仪表博物馆[02] — Keithley 2015

Keithley(吉时利) 2015音频分析万用表拆解与解析

鸽位好久不见~
🐟销声匿迹了一段时间,主要是上(摸)班(鱼)太忙啦。前段时间🐟收回来一台万用表和快速响应电源,这次我们为许久未更新的仪表博物馆增添几分活跃度——有请今天的主角:Keithley 2015 6½ 音频分析数字万用表

正脸

帅气的侧颜

Keithley在上世纪末推出了这款具备音频分析功能的6位半台式万用表,比常规的台式高精度万用表多出的音频分析功能(THD/THD+N/SINAD Analyze)可以分析音频频段内的电路的非线性失真和噪声水平,从而加速音频产品的开发与测试速度。

这个独特的功能是该表的亮点之一。2015背后可以输出一个低失真的音频信号源(其实也不是非常低),用于给外部电路提供激励信号,待测信号输入前端端子,通过2015加装的DSP音频分析模块求出信号的总谐波失真度/总谐波失真+噪声/信纳比,显示给用户。

本篇文章将对该表进行较全面的拆解,并分模块简单解析一下此表的硬件设计。多图流量预警!

拆解步骤

  1. 拆下后面板2颗螺丝,将后盖取下;然后将提手拉出,旋转至特定角度后提出来,将里面2颗螺丝一并卸下;

屁股

拆掉后框和提手

  1. 将固定提手的卡扣取下,同时将机壳下方的脚撑取下,外壳上2颗小螺丝一并取下,随后即可抽出外壳;

抽出外壳后,可以看到整个机器的顶板和电源变压器、前面板背面。

系统框图解析

面对复杂的电子系统分析时,将整个系统细分成多个子模块是十分有必要的。无论是在设计过程中还是拆解修理时,对照系统框图来看电路,就能实现指哪打哪的高效定位。

Keithley被Tektronix收购了,在Tek的官网上能找到2015的Service Manual和Datasheet。Service Manual中提供了2015的系统框图。我们逐级康康

1.系统电源分配网络

2015机身里有2个硕大的工频变压器,分别为DSP板(用于音频分析)和DMM板(正常万用表的功能都在这里实现)独立供电。对应系统框图如下,其中保险管、电压切换(220v/110v)、电源开关都是老生常谈了。

2.数字系统

DMM(Digital Multi Meter)通常由模拟前端和数字处理器组成,二者在系统中同样重要。顺着Keithley给的Diagram编号,我们先看数字部分的框图:

从框图中可以看到,数字部分的主处理器是Motorola的68306,处理器与模拟前端部分的ADC通信使用光耦器件实现电气隔离(Opto Isolator),然后处理器直接连接了显示器、键盘、存储器等外设,还链接了RS232、GPIB等通信接口,同时与底下的DSP板也有一组接口用于控制和通信。

最大的那块就是CPU(68306)啦,下面还有一块NI的ASIC用于GPIB通信,贴了2015-80x的标签的2块应该是仪器的固件配置存储器,也就是框图里的ROM U156/7。还有2块NVRAM用于存储采样的数据和运算中间结果。

数字部分上方的PCB切割了数个槽用以增强数模隔离,因为上面都是非常敏感的精密模拟电路~
可以看到在最右边有3个光耦,最方的那块IC就是2015的核心ADC了,是Keithley自己设计的ASIC,那几颗光耦就是这颗ADC与处理器通信的隔离器

3.模拟前端

模拟前端设计在万用表中是重中之重。模拟前端的设计直接决定了系统整体的性能,噪声、线性度、温度系数,以及各种细致入微的设计,稍有不慎就会让整个系统GG。我们将着重看这一块。

根据万用表的功能定义电路结构,可以将前端分为4大块:

  1. 交流测量: 真有效值、频率
  2. 直流测量: 电压、电阻
  3. 内置电流源用于测量外部电阻
  4. 电流测量的Shunt电路

如果外部输入电压过高,需要使用电阻分压器(DCV Divider)将电压降至合理的安全范围,然后再将分出的低压送至后级信号调理电路进行处理。

最后,所有的信号汇总到ADC前端的MUX(切换开关)和Gain调理电路,进行适当的增益调节,送入ADC进行模数转换,最后得到一个精确的测量值。

信号由前面板或后面板上的端子输入(通过Front/Rear自锁开关切换,就是那个长得像方形毛毛虫一样的),穿过一个抗干扰磁环之后直接焊接至电路板上。

趴在壳子上的铁氧体磁环可爱捏(来人啊!这条🐟精神不正常了!)

这里是最靠近输入线的模拟前端部分,可以看到有压敏电阻、气体放电管等保护用元器件。同时还有一个CADDOCK的混压电阻网络用于高压输入的分压器。


可以看到遍布前端的晶体管、模拟开关、运算放大器、电阻电容等器件,这些都是最常见的模拟电路设计了:)。这些电路完成了DC/AC信号调理(放大/衰减、滤波、等常见信号处理方法),同时包含了测量外部电阻时所需要的恒流源:通过提供不同档位的恒流源加载到外部电阻上,产生可测量的电压,来间接测量电阻值。通断档也可通过这个功能实现。别忘了,还有一颗高精度、低温漂的VISHAY电阻器,不知道用来做什么的,可能是精密增益。

那片金属盖下面藏着什么呢?通过这几根排线的位置可以大致猜出是交流处理电路,补光一照,果然是你,AD637。宽带真有效值测量工作全部由我们的老熟人AD637完成。如果要做音频失真分析,信号会通过继电器切换到排线,传递给底下的DSP板完成。

这颗白色的IC一看就是电压基准源啦。别问我怎么知道的,反正我就是知道233。这颗电压基准源是LM399的定制版,似乎只有Keithley 2015上使用了SL40057这一型号的基准源。在基准源周围的当然是零漂移运放和昂贵的精密金属膜、Metal-Foil电阻器咯…基准源的使命是为ADC提供极其稳定的基准电压,基准源的精度和温度稳定性、噪声等参数直接决定了一个模数转换系统的上限。市面上常见的6位半万用表多采用LM399基准源,7位半和8位半就得用LTZ1000了。

ADC我们在上面已经看过了,就不再看了~

来看一眼前面板的背面,从这些丝印上我们可以合理推测,Keithley部分仪器的各个部件是模组化的,一个模组设计好之后可以用于多个不同的产品中。比如这个地方勾选了2010,意思就是用在2010系DMM产品中的。但它其实也可以通过增减元器件来兼容2700系产品。

在顶板的尾部,看到有2000/2015的丝印。同时旁边还有熟悉的”MADE IN CHINA”……说明这块PCB是在中国境内工厂生产的,生产年份应该是2002年,距今20年了。

至此,我们对于表面的分析告一段落,让我们更进一步,来看点与众不同的。

深入拆解

  1. 先将前后面板线序记录下来,并记录好各个BTB连接线的插拔位置;随后将其全部拔掉

  1. 将前后面板的输入端子的接线温柔地拔下来,同样记录线序,同时将这些线穿过的磁环取下来。

  1. 将后面板的GPIB、RS232螺丝取下,BNC和电源连接器可以暂时不动;

此处无图:)

  1. 将顶层PCB上的2颗固定螺丝取下,其中一颗是TO-220封装的LM2940的固定螺丝。然后将PCB整体平移,将开槽处滑到外壳的卡扣处,即可轻微提起顶板;

注意不要将PCB用力提起,因为前面板的电流测量端子输入线(白色)不太好拔下,还跟板子相连,将板子稍微倾斜角度搭在外壳上即可。

顶板取下后,翻转一下可以看到背面有用螺丝固定的一层塑料绝缘膜。背面没有芯片,基本上全都是阻容器件。

接下来我们来看点2015区别于其他DMM的特色功能——谐波失真分析Module。

4.失真分析模块


用于失真分析的DSP板由一块DSP、3块FPGA组成。一块FPGA(U327)负责统筹DSP板上的DSP芯片、DSP板的ADC,以及DSP板的信号发生器,同时与数字板的CPU进行通信交换数据。
而另一块FPGA(U314)负责DSP板的ADC采样时钟控制、同时与上面的模拟前端送来的信号进行对接,可能是触发信号。
信号发生器部分也由一块FPGA控制,这一块使用的是AD9850 125MHz完整DDS芯片作为信号源,输出经过衰减、滤波、可变增益放大后由buffer输出,输出阻抗可选50欧或600欧,同时还有一个反相输出通道,可作为差分输出,亦或是通过比较器比较之后作为同步脉冲输出。

交流信号和辅助信号通过上板的排线送到下板来;当然也有下板的一路信号输出到上板。最左侧的那2根双绞线应该是被采样的ac信号,经过2个运放调理后被送入ADC中进行高速模数转换。

所使用的高速采样ADC是AD7722,16位的sigma-delta型ADC。

主FPGA通过光耦与ADC通信接收ADC采样的数据,然后将数据送入主DSP中进行数字域中的信号处理与计算。这里使用的是一颗硕大的Analog Devices生产的SHARC系列DSP,型号为ADSP-21061。据开发过早期ADI DSP的人说,这东西使用起来很痛苦…但也很强大。

放置在PCB开槽上的隔离光耦

这一颗是用于信号发生的FPGA,同样通过光耦与主FPGA进行隔离。那颗贴了2015标签的ROM应该是用于保存机器配置的。

信号发生由AD9850 DDS完成,9850的输出经过端接后送入AMP03 精密差分单位增益运放进行缓冲,然后被送入复杂的信号处理链路中进行衰减、滤波、放大等处理。值得一提的是这块板子上写的是MADE IN USA,想必这块板子是在USA生产,然后送到中国来组装成整机的吧。

信号处理链路中可以看到一些模拟开关、薄膜电容,以及运算放大器。

一级级处理完的信号经过2个共模电感(存疑)后通过BNC座子输出。那个红色的继电器应该是用来切换输出阻抗的

有趣的细节

这个线缆固定夹看起来是用泡沫胶贴到外壳内部的,经过20年后泡沫胶已经发黄了,但是还能粘住。

同时在顶部的DMM板上可以看到许多Guard Ring/Guard Trace,用阻焊开窗的闭环走线将敏感小信号线包围起来形成一个保护环,作用是防止敏感走线上由于与邻近电路间存在电压差而产生微弱的漏电。通常可以不考虑这一点,但是在微弱信号领域就必须要考虑啦。1uA的漏电流都可能带来极大的误差。

这颗DMM板上的主ADC,我猜应该是一颗24bit的,它的周围使用了大面积网格状接地覆铜,同时净空周边的PCB来达到抗干扰的效果。

点评

🐟当时在仪器贩子那里挑的时候纠结了一下是选Keithley 2015好还是选Agilent 34401A好…因为想到了可能会测一些噪声,计算信噪比的应用场景,于是挑了这款带SINAD分析的2015。总的来说,无论是从机器做工、测量精度还是操作方式来看,这台DMM还是非常符合我的期望的。

资料

Keithley 2015 Series Product Intro

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