SML03 信号发生器的故障分析与检修

2021-04-08刘辉

机械管理开发 2021年2期

刘辉

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

引言

R&S SML 系列信号发生器是一款经济型、实用型仪器。具有最新的通用信号发生器需要的所需特点；宽频率范围、大量的调制功能和高可靠性。R&S SML 在开发、服务或生产领域具有广泛的应用，并可以作为自动测试系统中一种灵活的信号源。具有高对比度的LCD 显示屏，较高和精确的输出电平，很好的调制特性，用户可分配的菜单键，在线帮助，包括IEC/IEEE-总线指令。主要特性如下：频率范围从 9 kHz 到3.3G Hz，0.1 Hz 频率精度；输出电平-140～+13 dBm，高电平精度，偏差小于 0.5 dB，由于采用电子衰减器，电平设置切换时，不会有过冲及干扰现象。

一台SML03 开机工作运行30 min 后，检测其各个频点输出功率是否准确，检查发现该仪器在1.2 GHz 以上频段输出功率偏小，仪器并且报错误，错误为“Error 110 Ouput unleveled OPU3”，仪器报此错误，说明仪器相关电路存在故障。在检修仪器之前，必须了解错误信息的具体含义和熟悉仪器的基本工作原理。针对该信号发生器所报错误信息，“Error 110 Ouput unleveled OPU3”，表示 3 GHz 输出单元（简称OPU3）电路单元输出不稳幅。而OPU3 电路单元为3 GHz 输出单元，频率范围从1.2～3.3 GHz。了解错误信息含义后，可以先检查仪器设置是否正常，设置正常后，再对仪器进行校准。校准过程如下：选择面板上的“MENU1”，再选择“utilities”，再选择“protect”，选择“LOCK level 1”，然后输入 password：123456 再选择其中“off”，再按下“BACK”键，选择“Cal”，选择其中的“All”，仪器就开始校准。仪器校准完后，发现错误信息不能消失，说明仪器存在故障，需要维修。

1 仪器的基本工作原理

主要包括开关电源、主板、3 GHz 输出板、脉冲调制板、电子衰减器板、REF OSC（选件 OPT SML-B1）等电路。该仪器的RF 信号通路为（见图1）[1]：主板LF 信号发生器产生连续波信号，频率范围从9 kHz到 1.1 GHz。RF 信号再送到 3 GHz 输出板（OPU3），RF 经输出板后，再送到脉冲调制器单元（该电路单元为选件OPT SML-B3），最后送到电子衰减器单元输出。

图1 FR 信号通路图

开关电源为仪器整机各单元电路提供工作电源，输出 +5 V、-12 V、+12 V、+24 V 四组电源，输入交流电压，电压范围100～240 V，工作频率为50 Hz和60 Hz，不带调节功能。

3 GHz 输出单元（简称OPU3）主要由输入级电子开关、功能梳状发生器，包括阶跃恢复二极管（SRD）、带通滤波器，以滤波所需的谐波、射频预置、AM 调制器、倍频器、3.3 GHz 输出放大器、ALC、电平检测等电路。输入级电子开关为SPDT。该模块由SML 主板通过通常的串行控制接口使用调制信号进行寻址。3.3 GHz 输出级由三级放大器N20、V66 和V23 组成，将电平放大到最大，最大输出电平为27 dBm。输出级之后是一个截止频率为3.4 GHz 的谐波低通滤波器，将谐波抑制至少30 dbc。

脉冲调制器通过脉冲调制来扩展SML 的调制类型，其非常高的动态范围通常为90 db，并且非常短的脉冲上升或下降时间小于10 ns。此外，它提供了一个脉冲发生器，可调脉冲周期为100 ns～85 s，脉冲持续时间为20 ns～1.34 s。提供了外部触发输入和额外的脉冲输出。在射频路径中，脉冲调制器直接位于衰减器之前。脉冲调制器由元件脉冲发生器（Xilinx-FPGAPGEN）和调制器（GaAs 开关与控制和射频放大器）组成。它由SML 通过串行控制接口寻址。电子衰减器模块的衰减范围从0～125 dB，步进范围为5 dB，频率范围为9 kHz 至3.2 GHz。电子衰减器模块由电子开关衰减电路、开关控制电路、过压保护电路、温度测量电路、诊断电路、修正数据存储电路、逻辑控制等电路组成。

2 仪器维修过程

了解仪器的基本工作原理后，针对此仪器的故障，可以采用信号跟踪法和关键点测试电压的方法来检修。根据故障现象、错误提示、校准信息和电路原理分析，初步判断是3 GHz 输出板出了故障。首先设置仪器，按表1 将“FREQ”设置为不同频率点，“LEVEL”设置为0 dBm，用功率计测量3 GHz 输出板的RF 输出端口，记录各个频点的输出功率。通过测试，发现1.2 GHz 以上频段输出功率不正常。再将功率计连接到主板LF 的RF 输出端，按照表1 设置不同频率点和输出功率，发现输出功率正常[2-3]。这说明故障出在3 GHz 输出板。针对该板的故障，依据电路工作原理，可以采用在线电压测试法来检修。由于该板基本由开关、放大、倍频等电路组成，根据故障现象和电路工作原理，重点检查该板的输出放大级相关电路。检测放大级电路时，采用从后往前的办法查看。首先测量最后一级V23，测得栅极电压Vg=-1.4 V，漏电电压Vd=8 V，说明该管工作正常。再测第二级V66，测得Vg=0 V，Vd=0 V，说明该管工作不正常，属于短路状态。

该管为高性能的GaAs 异质结构FET（HFET）高频效应管，它的损坏导致1.2 GHz 以上频段信号基本无输出。该场效应管的特性是宽频带、增益高、输出功率大，其主要参数为：FREQ：DC～3 GHz，漏源电压VDS=8 V，漏极电流ID＝1 A，输出功率1 W（在1 dB 压缩点时），增益为13 dB（典型值）。将该场效应管更换，开机预热一段时间后检查，将仪器“FREQ”设置在1.2 GHz 以上各个频点，“LEVEL”设置为10 dBm，仪器的“Error 110 output unleveledOPU3”错误信息消除，再检查其他频率点，错误信息不再出现，说明仪器故障排除。由于换上的新场效应管的工作参数与原管有差别，为了获得仪器的最佳性能，仪器修复后一般要进行维修校准。校准过程如下：选择面板上的“MENU1”，再选择“utilities”，再选择“protect”，选择“LOCK level 1”，然后输入 password：123456 再选择其中“off”，再按下“BACK”键，选择“Cal”，选择其中的“All”，仪器就开始校准。校准完后，用功率计测量信号源的各个频点的输出功率，看是否符合指标要求。按照表2 设置不同的频率点。仪器的“LEVEL”设置为0 dBm，所测数据见表2[4]。