Voltmetr M1T330 a jeho oprava

Voltmetr M1T330 je českým výrobkem firmy Metra Blansko někdy z roku 1982. Pro převod používá převodník s dvojí integrací a rozlišením 16 bitů (signed int16).
Hlavní rozsah je -3 až +3 V a od něj jsou odvozeny další rozsahy (300 mV, 30 V a 300 V). Převodník používá jako referenci vzájemně spojené zenerovy diody tak, aby se vlastním teplotním zahříváním automaticky kompenzovaly.
Více detailů jak celý voltmetr funguje (včetně schémat) je na [1].

M1T330 v provozu - měřena reference 10.15171 V

Na voltmetru se mi nejvíce líbí jeho automatická kalibrace při provozu (kalibrace nuly a zlomku vnitřní reference na vstup) a také to, že integraci provádí během půlperiody síťového kmitočtu, tedy 10 ms (zjišťuje si průchod nulou).
Eliminuje se tak rušení ze sítě.

Na obrázku výše je měřena reference, která podle HP34401A (HP patentovaná vícenásobná integrace III) má hodnotu 10.15171 V.
Neuvádím zde chyby měření, protože si je již z hlavy nepamatuji, ale co jsem je počítal, tak M1T330 sedí přesně jako čerstvě kalibrovaný z výroby (kalibrační konstanty jsou v jedné ze tří EPROM). Je to právě precizní návrh analogové části, že i po 31 letech funguje přesně jako tehdy.
Na domácí a laboratorní měření (kalibrace multimetrů, AD převodníků v MCU) to plně dostačuje. Pro přesnější voltmetr zatím nemám potřebu.

Digitální část po opravě - osazena ruskými K573

Bohužel, i přesto že analogová část je precizně navržena, o digitální se tolik říci nedá. Tedy dá - dobře navržena, ale poskládána ze špatných komponent - Tesla pamětí EPROM. Voltmetr obsahuje celkem 3 EPROM 2708 (organizace 1024x8 bitů). První série voltmetrů byla osazena ještě třemi TMS2708 od Texas Instruments a to bylo OK - paměti časem nezapomínaly. Pak ovšem další série voltmetrů byly osazeny z části i MHB8708 a ještě hůře - MHB8608. Obě jsou klony 2708 s tím, že 8608 nemají okýnko na vymazání a ještě rychleji začnou ztrácet data. Naštěstí data jsou v 1. a 3. EPROM identické (pro každý voltmetr), liší se pouze 2. paměť (prostřední), protože obsahuje kalibrační konstanty pro daný typ analogové části. Nad tím se asi zamysleli i konstruktéři, protože jsem nenatrefil na voltmetr (celkem 7 dosud opravených kusů), kde by "kalibrační paměť" byla Tesla. Vždy to byly kvalitní TMS.

Nahoře ruské ekvivalenty - K573

Na voltmetru se to projeví tak, že se po zapnutí nic nestane (neběží program) a nebo voltmetr během provozu zamrzne a nebo se vypne (při zahřívání pamětí dochází ke zvětšení vodivosti okolo plovoucího gate a energie z hradla se přesouvá do substrátu pod ním - čtou se neplatná data. Navíc je to skoro všechno TTL, takže ztrátové teplo je obrovské).
Jediná možnost je Tesla paměti znovu přeprogramovat a nebo vyměnit za kvalitnější TMS.
Jelikož nebylo dostatek MHB8708, tak byla vyzkoušena ruská náhrada K573. Někde na internetu jsem četl, že také moc data nedržely, ale tak to ukáže jenom čas. Pro jistotu jsem si všechna data z pamětí zazálohoval (pro další přeprogramování).

Postavený programátor 2708 na kontaktním poli

Další problém nastal, že nebylo čím přečíst a hlavně naprogramovat paměti, neboť většina EPROM programátorů typ 2708 nepodporuje, ale od 2716 už ano. Neváhal jsem tedy, a postavil si s ATmega32 a nějakými DC/DC měniči s MC34063 programátor s rozhraním přes terminál.

Terminálové ovládání programátoru

Data pro čtení/zápis jsou ve formátu CSV. Pro větší přenositelnost dat jsem napsal v C jednoduchý program na převod do BIN. Data 6-ti opravených voltmetrů (i s popisem) jsou dostupné z [2].

Další problém může nastat při autotestu voltmetru - při jeho zapnutí. Nejčastěji hodí chybu (červená kontrolka TEST a tečky na displeji) když jsou špatné propojovací vodiče mezi digitální a analogovou částí.
Konstruktéři použili poněkud nekvalitní konektory pro samořezné kabely, kterým se samořezné vidličky časem roztáhnou a vodiče tak nemají kontakt.
Řešením je vzít páječku, rozdělat konektor a vodiče napájet přímo na vidličky. Dá to sice trochu práce, ale z vlastní zkušenosti vím, že jeden kabel je do 15 minut hotov. Ironicky nejvíce času zabere rozdělání konektoru, nežli samotné pájení.

Voltmetr po opravě běží - vstup plave, proto "něco" měří

Pak jsem se setkal (u jediného kusu) se zvláštní záhadou. Voltmetr neprošel autotestem, přitom kabely a digitální část byla OK (testováno na jinším kusu).
Obával jsem se nejhoršího - zničená vstupní analogová část. To bych dohromady už nikdy nedal (kvůli kalibraci).
Ovšem po prostudování schématu vstupní části jsem došel k závěru, že snad ani zničit nejde a jediné co se může poškodit přepětím, je "autokalibrační přepínač" na vstupu.
Při zapnutí (a provozu) se děje to, že vnitřní relé odpojí vstupní svorky, a místo toho na vstup připojí přepínač MH2009A (I3 ve schématu).
Tento přepínač (s tranzistory se zabudovaným P kanálem) poté připojí vstupní část voltmetru buď na zem (kalibrace nuly) a nebo na zlomek napěťové reference (asi -3 V). Po kalibraci se přepínače vypnou a relé se opět přepne na vstupní měřicí svorky.

Relé se má vždy přepnout (do měřicího módu, v autokalibračním je od zapnutí sepnuto) po vizuálním testu LED zobrazovačů - nestalo se tak.
Začal jsem tedy podezřívat MH2009A, jestli není spálený. Při měření osciloskopem, jestli správně dává na vstup zem a -3 V voltmetr provedl úspěšnou autokalibraci - ve chvíli, když jsem měřil uzemňovací tranzistor.
Závada byla tedy nalezena. Uzemňovací tranzistor nespíná a já při měření sondou (která má vstupní odpor 10 M) jsem jej natvrdo uzemnil.
Na zem to stačilo, a referenční napětí -3 V to neovlivnilo natolik, aby nastala špatná kalibrace (reference je totiž bufferovaná OZ).

Řešením je tedy výměna MH2009A (tranzistor nejde přepojit na jinší v obvodu - všechny jsou využity) a nebo bypassnout P-MOS tranzistorem danou část. Bohužel je potřeba použít tranzistor se zabudovaným kanálem (a substrát připojit na +12 V). Našel jsem tedy vhodný ekvivalent - KF522, se kterým to funguje bezchybně.
Pravděpodobně by fungoval i natvrdo zapojený 10M rezistor (taky že fungoval, nula byla korektní), ale takové řešení není příliš inženýrské.