Prema 5000 Digital Multimeter

"Die Firma Prema war ursprünglich ein Hersteller von Geräten der Messtechnik. Anfang der 80er Jahre kam das hochwertige 6 1/2-stellige Digitalmultimeter 5000 DMM auf den Markt. Es hatte einige Nachfolger, die alle sehr hochwertig waren. Entwickelt und gebaut wurden die Geräte bei Prema in Mainz. Die Firma hatte damals noch ein zweites Standbein, sie stellte ab Anfang der 80er auch ICs her, analoge und digitale ASICS. Für ihre Messgeräte entwickelten sie ein eigenes Wandlerverfahren, welches hier in einem Auszug aus dem Handbuch beschrieben ist. Die Firma existiert noch, allerdings ist sie nur noch ein reiner Chip Hersteller. Hergestellt werden analoge und digitale ASICS . ICs im Automotive Bereich und Custom-Chips für Geräte der Unterhaltungselektronik. Lichttechnik usw. (Diese Informationen über Prema habe ich im Netz zusammengetragen, ich habe nichts mit der Firma zu tun.)

Das hier gezeigte Gerät ist eines aus der ersten Serie, gebaut 1984, es gab Nachfolger mit höheren Seriennummern, welche die selbe Bezeichnung hatten und die äußerlich fast gleich aussahen (bis auf die Messbuchsen und teilweise die Gehäusefarbe), das Innenleben unterscheidet sich aber zum Teil deutlich. Die einzigen Schaltpläne, die ich habe, sind leider für die neuere Version und zudem sehr schlecht zu lesen (schlechte FAX Kopie) Es ist aber zu erkennen, dass sich sowohl der Digitalteil als auch der Analogteil unterscheidet, statt der 4 Rams + Speicherbatterie wurde z.B. ein NV Ram eingesetzt, die CPU ist eine andere (die CMOS Version des 6502 ) und auch der Chipsatz für die GPIB Schnittstelle scheint ein anderer zu sein. Der Analogteil unterscheidet sich hauptsächlich beim A/D Wandler, statt dreier diskreter quad-analog-switches und Komparator_OPs im A/D - Wandler Bereich (Offensichtlich alle selektiert, wie an den gelben Farbpunkten zu erkennen) wie in meiner Version, gibt es in der neueren Version eine im Schaltplan nicht näher bezeichnete Black-box, in welcher die entsprechenden Signale verschwinden. Ich vermute, daß hier ein Hybrid eingesetzt wurde, auf der Kopie ist das sehr schlecht zu erkennen. Der Hybrid hat natürlich erheblich Vorteile im Service, vermutlich muss bei meiner Version immer der gesamte selektierte Chipsatz im Servicefall getauscht werden.

Das Prema 5000 war (und wird immer noch ) oft in Laboren, Instituten und automatischen Testständen aller Art eingesetzt. Zwei Eigenschaften machten es dafür ideal geeignet. Neben der GPIB Schnittstelle besitzt es eine sog. Scanner-Funktion. Das ist nichts anderes als ein Softwaregesteuerter Multiplexer. Damit können bis zu 10 Signaleingänge ausgewählt werden, welche auf der Geräterückseite über eine Buchse zugeführt werden. Mein Gerät ist mit dieser Option ausgestattet. Gebrauchen kann ich das zwar nicht, aber es ist ein schönes Geräusch, wenn die Relais beim Einschalten in der Initialisierungsphase alle "durchklappern"...

Das Gerät habe ich von einer Firma, bei der ich vor ca. 10 Jahren gearbeitet habe. Dort lag es im Schrottcontainer (Es wurde gerade aufgeräumt und aller mögliche Krempel entsorgt, der sich im Lauf der Zeit angesammelt hat). Solche Container mit Elektronikschrott haben auf mich eine magische Anziehungskraft, auch heute noch im gereiften Alter...Auf die Frage an einen Mitarbeiter, der dort schon lange beschäftigt war warum das im Schrott liegt, kam die Antwort: "Zeigt nur Schrott an, deswegen Schrott" Über die Vorgeschichte des Multimeters war nichts zu erfahren, keiner wusste mehr, wie und wann es in die Firma kam und was damit passiert war. Niemand (inklusive Chef) hatte etwas dagegen, das ich es mitnahm. So gelangte es also ganz offiziell in meinen Besitz.
Ein kurzer Test bestätigte, daß das Gerät nicht brauchbar war. Es lief zwar an, die Selbsttests liefen ohne Fehleranzeige durch, aber alle Messwerte in allen Bereichen wurden zu niedrig angezeigt. Immer in der selben Größenordnung wie z.B. 3.85V statt 5V. Zudem stimmte der Nullpunktabgleich in keinem Bereich auch nur annähernd. Mal kurz reingeschaut, hm, sieht sehr unspektakulär aus, so gar nicht nach high end. Aber es ist ja 6 1/2 stellig, also doch mal genauer untersuchen, wegschmeißen kann man es immer noch, zumal es auch (auf den ersten Blick, mehr siehe später) vollständig war, unverbastelt und Spuren einer groben Fehlbehandlung (verbrannte Messwiderstände etc) waren auch nicht erkennbar. Aber ohne Unterlagen hatte ich dennoch keine Chance, da irgend etwas zu machen. Also lag es erstmal längere Zeit unbeachtet bei mir rum.

Das änderte sich, als ich endlich an ein Manual des Gerätes kam. Zwar, wie oben beschrieben, nicht genau das richtige, aber besser als nix.
Nun wurde mir klar, warum das Teil so relativ unspektakulär aussah. Das durchdachte Wandlerprinzip benötigt keinen extremen Schaltungsaufwand, zudem sind viele Schaltungsteile in insgesamt 4 ASICS untergebracht. Kein Wunder, Prema stellt ja genau solche Chips her. Ausgestattet ist das Gerät zudem mit einer 6502 CPU und 4 kB Ram, damit hatte es immerhin die Rechenleistung vieler 80er-Jahre Homecomputer.

Hier das Gerät mit abgenommenem Deckel: <Bild 2 Prema 5000DMM nach Abnahme des Gehäusedeckels.>	Hier mal ein näherer Blick auf die Elektronik bei Abgenommener Scannerplatine: <Bild 3 Innenleben nach abgenommener Scanner-Platine>
(massiver Alu Druckguss, wie das gesamte Gehäuse, da kann wahrscheinlich ein PKW drüber fahren, ohne das was kaputt geht). Der Deckel kann nach Lösen einer einzigen Schraube abgenommen werden, dann bietet sich dieser Anblick. Die Leiterplatte oben ist der Scanner, links oben die Eingangsbuchse für die Signale zum Scanner.	Deutlich zu erkennen der recht unspektakuläre Aufbau, der bei oberflächlicher Betrachtung eher an ein 08/15 Standardgerät erinnert. Analog und Digitalteil sind strikt räumlich getrennt, auch potentialmäßig mittels Optokopplern.

Eingangsteiler und AD Wandler:

Man werfe mal einen Blick auf den Aufdruck des EEPROMs:

Alle Kalibrierdaten sind laut Manual in einem NV-RAM hinterlegt. Zudem sind die ursprünglichen Werks-Kalibrierdaten sicherheitshalber noch im EPROM der Firmware hinterlegt, falls die Daten durch Fehlbedienung oder ähnliches verloren gehen. Durch einen versteckten Schalter an der Rückseite kommt man in den Kalibriermodus. Da das Gerät eh defekt war, beschloss ich, damit zu experimentieren, um das Problem einzukreisen. Also in den Kalibriermodus und den Nullpunktabgleich durchgeführt (läuft weitgehend automatisch ab). Das hatte zu meiner Überraschung ohne Probleme geklappt, das Gerät hatte danach wieder stabile Nullpunkte. behelfsmäßig nun mittels Netzgerät den Gleichspannungsbereich in einigen Messbereichen kalibriert und siehe da: Die angezeigten Messwerte waren nun sinnvoll. Das Gerät hatte also anscheinend nur seine Kalibrierung verloren und war nicht wirklich defekt. Nach aus und wieder Anschalten war die behelfsmäßige Kalibrierung wieder weg, damit war alles klar, es konnte nur die Speicherbatterie leer sein. Hätte man auch gleich drauf kommen können, werden jetzt völlig zurecht einige einwenden. Stimmt, hätte man, wenn man gewusst hätte, dass es so etwas überhaupt gibt. Laut Beschreibung hätte eigentlich ein RAM Modul mit interner Batterie eingebaut sein sollen, hier sind es aber 4 einzelne CMOS S-RAMS. Von einer Batterie war nichts zu sehen. Dafür aber ein verdächtig leerer Platz auf der Platine im Netzteilbereich und dort zwei Lötpads, an denen eindeutig herumgelötet wurde. Irgend jemand hatte die Batterie ausgebaut und keine neue eingesetzt oder die neue wieder ausgebaut, weil das Gerät damit nicht funktionierte nach dem Tausch.
Nur, was war da ursprünglich eingebaut, eine Lithium Zelle oder ein NiCd Akku ? Eine Messung im Betrieb zeigte, dass hier keine Spannung anlag, somit war da nichts eingebaut, was geladen werden musste. Nach Anlegen von 3.5V an die freien Lötpads im ausgeschalteten Zustand war an einem der SRAMs die Betriebsspannung vorhanden. Damit war alles klar. Eine passende Lithium-Batterie war schnell besorgt. Nach deren Einbau blieben nun auch die behelfsmäßige Kalibrierungen erhalten. Das Gerät funktioniert dem ersten Anschein nach einwandfrei, es hatte tatsächlich nur keine Kalibrierdaten mehr.
Kein Problem, zumindest die ursprünglichen Kalibrierdaten sind ja noch im EPROM. Das ist zwar keine exakte Einstellung mehr, weil sie die Alterung nicht berücksichtigen. Aber erst mal besser als nichts und für meine Zwecke ausreichend. Also vorgegangen wie im Manual beschrieben: Gerät im Kalibriermode lassen, aus und wieder Einschalten und.....wieder wird nur Mist angezeigt. Die Kalibrierdaten werden nicht, wie im Manual beschrieben, vom EPROM übernommen. Aber warum? Ich bin exakt doch so vorgegangen wie im Manual beschrieben. Die Daten standen ganz offensichtlich im Widerspruch zum Manual nicht im EPROM. Warum, wurde mir auch klar, als ich das vorliegende Manual ganz durchsah. In der mir vorliegenden Kopie des Handbuches war noch die Kopie eines Faxes, in der darauf hingewiesen wurde, dass nach dem erfolgten Firmwareupdate die Kalibrierdaten nur noch im NV Ram stehen und die individuellen Daten im EPROM nicht mehr vorhanden sind. Firmwareupdate? Na klar, jetzt weiß ich, was mir da schon immer unbewusst aufgefallen ist.

Dort steht etwas von 230V Netzspannung. Das Gerät wurde aber ca. 1983 gebaut, da gab es noch 220 Volt Netzspannung. Hier wurde definitiv ein Update gemacht, damit sind die Ur-Kalibrierdaten futsch. Mit meinen privaten Mitteln habe ich nicht die Möglichkeit das Gerät so zu kalibrieren, dass es seine Spezifikationen in allen Messbereichen auch nur annähernd erfüllt. DC Spannung ging zwar ganz gut mittels Vergleichsmessung mit einem anderen Gerät, aber wer schon mal versucht hat, mit einem gewöhnlichen Funktionsgenerator stabile Wechselspannungen und Wechselströme zu erzeugen, die während einer Vergleichskalibrierung nicht weglaufen, der weiß, daß dies unmöglich ist. Mehr als eine behelfsmäßig hingepfuschte "Kalibrierung" war so nicht machbar. Tja, so wanderte das Gerät erst mal wieder zurück ins Regal mit den ungelösten Fällen.

Manchmal hilft einem aber der Zufall weiter, hier in Form der 2 Jährigen Überprüfung der Messmittel meines Arbeitgebers...
Das traf sich gut, als der freundliche Mitarbeiter des Kalibrierdienstes ein paar Tage später mit seiner sehr guten und sehr teuren Ausrüstung vor Ort war. Mal schnell in ein freundliches Fachsimpel-Gespräch verwickelt und so ganz zufällig des Prema 5000 DMM auf den Tisch gestellt + dem Vorschlag, doch nach Feierabend ein Bierchen auf meine Kosten zu trinken...
Somit ist das Gerät wieder kalibriert und erfüllt auch seine Specs sehr gut, von zwei Ausnahmen abgesehen. Im 200V Wechselspannungs-Bereich liegt es etwas außerhalb der Toleranz bei 10 kHz , bei 400Hz und 1 kHz stimmt alles. Hier stimmt anscheinend die Kompensation nicht exakt. Da dieser Abgleich aber nicht im Manual beschrieben ist, lasse ich die Finger von den Trimmern, hier ist nämlich die Chance groß, durch planloses Herumschrauben alles noch schlimmer zu machen. Auch der 20 MOhm Bereich liegt etwas außerhalb, warum ist nicht nachvollziehbar. Vielleicht hilft es, diesen Messbereich noch mal zu kalibrieren und einen anderen Referenzwert zu nehmen. Bei entsprechender Gelegenheit werde ich das versuchen, derzeit lasse ich es aber auch hier erstmal so, wie es ist.

Hier noch die Scannerplatine

Hier noch ein paar Bilder des Gerätes.

(Bilder 7..9)

Aus dem Manual war zu entnehmen, dass das Gerät vollkommen per Software kalibriert wird, dazu muss nicht mal der Deckel geöffnet werden. Im Gerät gibt es nur ein einziges Poti, das ist zum Offset-Abgleich des true RMS Converters Dieser ist sehr konventionell mit einem Standard Chip von Analog Device aufgebaut. Ansonsten sind nur noch 4 Trimmer zur Frequenzkompensation des Eingansspannungsteilers vorhanden.

Hier der analoge Teil des Gerätes, Meßverstärker und A/D Wandler.
Links oben sind zwei Prema Chips zu sehen, welche die Relais ansteuern und die Ablaufsteuerung des A/D Wandlers ausführen. Sie kommunizieren offensichtlich über ein serielles Protokoll mit dem Prozessor. Unten etwas links der Mitte in der Nähe des Trimmers der beheizte und thermisch isoliert Chip für die Referenzspannung,

Hier fällt der Layout -Stil auf, alles handgemacht mit runder Leiterbahnführung und vielen schönen Schirmschleifen.

Inzwischen ist das Prema in mein kleines Labor zu Hause integriert und erfüllt seine Aufgaben vorbildlich. Präzise, stabil und zuverlässig, trotz seines Alters von nun 25 Jahren. Solche Geräte funktionieren bei guter Behandlung viele Jahrzehnte ohne Probleme. Ein schauerlicher Gedanke, dass dieses schöne Stück Technik fast vernichtet worden wäre."