Reparatie verslag spectrunanalyzer HP8555A (Algemeen)

door loek , Exloo (Drenthe), 12-11-2021, 15:01 (896 dagen geleden)

Hallo Forum lezers,
Het gaat hier over de reparatie van een HP spectrumanalyzer (SA) type 141 met de units 8552B (IF-deel) en 8555A (ingang/RF-deel).
Ik heb deze combinatie gekocht op 8-5-2021. Volgens de verkoper was het van een nalatenschap van zijn vader en was het apparaat in goede conditie.

Een SA lijkt veel op een radio. Je kan afstemmen op een frequentie met een bepaalde bandbreedte. En dan kan je op een scherm zien hoe hoog het niveau is. Het werkt dus eigenlijk als een radio volgens het superheterodyne systeem.
Dus met een afstemoscillator en een mixer waarmee het ingang signaal naar een midden frequent (MF) signaal wordt gebracht. In SA zitten vaak meerdere demodulatie trappen achter elkaar dus ook meerdere MF signalen. Hier over later nog wat meer

De HP 141T SA bestaat uit een maineframe met een display. Er zitten twee units in boven de ingang RF-deel 8555A en onderaan het IF deel 8552B.

Wat was er allemaal mis met deze aankoop:
Bij het aanzetten was geen enkel beeld te zien. De oorzaak was een defecte weerstand in de voeding waardoor de 100 V ontbrak. De tweede fout was dat na inschakelen direct twee zekeringen van 3 A , die de -12,6V verzorgen, door gingen. Na vervangen werkte het display wel maar uit ervaring weet ik dat het door gaan van deze zekeringen vaker zal gebeuren. De oorzaak zit in de opbouw van de voeding . Als beveiliging voor de -12,6V is na de eerder genoemde zekeringen een schakeling gemaakt met thyristoren die de voeding naar aarde kortsluit als deze een paar tiende volt hoger wordt. Deze -12,6V wordt weer, zoals ook alle andere spanningen, afgeleid van een 100V spanning. Deze 100V heeft als referentie spanning een “neon” buisje gevuld met crypton welke na ontsteking een werkspanning heeft van 82V.

Door veroudering start het buisje soms wat later op en ook de spanning kan iets wijzigen. En in beide gevallen zal dat gevolg hebben voor de hoogte van de 100V /-12,6V en de beveiliging van -12,6V inschakelen. Op onderstaande foto zie je dat deel van het voedingschema. Op de punten A en B zat oorspronkelijk het neonbuisje.

De buisjes zijn niet meer te koop maar om dit effect op te lossen zou je de buis kunnen vervangen door 3*27V zenerdioden (totaal 81V). Maar bij verwarmen van deze zenerdioden zie je dan toch een behoorlijke spanningverandering.

Als vervanger maak ik gebruik van een LR8 drie-poots stabilisatie IC.In onderstaande schakeling zie je hoe dit is uitgevoerd. De punten A-B-en C worden aangesloten op het eerder gegeven schema.

Bij een globale controle zag je al dat er voor wat betreft de signaal weergave veel mis was met de LA.

Toegang tot onderdelen:
Nu kwam het volgende probleem/uitdaging. Om metingen/analyses uit te kunnen voeren moeten beide units van alle kanten toegankelijk zijn.
Elke unit is met een connector voor de voeding verbonden met het mainframe . In de foto hieronder zie je een unit met zo’n blauwe voedingconnector. De overige connectoren (D-type) worden alleen gebruik voor externe toepassingen dus deze zijn niet nodig tijdens de reparatie.

Ook de twee units zijn onderling met elkaar verbonden via een interne D-connector. Hieronder zie je verbinding.

Al deze verlengkabels worden soms op internet aangeboden en er is ook een firma die ze nog maakt maar je bent dan al snel meer dan 400 Euro kwijt.

Voor de onderlinge verbindingen van de units moet een kabel gemaakt worden met een 35 pens D-connector inclusief twee coaxstekkers .
Op de plaats waar de coax connectoren zitten zijn de pennen verwijderd. De coaxconnectoren zitten met een flexibele kit vast voor de zelfzoekende werking.

De twee voedingkabels die de units met het maineframe verbinden zien er nu zo uit:

Nu was het mogelijkheden om bij alle onderdelen te komen . Op onderstaande foto zie je een impressie van de meetopstelling.

Nu maar eens beginnen aan de echte metingen.
Al snel was te zien dat de aanwijzing 30dB te laag was. Dit verschijnsel was op alle frequenties tussen de 30 MHz en 6GHz aanwezig. Ook zag je soms het niveau kortstondig behoorlijk hoger worden met sprongen van 15dB.

Een kleinstukje theorie van deze frequentie SA
Zoals al eens eerder beschreven is een SA niets anders dan een selectieve ontvanger (zoals een Radio). De afstemoscillator sweept van een begin frequentie naar een eindfrequentie. Alle signaalamplitude tussen deze punten worden op een display weergegeven. De bandbreedte waarmee gekeken word naar de signalen kan ingesteld worden.
De toegepaste MF zijn:
(RF/Ingangunit HP8555A) 1e MF is 2,05GHz , 2e MF 550MHz, 3e MF 50 MHz
(IF unit HP8552B) 4e MF 3MHz. In onderstaand zeer vereenvoudigd blokschema zie je alle modulatie stappen van ingangsignaal tot weergave op display. De filters zijn in dit blokschema weggelaten.

De eerste mixer kan twee middenfrequenties afleveren te weten 550 MHz of 2.05 GHz . Bij toepassing van 550MHz wordt via relais de 2e demodulatie overbrugd.

De keuze van een MF wordt automatisch bepaald aan de hand van de gekozen frequentie schaal. De reden dat er meerdere MF mogelijk zijn komt omdat de er ook harmonische frequenties van de modulatie oscillator worden gebruikt.

De modulatie oscillator heeft een bereik van 2 GHz tot 4 GHz. Maar afhankelijk van de gekozen frequentie schaal wordt gebruik gemaakt van de harmonische .
Welke harmonische wordt ook weer automatisch bepaald door de band keuze.

Voorbeeld 1:
Ingang frequentie 1,95GHz
De gekozen schaal is van 1,5 tot 3,5 GHz
Staat de tuning wijzer op 1,95 GHz dan staat de modulatie oscillator op 2,5 GHz
Als MF resulteert dat in 2,5-1,95 = 550MHz

Voorbeeld 2:
Ingang frequentie 1,95GHz
De gekozen schaal is van 0,01 tot 2,0 GHz
Staat de tuning wijzer op 1,95 GHz dan staat de modulatie oscillator op 4,0 GHz
Als MF resulteert dat in 4,0-1,95 = 2,05GHz

Voorbeeld 3:
Ingang frequentie 6GHz
De gekozen schaal is van 4,1 tot 10 GHz
Staat de tuning wijzer op 6 GHz dan staat de modulatie oscillator op 2,6833GHz
Nu wordt de derde harmonische gebruikt dus de modulatie frequentie is 8,05 GHz. Als MF resulteert dat in 8,05-6 = 2,05GHz

Het is natuurlijk wel zo dat er in alle hierboven genoemde voorbeelden ook andere modulatie producten ontstaan. Neem voorbeeld 3, stel dat er ook een signaal van 63,33 MHz op de ingang staat. De modulatie oscillator staat op de grond golf van 2,6833 GHz. Ook dit geeft een MF signaal van
(2,6833 – 63 MHz ) en dat is 2,05 MHz.
De schaal geeft aan dat je op 6GHz staat afgestemd maar in werkelijkheid meet je het signaal van 63GHz. Om te voorkomen dat je deze afleesfout maakt heeft HP een extra schakeling aangebracht die met een schakelaar aan of uit gezet kan worden. Deze schakeling verstemd de afstemoscillator (1e MF) frequentie in een ritme . Op het display is dit zichtbaar in een tweede signaal weergave met een 1 divission lager niveau. Deze verstemming moet in frequentie altijd 2 division horizontaal zijn en aan de linker kant van het hoge signaal. Voldoet de weergave niet aan dat plaatje dan meet je de verkeerde frequentie waarde.

Op onderstaande voorbeelden zie je deze presentatie:

Goede afstemming:

Fouten afstemming:

Nu de reparatie:
Als eerste is de laagste unit ( IF-unit HP 8552B) gecontroleerd. Door op verschillende punten in de schakelingen een signaal te injecteren blijkt al snel dat het soms wisselende signaal beeld in de laatste 50MHz trap zit.
In dat deel zitten veel verzwakkerschakelingen die door geleiding van een diode worden in of uitgeschakeld. Een simpel ceramisch condensator van 0,1uF had soms heel even een sluiting van 1K.

Na vervangen was het beeld wel stabiel en volgens de service documentatie voldeed de onderste unit voor wat betreft de niveau weergave ook aan de specificaties.

Hierna was de reparatie van de bovenste unit (HP8555A) aan de orde:

In deze unit vindt dus de conversie van ingang 0,010 GHz tot 18 GHz naar 550MHz of 2,05 MHz en daarna naar 50MHz.
Totaal was er nog een verschil van 30 dB in aanwijzing . Ook nu weer door op verschillende plaatsen een signaal te injecteren bleek dat er veel signaal verloren ging in de eerste trap (de ingangmixer). De uitgang van deze mixer heeft een MF van 550MHz of 2,05 MHz zie de eerder beschreven werking.

In de service documentatie staat een eenvoudige methode om met een ohm meter de mixer dioden te kunnen controleren. Deze methode gaf aan dat de mixerdioden stuk was. Niet echt een sluiting of onderbreking maar wel
twijfelachtige ohmse waarde.

Rondom deze mixer zijn verschillende schakelingen gemaakt om de amplitude doorgifte stabiel/vlak te houden. Dit was nodig omdat dit een mixer is die ook met de harmonische werkt zoals eerder is beschreven. Bij de mixerdiode zelf wordt de compensatie uitgevoerd door veranderen van de “BIAS” stroom.

Dus per gekozen frequentie band maar ook tijdens het tunen in deze band wordt de BIAS stroom steeds aangepast.

Maar dat is niet genoeg in de modulatie trap van 50 MHz wordt de versterking van het MF signaal ook aangepast om de karakteristiek van de eerste mixer dioden te compenseren.

Dat betekent dus dat iedere mixerdioden een eigen compensatie moet hebben.
HP heeft dus voor iedere ingangmixer een printkaart bijgeleverd waar al deze compensatie netwerken speciaal voor deze dioden op zitten.

Printkaart met netwerk:

Deze apparaten zijn al zo oud (47jaar) en deze mixers zijn niet meer nieuw te koop. Wel worden gebruikte mixers aangeboden op de bekende sites maar de prijs zijn dan zeer hoog (boven 400 Euro). En het specifieke compensatie netwerk zit er meestal ook niet bij. En het is maar afwachten of die mixer wel goed is.

Er was iemand op internet die de ingangsmixer geopend had en de inhoud vervangen had door bekende onderdelen. Zie hieronder het schema en wat foto’s van de mixer

Mixer origineel:

Schema Mixer origineel:

Zoals je kunt zien ziet dit schema er niet ingewikkeld uit. Maar vanwege de hoge frequenties is nabouwen bijna onmogelijk.

Opengemaakt mixer origineel:

Vervangend schema:

Ik heb dit nagemaakt maar bij metingen was de amplitude nauwkeurigheid slecht. Zie de foto hieronder.

In Italië bood iemand een mixer aan met bijbehorende weerstand board. De prijs was al laag maar na onderhandelen kreeg ik hem voor 40 Euro.
Het was een gok en eigenlijk verwachte ik er niets van. Maar via de ohm metingen bij deze ingangsmixer leek alles goed. Na inbouwen was er duidelijk minder verschil in misaanwijzing je miste nu nog 5dB. En als je alle afregel organen op maximaal zet was het verschil bijna 0dB.

Bij injectie van 50 MHz op de laatste versterker-stap was het verschil ook aanwezig. Maar bij injectie op de uitgang van deze versterker ( dus eigenlijk direct zenden op de onderste unit (HP 8552B) was het verschil verdwenen. Er moest dus iets fout gaan in de versterker van de bovenste unit. HP had deze versterker in de service documentatie zeer uitgebreid beschreven. Op bijna alle punten in deze versterker trap werden DC waarde gegeven welke niet meer mochten afwijken dan een paar millivolt. Het schema deel zie je hieronder:

DC waarde 50MHz versterker volgens specificatie en gemeten:

Alle DC waarde weken meer af dan gespecificeerd. Omdat alles is in dit deel gelijkstroom gekoppeld is moest de oorzaak toch zitten in het eerste deel de 50mhz versterker dus de FET Q1 of de transistor Q2 . Ook een aantal weerstanden rondom deze twee waren verdacht. Helaas konden deze onderdelen alleen goed gemeten worden nadat de print was verwijderd uit de behuizing.

Er moest veel gedemonteerd worden om de print te verwijderen. Uiteindelijk bleek de transistor Q2 defect te zijn. Maar helaas na inbouwen van de print was het resultaat voor wat betreft de DC waarde goed maar het niveau verschil was nog steeds aanwezig.

Na toch wel lang zoeken uitproberen meten (en zuchten) blijkt dat er twee draden die verbonden waren met de uitgang connectoren waren omgedraaid. De extra uitgang was een AUX uitgang die voor opties gebruikt kon worden. Deze uitgang had een hogere impedantie dan de juiste uitgang.

De verwisseling was wel te verklaren omdat op de print de draden gekruist naar de connectoren moesten.

Bij het loshalen eerder door een vorige reparateur waren de draden recht toe aangesloten. Ik had eerst een tekening gemaakt en foto voordat ik de draden los had gehaald en heb ze dus ook weer zo (maar dus fout) aangesloten.

Na omdraaien van de draden konden alle afregel organen in de middenstand staan en was de aanwijzing op het display goed.

Daarna heb is voor dit deel een uit 27 punten bestaande afregelprocedure uitgevoerd. En het apparaat werkt nu goed binnen de specificaties tot 6GHz. Hoger in frequentie kan ik niet nauwkeurig meten maar ik mag wel aannemen dat de aanwijzing ook daar goed is. Zelf geloof ik het af en toe nog niet maar het is toch wel zo.

Uiteindelijk heeft deze reparatie zeker 6 maanden geduurd.
Ik hoop dat jullie het lezen van dit verslag hebben volgehouden .

Met vriendelijke groet,

Loek