Oszilloskop Reparatur Tektronix 314

Oszilloskop Reparatur

Neulich bekam ich ein schönes kleines altes (ca. 15Jahre) Oszi geschenkt. Diagnose : Horizontal-Ablenkung defekt.
Wie ich feststellen musste, waren 2 Steuer-ICs defekt. Nach einem kurzen Telefonat mit dem Tektronix-Service
schied der Nachkauf der beiden ICs aus:

U340    PN 155-0056-01    461 DM zzgl. Mwst.
U350    PN 155-0028-00    374 DM zzgl. Mwst.

Mit Märchensteuer und Versand macht das also zusammen gut und gerne 1000 DM !! Das wäre mir dann doch zuviel ...
Durch Schaltplan und Servicemanual versuche ich nun in nächster Zeit, die beiden ICs zu verstehen und zu ersetzen.
Warum der Aufwand ? Das schönste ist und bleibt an diesem Oszi seine Größe und die Möglichkeit, es mit 220V oder
12V zu betreiben.

Schauen wir uns erst mal die Horizontal-Platine an:

 

oszi rep 01

 Und so sah die Platine nach dem Umbau aus:

oszi rep 31


Beschreibung U340

U340 ist ein 16pol DIL-IC mit +5V Versorgung und enthält hauptsächlich digitale Logik. Für das
Steuern und Rücklesen von Zeitgliedern ist noch etwas analoge Technik eingebaut.

Pinbelegung:

oszi rep 02

Schaltplanauszug:

oszi rep 05

Pin 2, 3, 8 und 16:

Spannungsversorgung für U340. Pins 2, 3, 8 auf  Masse, Pin 16 auf +5V

Pin 12 - Analoges Zeitglied - Bright Baseline Timing:

oszi rep 12

Dieses Timing wird verwendet im AUTO-Modus. Es dient dazu, das System selbständig neu zu Triggern,
wenn zu lange keine Triggerimpulse mehr kamen. Dies triff dann zu, wenn die Triggerfrequenz unter 15 Hz ist.
Das entspricht einem Zeitabstand von >70ms der Triggerimpulse. Über R345 wird C345 ständig aufgeladen.
Jeder Triggerimpuls entlädt C345 schnell nach Masse. Steigt die Spannung an Pin 12 über einen bestimmten
Pegel an, so wird der Sweep auf "freidurchlaufend" geschaltet.

Pin 11 - Analoges Zeitglied - Holdoff Timing:

oszi rep 13

Um der Sweep-Schaltung im U350 die Zeit zu geben, nach dem Strahldurchlauf den Kondensator
zu entladen, kann sich U340 mit dieser Hold Off-Zeit kurzfristig tot stellen. Ist die Zeit abgelaufen,
so ist U340 wieder voll funktionsfähig und es kann von neuem losgehen. C347 wird über
R348/347/343 ständig geladen. Pin 11 wird nach Masse gezogen, solange der Sweep im Gange ist.
Nach Ende des Sweeps lädt sich C347 auf, bis ein bestimmter Pegel erreicht ist. Erst ab hier kann
ein neuer Triggerimpuls einen neuen Sweep starten.
 

Timebase Holdoff-Zeit
5s ... 10ms 44 ms 
5ms ... 0.1ms 2 ms 
50us ... 1us ?? us 

Pin 6 und 13 - Digital - Modus-Erkennung:
 

Modus
Pin 6
Pin 13
AUTO
1
0
NORM
1
1
SINGLE
0
1

Pin 7 - Digital - Reset Single Sweep System:

Ist der SINGLE-Sweep-Modus aktiv, und ein Trigger hat einen Sweep ausgelöst, so werden keine
weiteren Trigger angenommen. Rücksetzen kann man mit einer pos. Flanke am Pin 7.

Am Pin zieht ein 10kOhm Widerstand das Signal Standardmäßig nach Masse. Über die
Diode CR336 kann auch ein Reset-Signal aus dem "Storage"-Teil des Oszis den Sweep-Mode rücksetzen.

Pin 9 - Digital - READY-Indikator:

Wenn im SINGLE-Sweep-Modus noch kein Trigger ausgelöst hat, so leuchtet diese LED. Stoppt das
System nach auslösen, so erlischt die LED.

Die LED leuchtet, wenn ein Lowside-Schalter den Pin 9 nach Masse zieht.

Pin 4 und 5 - Digital - Trigger Eingang und Flankenselektion:

An Pin 4 gelangen die Triggerimpulse aus der Triggeraufbereitung.
Pin 5 selektiert die gewünschte Triggerflanke:
 

Pin 5
auslösende Flanke
0
steigende Flanke
1
fallende Flanke

Pin 1 - Digital - End Sweep:

Mit diesem Signal teilt U350 diesem IC mit, das der Strahl am rechten Rand des Schirms angelangt ist.:
 

Pin 1
Funktion
0
U340 arbeitet
1
Beendet laufenden Sweep

Wird Pin 1 auf  Dauer-1 gelegt, so sind keine weiteren Sweeps möglich !

Pin 14 und 15 - Digital - Steuerausgänge:

Pin 14 geht von 0 auf 1, wenn ein Sweep stattfinden soll. Mit diesem Signal werden der "Electronic Channel
Switch" und der "Auto Erase Multi" angesteuert. Der digitale Ausgang soll über 2kOhm nach +5V gezogen
werden.

Pin 15 geht von 1 auf 0, wenn ein Sweep stattfinden soll. Mit diesem Signal werden der "Unblanking Amplifier"
und der "Enhance Multi" angesteuert. Der digitale Ausgang soll über 2kOhm nach +5V gezogen werden.

Der Grund, warum beide Ausgänge einen Innenwiderstand von 2kOhm haben sollen ? Diese Pins gehen direkt
auf die Basis von 2 Transistoren und zwar ohne Basisvorwiderstand !

Pin 10 - Digital - Lockout:

Mit diesem Signal kann die gesamte Sweep-Funktion des U350 abgeschaltet werden, da im "X-Extern Modus"
ja kein X-Sweep benötigt wird. Dies bedeutet, das Oszi ist im X/Y-Betrieb.
 

 

Pin 10
Funktion
0
Sweeps können erzeugt werden
1
kein Sweep möglich

Aufbau U340

Überlegen wir uns also nun, welche Schaltungsteile wir für die Realisierung benötigen. Die Zusammen-
schaltung ist dann der nächste Schritt.

Funktion - Moduserkennung:

Mit Hilfe der Pins 6,13 und 10 erkennen wir den Betriebsmodus des Oszis:

oszi rep 15

Funktion - Triggereingang:

Pin 4 ist der Triggereingang, Pin 5 ermöglicht es, den Triggereingang zu invertieren:

oszi rep 16

Funktion - Ausgangstreiber mit FlipFlop:

Mit den internen Anschlüssen JK, S, R kann das FlipFlop gesteuert werden. Q+ und
Q- sind gegenphasige Ausgänge und lassen sich mit Pin 10 (X/Y-Betrieb) fest auf einen
Wert legen:

oszi rep 17

Funktion - Holdoff-Timing:

Im Normalzustand ist Q auf 0, der Punkt zwischen C und R wird also nach Masse gezogen. Kommt
nun an Pin 1 eine positive Flanke an, so schaltet das FF auf 1, und der Kondensator kann sich aufladen,
bis der High-Level am C-Pin des FF erreicht ist. Dann schaltet das FF wieder auf 0 und entlädt den
Kondensator. An Pin C kann man nun eine steigende Flanke messen, wenn die Holdoff-Zeit abgelaufen ist.

oszi rep 18

Funktion - BrightBaseline-Timing:

Schaltung wie beim Holdoff-Timing. Gesetzt wird das FF, wenn eine Durchlauf vorbei ist. Tritt vor
ablauf der Zeit ein Trigger auf, so wird ein neuer Durchlauf gestartet und das FF zurückgesetzt. Werden
keine (oder zu selten) Triggerpulse mehr registriert, so lädt sich der Kondensator langsam auf, ist er auf
den High-Pegel gestiegen, wird diese Flanke als neuer Trigger verwendet. Damit erhält man trotz
nicht vorhandener Triggerpulse ein Signal auf dem Schirm.

 


 

Nachbau U340

Um möglicht viel Platz zu sparen und während der Erprobung mehr Flexibilität zu haben, entschied
ich mich für einen PLD. Dieser ermöglicht es auch größere digitale Schaltungen jederzeit neu
hineinzuprogrammieren...

Zum Einsatz kommt hier als Beispiel ein MACH4A von Lattice. Dieser wird mit 5V versorgt, und
lässt sich über JTAG jederzeit neu programmieren. Die Bezeichnung M4A5-64/32 sagt aus,
das es ein MACH4A mit 5V ist, der 64 Macrozellen und 32 IO-Pins besitzt.

Was programmieren wir nun in den MACH ?

Um die Pegel entsprechend anzupassen, brauchen wir eine kleine Adaptionsschaltung:

Schaltplan:

oszi rep 19

Die Pin-Nummern aussen gehören zum U340 mit 16pol Sockel, die Nummern innen dem MACH4A
mit seinem PLCC44-Sockel. Die Schaltung lässt sich auf einem Lowcost-IC-Sockel aufbauen:

oszi rep 20

Pinbelegung MACH4A:

oszi rep 14

+5V Pins : 44 und 22
Masse-Pins : 1, 12, 23, 34
JTAG-Pins : 10,13,32 und 35

Pinbelegung des PLCC-44 Sockels (von unten):

oszi rep 22

Beschaltung des PLCC-44 Sockels von unten (Spannungsversorgung):

oszi rep 23

Beschaltung des PLCC-44 Sockels von unten (Signale):

oszi rep 24

Pinbelegung U340:

oszi rep 02

Eingebaute Version:

Die Schaltung findet Platz an der unbestückten Stelle der Platine. IC ersetzt - 461 DM gespart ...

 oszi rep 21


Beschreibung U350

U350 ist ein 10pol IC mit +-12V Versorgung und enthält reine analoge Schaltungstechnik.

Pinbelegung:

oszi rep 03

Schaltplanauszug:

oszi rep 04

Funktionsbeschreibung:

Je nach Schalterstellung der Zeitbasis werden verschiedene Kombinationen von Spannung, Kondensator
und Widerstand an die Pins 8/9 geschaltet. Intern befindet sich ein Operationsverstärker, mit Aussenbeschaltung
ergibt sich damit ein Integrator:

oszi rep 06

Rechnet man sich nun einmal alle Kombinationen durch, so wird die Funktion klar. Die Zeit, die der Strahl für
einen Durchlauf braucht ist ca. 10x länger, als die Zeitbasis. Logisch, der Oszi-Schirm hat ja 10 Kästchen:

Zeitbasis Ux [V] R C t (0V...5,5V)
5s -2,95 3 Meg 10uF 56s
2s -7,38 3 Meg 10uF 22s
1s -14,78 3 Meg 10uF 11s
0,5s -2,95 330k 10uF 6s
0,2s -7,38 330k 10uF 2s
0,1s -14,78 330k 10uF 1s
50ms -2,95 27,2k 10uF 507ms
20ms -7,38 27,2k 10uF 203ms
10ms -14,78 27,2k 10uF 101ms
5ms -2,95 330k 99nF 61ms
2ms -7,38 330k 99nF 24ms
1ms -14,78 330k 99nF 12ms
0,5ms -2,95 27,2k 99nF 5ms
0,2ms -7,38 27,2k 99nF 2ms
0,1ms -14,78 27,2k 99nF 1ms
50u -2,95 330k 999pF 610us
20u -7,38 330k 999pF 245us
10u -14,78 330k 999pF 122us
5u -2,95 27,2k 999pF 51us
2u -7,38 27,2k 999pF 20us
1u -14,78 27,2k 999pF 10us

(falls jemand nachrechnen möchte : -t=(Ustop*R*C)/(Ux) )

Um den geladenen Kondensator wieder zu entladen, ist über beide Kondensatoranschlüsse
ein Transistor als Schalter gelegt.

oszi rep 07

Der Integrierer lädt also den Kondensator auf, es entsteht eine linear ansteigende Spannung am Ausgang.
Der Spannungsteiler an Pin 6 legt nun fest, bei welcher Spannung das IC meldet, das der Sweep beendet ist.
Dies ist bei ca. 5,5V der Fall. Pin 4 wird dann logisch High.


Nachbau U350

Nachbau:

Wir benötigen also 2 OPs mit möglichst hochohmigen Eingangspins, um die Schaltung nicht zu belasten.
Daraus können wir dann einen OP zum integrieren und einen als Komparator schalten. Fehlt nur noch
ein Schalttransistor zum entladen des Cs.

Für einen schnellen Test habe ich mich für den LF351 entschieden : JFET-Eingänge, 4MHz GBW, 50pA, 10mV
Als Schalttransistor habe ich den nächstbesten Universal-Typ genommen : BC 547

Pinbelegung LF351:

oszi rep 08

Pinbelegung BC 547:

oszi rep 09

Pinbelegung U350:

oszi rep 03

Schaltung:

oszi rep 11

Eingebaute Version:

oszi rep 10

Die Schaltung findet auf einem kleinen Stück Lochrasterplatine Platz. Das ganze sieht zwar wüst aus, funktioniert
aber wunderbar .... IC ersetzt - 374 DM gespart ...

 


Restliche Umbaumassnahmen

1. Stabilisierung der Spannungsquelle für die Sägezahnspannung:

Wir löten an der gekennzeichneten Stelle einen Kondensator von ca. 100nF ein, um
beim Umschalten der Zeitablenkungen, die Spannung nicht sprunghaft steigen zu lassen:

 oszi rep 25

oszi rep 28

2. Beruhigung der Spannung am RESET-Pin des U340:

Eine andere Stufe speist noch Pulse auf die RESET-Leitung. Wie sich gezeigt hat, werden
diese nicht weiter benötigt, die Verbindung kann entfallen und das RESET-Signal ist sauber:

 oszi rep 26

oszi rep 29

3. Beruhigung des End-Sweep-Signals:

Dieser Punkt wandert ständig in der Gegend herum. Um den U340 mit sauberen Signalen zu versorgen,
trennen wir die Verbindung auf, und löten für den Rest der Schaltung noch einen separaten 10kOhm
Widerstand ein:

oszi rep 27

oszi rep 30

 

Zum Abschluss noch der Inhalt des MACH4A PLD's :

Ersatzschaltbild aus Logikgattern

ZIP Datei mit dem Inhalt des MACH4A