Upgrade M1T380, part I - vstupní díl

S kolegou jsme se dostali ke dvěma M1T380 v ne moc dobrém stavu. Rozhodli jsme se proto pro jejich opravu, případné vylepšení. Ostatně, koncepce vícenásobného integračního převodníku je poměrně kvalitně realizována včetně referenčního zdroje, jenom to smetí kolem trochu zaostává.

Výměna hrníčkového jádra za toroid

První problém byl nefunkční zdroj pro +20 V a -20 V, kde závada spočívala ve spáleném stabilizátoru, pár zenerek a několika oranžových tantalových kondenzátorů (TEchnika SLAbá).
Po této opravě multimetr oživl, avšak po nějaké době začal neuvěřitelně pískat. Závada byla "standardně" u spínaného zdroje pro +12 V a +5 V, jenž napájí digitální část s procesorem 8080, která se stará o interakci s okolím. Hrníčkové jádro tlumivky bylo částečně rozpadlé, bylo proto vyměněno za toroidní tlumivku s adekvátní indukčností. Už to nikdy nebude jednak pískat a hlavně také méně zářit do okolí, vzhledem k uzavřenému magnetickému toku uvnitř toroidu.

Rozpadlý hrníčkový jádro

Dále při měření napětí na rozsahu 150 V a 1000 V docházelo ke značnému šumu. První nápad mne vedl ke vstupnímu děliči, který bude asi nějak poškozený. Nakonec se ukázal vadný rezistor 9M9, který je složen ze dvou, custom Metra vinutých, rezistorů 4M95. Jeden z nich měl uvnitř uklepaný drát. Tento Metra bastl byl vyměněn za kvalitní Caddock 9M9/5ppm rezistor (do napětí 15 kV).

Caddock 9M9

Další problém nastal ve chvíli, kdy multimetr běžel určitou dobu, zahříval se a jeho offset při zkratovaným vstupních svorkách značně lítal s teplotou. Podezříval jsem termoelektrické napětí na svorkách, proto jsem je vyčistil od různých oxidů (např. oxidy mědi udělají Te napětí v řádu mV/K).
Problém však nepřestal, stále se offset měnil s teplotou. Podezříval jsem driftující referenci a nebo integrační převodník (který si ovšem před každým měřením měří nulu).

Schéma vstupního zesilujícího dílu

Po vyloučení driftu integračního převodníku (zkratováním jeho vstupu, resp. vstupu 741 se zesílením 2 před MAC08) jsem se zaměřil na modulační zesilovač. Ve chvíli kdy jsem na něj fouknul, začal offset přístroje rapidně cestovat. Modulační zesilovač je vlastně chopper zesilovač, bohužel nemá auto-zero funkci. V tomto případě se jedná o modulační zesilovač AS131, jenž je složen ze dvou výběrových MAB355 (dle katalogu teplotní drift 3 uV/K). Tyto OZ byly pravděpodobně vybírány na vstupní offset a jeho drift, protože zapojení chybí nulovací obvody. Jelikož multimetr nemá žádnou ochranu na vstupu, je dost možný, že vlivem velkého ESD se poškodily JFET vstupy OZ a teď to driftuje jako drbnutý. Vzhledem k dnešním novějším technologiím, rozhodl jsem se pro náhradu AS131 za LTC2057, což je chopper auto-zero zesilovač víceméně určený pro 6,5 místné multimetry. S teplotním driftem 15 nV/K a šumem 200 nV/p-p je ideálním kandidátem náhrady.

LTC2057 jako náhrada AS131

Na vstup jsem pro ochranu umístil 1nF fóliový kondenzátor a celou destičku umístil do původního case AS131. Citlivý vstup jsem vyvedl ven z boku krabičky, aby se neplazil po PCB jako v původním návrhu.

LTC2057 v krabičce AS131

Po výměně začal být offset velmi kultivovaný. Pro porovnání mám ještě jednu M1T380, označme ji jako #1, která je original inside a sloužila jako porovnání s originálním stavem. Upgradovaný multimetr označme jako #2. Do tohoto multimetru jsem vedle modulačního zesilovače zabudoval teplotní čidlo LM35DZ, abych mohl sledovat vnitřní oteplení v okolí vstupního dílu.

LM35DZ přilepen k odporu (část zpětné vazby pro vstupní díl)

Teplotní čidlo má analogový výstup 10 mV/K, lze jej tedy elegantně připojit k voltmetru a měřit přímo teplotu, resp. změnu teploty v tomto případě. Čidlo je napájeno z +5 V větve a jeho výstup vede na zadní panel přístroje, kde je zakončen BNC konektorem.

BNC konektor (výstup teplotního čidla LM35DZ)

Napětí teplotního senzoru bylo měřeno multimetrem HP/Agilent/Keysight/ZaRokJinýNázev 34461A.
Provedl jsem teplotní a napěťové logy se zkratovanými svorkami pro několik případů (včetně #1 pro porovnání).
Jak je z následujícího grafu patrné, původní verze #2 driftovala jako divá. Po úpravě s LTC2057 se již uklidnila a teplotně se stabilizuje dokonce i dříve nežli originální #1, která stále někam driftuje, i když pomalým tempem. V grafu je vynesen i poslední bit AD převodníku, jako errorbar (rozlišení 100 nV).

M1T380 #2 (original/LTC) drift vs M1T380 #1 original

S LTC2057 se #2 teplotně stabilizuje již po cca 70 minutách od zapnutí, což odpovídá času v návodu k použití (uváděno 60 minut). Bez úpravy by to stále ujíždělo někam do pryč. Pro jistotu jsem vyzkoušel zkratovat přímo vstupní bod (za Re1) u zesilovače, abych vyloučil TeV na relé a na svorkách. Bohužel, drift zůstal přibližně stejný. Ještě mne napadlo, že možná odpory (R17-R20) ve zpětné vazbě nemají zcela zanedbatelný nebo nevyvážený Tempco. Jsou to rezistory produkce Metra, pravděpodobně vevnitř ručně vinuty.
Podařilo se mi vytvořit kopii RS232 komunikačního modulu M1T382, resp. jeho upgrade ve formě USB (o tom ale až v dalších dílech) a využít jej pro rychlejší log napětí.
Z níže uvedeného grafu je vidět jakýsi rozdíl oproti předchozímu ručnímu záznamu dat, kdy nyní multimetr pořád driftuje (červená křivka).

#1 original a #2 s LTC2057 original/gold svorky vs. předchozí měření

Velmi zvláštní je také z ničeho nic propad kolem 8. minuty. Že by nějaký pokus o nulování? Dle schématu ale multimetr nemá jak se sám nulovat na vstupu. Spíše to vypadá na další potenciální závadu. Mezitím jsem pro jistotu vyměnil originální svorky za pozlacené (1kV/32A) a také dal nové silikonové kabely.

Zlacené konektory

Když už jsem měl sundaný přední panel, očistil jsem všechny zoxidované spoje na přepínačích a taky napájecích konektorech. Nakonec je ošetřil PTFE olejem, aby dál neoxidovali.

Zoxidovaný přepínač before/after

Po vychladnutí multimetru a opětovném zapnutí + logování (růžový průběh), již nenastal žádný propad. Z růžového průběhu lze vidět, že zlacený svorky změnily trochu výsledné Te napětí. Při srovnání se zeleným průběhem (originální #1 bez úprav) lze konstatovat, že s LTC2057 celý přístroj méně šumí a je teplotně stabilnější. Menší drift po teplotní stabilizaci dávám za vinu napětí vznikajícímu na Te přechodech.
Ještě vyzkouším vyměnit Re1 za relé se zlatými kontakty a najít další součástku, co teplotně driftuje (možná zpětnovazební dělič, ve stabilnější verzi byl osazen odpory VISHAY). Také umytí vstupních desek od mastnoty a nečistoty by nebyl špatný nápad (leakage currents).

Pokračování ZDE.