalumschaltung und eine darauf folgende differentielle Treiberstufe.
Dieser Teil des hp 8165A war mit Sicherheit sehr anspruchsvoll in der
Entwicklung. Alle Stufen sind DC gekoppelt, sie müssen von 0,001Hz
bis über 50Mhz arbeiten und temperatur und amplitudenstabil sein.
Da hier fast alles diskret aufgebaut ist, wurden eine Menge
schaltungstechnische Feinheiten eingebaut, um die Daten zu errreichen.
Auch ein VCO, der stabil von 1kHz bis 50MHz arbeitet und dabei
über den gesamten Bereich saubere Signale liefert ist alles andere
als trivial. Die Schaltungen sind sehr aufwendig und nicht immer
einfach zu verstehen.
Diese Bilder geben einen Eindruck davon, was hier an Finetuning
betrieben wurde.
Hier ein Teil des VCO:
<Detail VCO>
Hier ein Teil des differentiellen Treibers, der das Signal zu der AM-Modulatornaugruppe weitergibt. Zu sehen ist eines der hp Transistor Arrays in einem ungewöhnlichen Vollmetallgehäuse. Auch hier wurde optimiert, die Ferritperle ist in älteren Baureihen des 8165A nicht vorhanden.
<Driver>
<AM und GPIB>
Rechts von Schaltungsblock A5 sind auf einem Metallträger zwei kleinere Baugruppen montiert, links der AM Modulator, der sich im Signalweg zwischen Endstufe und A5 befindet. Rechts das GPIB Interface. Rechts davon als letzte Steckkarte ein Modul, welches zum einen die Regler und den Überstromschutz des Netzteils enthält (rechte Seite) und das Interface zur Steuerung der Endstufe und des Offsets auf der linken Seite, welches von der CPU gesteuert wird und mit den erzeugten Steuerspannungen den VCA in der Endstufe einstellt.
<Power & Control>
<Detail VCO>
Hier ein Teil des differentiellen Treibers, der das Signal zu der AM-Modulatornaugruppe weitergibt. Zu sehen ist eines der hp Transistor Arrays in einem ungewöhnlichen Vollmetallgehäuse. Auch hier wurde optimiert, die Ferritperle ist in älteren Baureihen des 8165A nicht vorhanden.
<Driver>
<AM und GPIB>
Rechts von Schaltungsblock A5 sind auf einem Metallträger zwei kleinere Baugruppen montiert, links der AM Modulator, der sich im Signalweg zwischen Endstufe und A5 befindet. Rechts das GPIB Interface. Rechts davon als letzte Steckkarte ein Modul, welches zum einen die Regler und den Überstromschutz des Netzteils enthält (rechte Seite) und das Interface zur Steuerung der Endstufe und des Offsets auf der linken Seite, welches von der CPU gesteuert wird und mit den erzeugten Steuerspannungen den VCA in der Endstufe einstellt.
<Power & Control>
<Power>
Der Netztrafo:
<Trafo>
Rechts vorne befindet sich die Endstufe. Diese hat hat ein recht ungewöhnliches Schaltungskonzept, sie arbeitet als gesteuerte Stromquelle und nicht als Spannungsquelle. Der Strom wird dann entweder auf einen 50Ohm oder einen 1kOhm Abschlußwiderstand gegeben. Im ersten Fall erhält man den üblichen 50Ohm Spannungsausgang, im 1kOhm Mode arbeitet der Ausgang als hochohmige Stromquelle. Das Modul an der Seitenwand erzeugt die Offsetspannung des Ausgangssignals. Der Offset wird hier nicht über die Endstufe erzeugt sondern über diese Gleichstromendstufe.
<Endstufe>
Im Bild oben der VCA Chip.Die Pegeleinstellung erfolgt einmal über umschaltbare Abschwächer am Endstufenausgang in groben Schritten, die Feineinstellung erfolgt über den VCA.
<VCA>
Hier der Relaisgesteuerte Pegelabschwächer der Endstufe im Detail. Mittels Transistoren werden pegelabhängig verschiedene Kompensationsnetzwerke zugeschaltet.
<Detail Endstufe>
Hinter der Frontplatte befindet
sich die Prozessorkarte.
Rechts die CPU, RAMs und ROMs, der Rest ist die Bussteuerung,
Tastaturscanner und Anzeigesteuerung. Auch die Speicherakkus und die
Ladeschaltung dafür befindet sich auf diesem Board.
<CPU1>
Hier kommen kommen historische Chips zum Vorschein wie eine 6800 CPU, zusammen mit einem MC6821 PIA Chip. Rechts oben die ROMs mit der Systemsoftware. Das sind maskenprogrammierte Chips, die zudem eingelötet sind. Nichts also mit Firmwareupdate. Bleibt zu hoffen, dass sie nicht ausfallen, sonst wird es sehr schwierig mit Ersatz. In der Mitte die RAMs für den Arbeitsspeicher und den gepufferten Setupspeicher. Insgesamt gigantische 3 kB Speicher.
<CPU2>
<CPU1>
Hier kommen kommen historische Chips zum Vorschein wie eine 6800 CPU, zusammen mit einem MC6821 PIA Chip. Rechts oben die ROMs mit der Systemsoftware. Das sind maskenprogrammierte Chips, die zudem eingelötet sind. Nichts also mit Firmwareupdate. Bleibt zu hoffen, dass sie nicht ausfallen, sonst wird es sehr schwierig mit Ersatz. In der Mitte die RAMs für den Arbeitsspeicher und den gepufferten Setupspeicher. Insgesamt gigantische 3 kB Speicher.
<CPU2>
Er kam in einem optisch erfreulich guten Zustand an, nur die Gerätefüße fehlten wieder einmal, 4 Stück aus meinem Vorrat beseitigten den Mangel. Innen war das Gerät allerdings erheblich verschmutzt, die komplette rechte Seite lag unter einer dicken, schwarzen Staubschicht, die von dem Lüfter in das Gerät geblasen wurde. Es hatte also bereits viele Betriebsstunden hinter sich. Am Gehäuse befanden sich noch die Haltewinkel für ein Rack, es war also in einem Rack eingebaut und lief vermutlich in einem Teststand oder wo auch immer jahrelang rund um die Uhr, wurde irgendwann ausgemustert und von jemanden mitgenommen, der damit nichts anfangen konnte und ihn dann bei eBay angeboten hat.
Das Gerät wurde zunächst mal gründlich gereinig und visuell überprüft, dann ein erstes Einschalten. Die LEDs zeigten irgend einen zufälligen, sinnlosen Blödsinn an, die ERROR Anzeige des Display blinkte, so wie in der Beschreibung vorhergesagt. Normalerweise ist so etwas gar nicht gut, es bedeutet, dass der Prozessor abgestürzt ist. Bei alten Geräten kann so etwas eine lange und mitunter frustrierende Fehlersuch nach sich ziehen und dann abrupt enden, wenn ein defekter Chip nicht mehr erhältlich ist. So hätte ich auch gedacht, wenn ich nicht vor einiger Zeit bei dem selben Generatortyp, der bei meinem Arbeitgeber immer noch an einen Baugruppentestplatz steht und tadellos funktioniert, diesen Fehler selbst erzeugt hätte, als ich den Speicherakku dieses Generators getauscht habe.
Der 8165A hat eine Eigenschaft, die, wenn man sie kennt, diesem Fehler sofort jeden Schrecken nimmt, er ist nämlich absolut harmlos und einfach zu beseitigen. Der Generator hat auf seiner CPU Karte zwei Pufferakkus zum Speichern der 9 Gerätesetups und der letzten Einstellung. Wurde die Versorgung der RAM Chips unterbrochen, weil die Akkus defekt oder entladen waren oder ersetzt werden mussten, dann tritt genau dieser Fehler auf. Normalerweise nehmen Geräte in so einem Fall eine Grundeinstellung ein und funktionieren ansonsten wieder problemlos. Nicht der 8165A! In den RAMs stehen bei Aufall der Backupspannung irgendwelche Zufallsmuster, die nicht beim Start auf einen definierten Wert gesetzt werden. Der Prozessor verarbeitet die sinnlosen Daten, was zu Fehlern bzw. zum Absturz führt. Auch das Display zeigt nur wirre Zufallsmuster. Ich weiß nicht, warum das von hp so gemacht wurde, vielleich waren die damaligen Programmspeicher zu klein und es gab keinen Platz mehr für ein default-setup. Oder man hat dies schlichtweg nicht bedacht.
Die Akkus waren vollständig tot und hatten ihr Elektrolyt bereits auf der Leiterplatte verteilt. Ich habe sie ersetzt, dabei habe ich die Leiterplatte so weit es möglich war von Resten des ausgelaufenen Elektrolyts gesäubert. Das ist eine absolute Drecksarbeit und 100% vollständig bekommt man das Zeug nicht mehr weg, wenn es sich mal irgendwo reingefressen hat. Man kann es nur immer und immer wieder sagen: Leute, schaut ab und zu in diese alten Geräte und überprüft die Akkus und gegebenenfalls Batterien! Aber das macht einfach fast niemand, ich weiß wirklich nicht warum. Die Schäden durch ausgelaufenes Elektrolyt sind mitunter immens. Mit neuen Akkus ausgestattet wurde das Gerät wieder gestartet, nach wie vor zeigte es nur Blödsinn an.
Der Verkäufer gab an, dass das Gerät zudem nicht auf Tastendrücke reagiere. Stimmt nicht, er konnte es nur nicht bedienen. Die Bedienlogik dieses Gerätes ist etwas gewöhnungsbedürftig, aber eigentlich sehr logisch. Es geht immer von links nach rechts: Parameter auswählen, numerischen Wert mit den Zifferntasten eingeben, Eingabe mit der gewünschen Größenordnung abschließen, fertig. Mit planlosem Herumtapsen auf den numerischen Tasten erreicht man allerdings keine Reaktion. So, nun muss man alle Einstellungen des Gerätes mit einem sinnvollen Wert belegen. Mit alle meine ich wirklich ALLE, auch die versteckten. Diese Grundeinstellung speichert man zudem auch auf allen Presets ab. Jetzt sind die Displayanzeigen wieder sinnvoll und die Erroanzeige verschwindet, der Prozessor funktionierte wieder einwandfrei. War doch ganz einfach, oder?
Der nächste gerätetypische Schwachpunkt nach rund 30 Jahren Betriebsdauer ist das Tastenfeld und das Display, hier waren auch Wartungsarbeiten notwendig. Die Einheitenanzeige für Volt und kHz funktionierten nicht, die Tasten waren schwergängig, die mittleren Tasten prellten sehr stark. Es war notwendig die Fronteinheit zu zerlegen und das Tasten/Displayboard auszubauen. Die Tasten wurden mit Kontakt WL gereinigt, danach waren sie wieder leichtgängig. Leider lässt sich gegen das Tastenprellen bei den Eingabetasten in der Mitte nicht viel ausrichten, man kann man nur versuchen das Problem mit Kontaktreiniger von außen zu mildern, ganz bekommt man das Prellen nicht weg.
Bei den Tasten handelt es sich nicht um Leitgummi-Tasten, es sind Metallkontakte (sog. Knackfrösche) welche die Leiterplatten kontaktieren. Der Kunststoffrahmen, in dem sich die Kontakte befinden, ist mit der Leiterplatte verschweißt. Um an die Kontakte dieser Tasten zu kommen, um sie zu reinigen, müsste man den Kunststoffrahmen, unter dem sie sich befinden, zerstören. Da es dieses Ersatzteil nicht mehr gibt, sollte man das besser unterlassen. Alle 8165A, die ich kenne, haben das Prellproblem mehr oder weniger stark ausgeprägt.
Die Anzeigen für die Einheiten werden nicht von LEDs beleuchtet, sondern von Miniaturglühlampen, die sich in der Mitte eines Reflektors befinden. Die meisten waren nach so langer Betriebszeit defekt. Es sind Lampen für 5V mit 60mA Stromaufnahme. So etwas habe ich nirgends in der dieser Bauform gefunden. Bei Reichelt gibt es welche mit 5V 40mA in passender Bauform (Typ L3219), mit denen geht es problemlos, deren Helligkeit reicht trotz 40mA statt 60mA völlig aus. Ich habe alle Lampen ersetzt. Nach dem Zusammenbau funktionierten die Anzeigen alle wieder. Die Tasten (bis auf das Prellen) ebenfalls, dafür war jetzt aber die gelbe Statusanzeige der "Burst" Taste nicht mehr vorhanden. Also Fronteinheit wieder ausbauen und nachmessen, die LED in der Burst-Taste hatte eine Unterbrechung und musste ersetzt werden, dann war auch dieses Problem beseitigt.
Nun wurden als nächstes alle Grundfunktionen des Gerätes überprüft. Sinus und Dreiecksignale waren in Ordnung, die Pegeleinstellunenn, Sweep-Funktion usw. ebenfalls. Allerdings gab es ein paar Pegel und Offsetsprünge an einigen Stelle. Das konnte durch Abgleichen beseitigt werden. Ein Komplettabgleich des Gerätes steht allerdings noch an, dazu später mehr.
Was nicht in Ordnung war, war das Rechtecksignal. Die Anstiegszeit war deutlich länger als die Abfallzeit, zudem war der positive Signalanteil kleiner als der negative. Bei höheren Frequenzen war das ganz besonders ausgeprägt. Ab ca. 30nS Periodendauer fällt der Pegel auf der positiven Seite stark ab, bei maximaler Frequenz war er nicht mehr vorhanden.
<Fehler1>
<Fehler2>
Beim Rechteck durchläuft das Dreiecksignal einen diskret aufgebauten Komparator, dann geht es über einen Levelshifter ebenfalls zu der Schaltstufe und dem differentiellen Treiber. Das Gerät kann auf "invert" geschaltet werden, damit wird das Signal invertiert. Mittels Relais wird dabei die beiden differentiellen Eingänge nach Durchlaufen der VCA-StufeAusgange getauscht. Sobald man "invert" betätigte, war das Problem im negativen statt im positiven Signalteil zu sehen. Damit schied die Endstufe als Fehlerquelle aus. Verfolgte man das Signal weiter zurück, dann zeigte sich, dass der Fehler auch am differentiellen Ausgang von Block 5 schon vorhanden war, der Fehler war somit nur noch im Bereich des Komparators und des Levelshifters in Block 5 zu suchen. Hier der Levelshifter im Detail:
<puls_out>
Über R207 kommt das Signal des Komparators, der aus dem Dreieck des HF VCOs ein Rechteck erzeugt. Über U202 PIN 3,5,7 wird ein niederfrequentes Signal aus dem digital arbeitenden LF Generator zugeführt, mit select_HF wird zwischen den beiden Signalen umgeschaltet. Die Signale gehen auf das ECL Gatter PIN 9,12,13,15. Dies hat einen invertierenden und nicht-invertierenden Ausgang. Diese Ausgänge gehen auf die beiden Levelshifterstufen, welche um die Transistoren Q203/Q204 aufgebaut sind. Q204 treibt dabei den Sync Ausgang an der Frontseite des 8165A. Q203 erzeugt das Signal, welches auf die Schaltstufe und dann zur Endstufe geht. Abwechselnd sind also entweder sync_out oder das interne Rechtecksignal aktiv. An TP6 und damit am Eingang Pin 5 des ECL Gatters war das Sinal noch in Ordnung, damit schied auch der Komparator als Fehlerquelle aus. Nun habe ich mir als nächstes mal das Sync von der Frontbuchse Signal angeschaut. Das sah dann so aus:
<Fehler3>
Das war ebenfalls fehlerhaft, das Signal ging nicht auf Null zurück, der Levelshifter arbeitete nicht richtig. Dabei fiel mir noch etwas auf, das ich anfangs gar nicht beachtet hatte:
<Kappe>
Der Sync Ausgang war mit einer Kappe verschlossen. Ich dachte erst, der sei nur zum Schutz der BNC Buchse da gewesen. Nö, den hat der Vorbesitzer da drauf gemacht, weil der Ausgang defekt war. Manchmal sieht man ja den sprichwörtlichen Wald vor lauter Bäumen nicht. Das hier war mir beim Reinigen des Gerätes nicht aufgefallen, erst als ich den Levelshifter näher untersuchte, sah ich es:
<Überspannungsschaden>
Der verbrannte Widerstand war R221, hier wurde eine hohe Spannung an den Sync Ausgang angelegt. Der Widerstand hatte seinen Wert von 51 auf 42 Ohm verringert. Sein Austausch änderte erwartungsgemäß nichts an den Fehler. Die ECL Level und die Signalform an den Ausgängen von PIN 9 und 15 des ECL Gatters stimmten nicht. Ich habe nun die beiden Transistoren Q201 und Q202, die Zenerdioden VR201 und VR202 sowie die beiden Schottky Dioden CR201 und CR202 überprüft. Diese hatten aber alle überlebt. Defekt war der ECL Chip. ECL Chips sind sehr empfindliche Bauelemente, die Überspannung gelangte über die C-B Strecke von Q 204 und über VR202 an den Ausgang Pin 15 von U202 und beschädigte diesen. Er funktionierte zwar noch, aber nicht mehr richtig. ECL Chips waren bis in die 90er Jahre weit verbreitet in schnellen Digitalschaltungen, besonders in den 70er und 80er Jahren waren sie den damaligen TTL Chips im Punkt Geschwindigkeit weit überlegen. Allerdings war ihre Handhabung nicht einfach, sie hatten ungewöhnlich Pegel, die nicht zu anderen Logikfamilien passten und sie benötigten viel Strom. Inzwischen sind sie längst abgelöst durch andere Technologien, diese Chips werden schon lange nicht mehr hergestellt. Deswegen sind sie inzwischen auch gar nicht mehr so einfach zu bekommen. Hier der ersetzte Chip, den ich mit einer Fassung versehen habe, falls wieder mal eine Verwechslung passiert....
<ECL>
Die Rechtecksignale sehen nun wieder vernünftig aus:
<Rechteck nach Reparatur>
Auch bei 50Mhz ist die Qualität noch gut:
<Rechteck 50MHz>
<Rechteck 50MHz>
Nun noch ein paar Messungen am 8165A, alles bezogen auf den Zustand wie ich ihn bekommen habe, ein Neuabgleich kann da noch einiges ändern. Hier der Klirr im Audiobereich von 20Hz bis 50Khz (bei 1Vss, K2 und K3)
<Klirr NF>
Besonders unterhalb von 1kHz ist noch Raum für Optimierung. Für Klirrmessungen ist der 8165A nicht zu gebrauchen, wie eigentlich jeder Funktionsgenerator. Dafür wurde er auch nicht konzipiert. Oberwellenspektum im HF Bereich, 50 MHz Sinus, 1Vss, K2 und K3, Abstand zur Grundwelle in dB: K2: 39dB K3: 34dB
<Spektrum HF>
Einiges lässt sich hier, wie schon angemerkt, mit Sicherheit noch durch einen kompletten Neuabgleich verbessern. Ich habe bis jetzt nur ein paar einzelne Punke des Abgleiches korrigiert, sobald die verregneten Herbst und Winterwochenden kommen, wird dies gemacht. Der Gesamtabgleich des Gerätes ist sehr aufwendig. Ein unverwüstliches Gerät, das bei mir oft in Betrieb ist. Es hat nun 30 Jahre gut überstanden und wird wohl noch viele weitere Jahre funktionieren. Nur die Fehlbehandlung und die ausgelaufenen Akkus haben es beeinträchtigt und letzteres leider bleibende Spuren auf der CPU Karte hinterlassen.
Karl-Heinz das war gut!
