一根飞线搞定！拆修惠普HP 3466A台式4位半数字万用表

hongo

前些日子收了一台惠普HP 3466A台式数字万用表，卖家说开机所有档均无显示，尝试修理没修好，所以当配件尸体处理掉。

到手感觉成色一般，外壳下部碰掉了一点，但是零件完整基本没有缺失，电路板好像也没有被焊过，有维修价值，实在修不好的话再拆件用，里面拆件也应该有不少肉。





惠普的仪器用料和做工都没说的，最亲民的地方是虽然惠普仪器部门这些年几经分家和转卖，名字换了N次，但是其老仪器设备的官方维修手册和资料都很完整，以惠普为代表的美国仪器厂商的每本维修手册基本就是一本教科书，里面详细到从仪器的主要部分的工作理论原理都仔细讲给你听，然后所有的电路图、元件位置图和元件参数、厂家、配件型号都给出来，常见的故障及分析判断方法也都一一列出。所以仪器我最喜欢玩的就是美国惠普/安捷伦/是徳、泰克、福禄克、吉时利这些，相比之下日本德国的仪器不仅性能指标和档次上比美国差一截，资料更是捂着盖着生怕你看明白了偷学技术，人家美国公司怎么就不怕别人偷学呢？所以美国仪器不容易坏，即使坏了也比较好修。

网上随便一搜便找到了3466A的维修手册：




这是维修手册上给出的整机功能框图，是基于双斜率积分结构的ADC：






HP 3466A是1975年设计的4位半台式万用表，测量最大计数为19999，有自动量程，也可以手动选择量程。测量电阻、交直流电压和电流的功能全都有，其中交流的电压和电流都是真有效值（True RMS），这在当时是很厉害的高科技。它也支持直流和交流混合波形的真有效值测量，这即使在今天也是高级表才有的功能。该表是便携式设计，体积重量较小，而且缺省配置包括充电电池（镍镉）和充放电控制电路，可以在没有交流电的现场使用。因为其定位是便携式普及型仪表，所以它的性能指标在当时也只能算中档，并不是惠普万用表里的高端产品。



先根据说明书里的爆炸图拆开看看结构和配件的完整性：





外壳上表面没有螺丝：







底面有4个螺丝：




底面上还贴有基本的使用说明：




把底面的4个螺丝拆掉，然后翻回上表面，即可把上机壳拆掉：




上壳有个铝合金配件，那是安装充电电池和充放电电路板的支架，3466A缺省都配有充电电池，本机原本就配有，但是这里显然已经没有电池了，应该是上家在维修过程中拆掉抛弃。毕竟，几十年前的电池即使还在也不可能是好的了。




上机壳上面还固定有一个排线，连接电池充放电电路板和主板用的。





拆掉上机壳后主要部分就出来了：




把手是很简单的塑料卡子结构：





正面面板，下面一排按钮，左边一组是功能选择，右面一组是量程选择，最右边的按钮是自动量程，左上角有个在指针万用表中必备而在数字万用表中极其罕见的电阻档调零电位器，原因是这个表为了便携性简化了一些设计，不支持四线卡尔文电阻测量方式，只有普通的两线测量模式，所以表笔和插座的电阻会被计入被测阻值，这对4位半的高精度表来说是不可忽略的影响。为了提高低电阻档的测量精度，它就设了一个逆天的调零电位器，用来在低阻档时测量前先归零，然后再测量就可以消除掉表笔和插座电阻的影响，简单直接但是廉价有效的解决方案：





从后向前看，里面的结构是这样的，整机主要由两块电路板组成，上面的是数字电路，下面的是模拟电路部分。整机的电路结构相当复杂，现在一颗牛屎就能解决的事儿那时候需要这么多元件和这么复杂的电路才能完成，当时的用料都是不计成本，电路板的铜箔全部镀金：







这是交流电源输入插座和变压器，变压器的体积不大，因为万用表的耗电很小：





这里是整流、滤波和稳压电路部分，电解电容都是现在已经基本见不到的引线位于两端的轴向结构的，美国斯普拉格公司（Sprague）生产。值得一提的是，这些几十年前生产的电解电容都没有漏液和容量下降的问题，现在仍然完全正常工作。而稳压用的几个集成电路和晶体管都是草帽形金属封装的，当年价格不菲，现在更是难以寻觅，希望它们没坏：




这个方向可以看到一些双列直插的集成电路，有塑料封装的普通级别的，也有高级的陶瓷封装镀金引脚的，这些集成电路大部分都是惠普自制和向摩托罗拉、国家半导体等公司外包定制专用集成电路：





这个角度更容易看清上层的数字电路板，上面有很多集成电路芯片。数字电路板和前面板上的显示电路板是用插排焊接成一体的，所以要拆掉数字电路板需要拆掉连同显示板一起拆掉，显示电路板上有一颗螺丝，数字板上有3颗螺丝，需要同时都拆掉：







数字电路板和下面的模拟电路板是用插排连接的，要拆下数字板需要把插排拔下，但是数字板和显示板是一体的，卡在前面板上，强行通过移动电路板的方法拔插排容易损坏部件，所以惠普在这里又专门有一个非常特殊的设计——那个插排并非一端焊接一端插接，而是两块电路板上都焊有插孔排，连接用的插排本身是可以完全拔除的一排插针，这样不用动电路板就可以把插排拔开（如下图所示），也就不会损坏电路板的，这些细节设计考虑太周到了，真不知道惠普的工程师是怎么培养出来的。这些插针都是货真价实的镀金结构，几十年过去了仍然金光闪闪：







拔掉插排，数字电路板就可以轻松取下了：








这就是取下的数字电路板，和显示电路板是焊接成一体的：











这是显示电路板的前面：





显示电路板上有前面提到的很罕见的电阻档调零电位器：




而这个电位器的结构也很特殊，后面有3颗大钢珠，转动非常顺滑但是定位又很果断，从来没见过这种结构的电位器：








数字板上的一些细节，这是体积硕大的晶振，是非常低的200kHz振荡频率：





这是数字板上的芯片，中间那颗贴着标签的陶瓷封装镀金引脚的就是主控芯片，但是这个主控并不是CPU或者单片机，而是现在看起来很简单的组合数字逻辑芯片，它的主要作用是担任双积分型ADC数模转换电路中的计数器，以及把计数器的二进制数字转换成字段码以动态扫描的方式显示在LED数码管上，这在上世纪70年代中叶算是主流的技术了，那时候CPU芯片还不是主流：





数字板的背面，这就是前面提到的那些插排和上面可拔除的长插针：





数字板拆掉以后，模拟板就看得很清楚了，有一大块厚厚的屏蔽板，上面开了很多洞洞用于校正调节：




这个方向看前面板：




现在要把1mm多厚的屏蔽板拆掉才能看到模拟电路板的关键部分：




屏蔽板上有两个螺丝，还有一个塑料的固定桩，都需要拆掉：




屏蔽板拆下来了：






拆掉屏蔽板之后模拟电路板就能完全看清了：






模拟电路板的前半部分是一大排功能和量程选择开关：





十几个选择开关的引脚和接触片全部都是镀金的，而镀层相当厚，几十年过去了，现在仍然闪闪发光，没有任何氧化变色的现象。“真金不怕火炼”这句话不是骗人的，只要你用的是真的黄金，那真的是永不生锈：





现在看看模拟板上的一些细节，可变电阻都是特制的密闭型的，追求稳定性：





这是信号输入部分，用的都是多引脚草帽形金属封装的运放集成电路和密封的可变电阻，电阻当然基本都是5环的金属膜电阻，还有红色的高精密电阻：





这里有一块陶瓷封装的芯片，高端产品的象征，这块金灿灿的芯片是美国亚德诺ADI半导体公司生产的，其功能是对交流信号进行真有效值（True RMS）的转换，真有效值是交流信号一个很重要的特征量，它是与一个交流电做功相等的对应直流电的电压值。测量真有效值很难，所以普通低端表一般交流档测量的都是平均值而不是有效值。平均值在非正弦波的交流电信号上与真有效值会有很大的差别，测量变频器等设备的时候使用平均值的表会导致严重误导，所以现在很多万用表都专门把“真有效值”作为一个关键的卖点。今天的技术测量交流电有效值比较容易了，因为可以通过对波形进行高速抽样AD转换的方式进行数字处理计算出有效值，但是40多年前设计这个万用表的时候对高频波形数字化抽样是不可能完成的任务，因此惠普使用了ADI公司的特殊的真有效值转换模拟电路芯片，芯片里集成了复杂的电路，用模拟计算的方式实现高精度的交流有效值到直流电压的转换，然后把对应交流有效值的直流电压送到ADC模数转换器变成数字显示出来。这种方式的结构复杂、成本很高，但是在70年代这是唯一可行的取得交流信号有效值的方式。这个芯片上印的是ADI和惠普内部代号，所以不清楚是否是公开销售的产品，根据其功能和封装分析，它可能是AD536的原型：







这个金属封装集成电路的旁边有一个空气介质的可变电容，用空气可变电容也是为了稳定性，玩过矿石和晶体管收音机的都知道：



这里还有一个空气介质的可变电容和两个多圈可变电阻：




这颗陶瓷封装镀金引脚的大芯片是惠普自产的专用芯片，功能是对交直流和电阻测量的各种输入信号进行切换和转换：




大芯片旁边有一颗精度0.1%的精密电阻：






模拟电路板上最引人注目的是这个大芯片，它的引脚连接件全是大面积镀金的，而且比其他镀金的芯片引脚明显更闪亮，但是照片里看不出那种亮瞎氪合金眼的真实效果：




换个角度看看，这其实不是一个芯片，而是一个惠普的专用模块，体积很大，以至于是用螺丝安装在电路板上的。这个专用模块的作用是积分器和信号切换混合电路：






这里有个电阻是跨越式安装，很奇怪：





而这里有几根飞线啊：









莫非惠普也有设计错误导致后期不得已的电路改动用飞线来的？当然不是啦！你怎么知道不是？因为这些飞线就在设计图上，不是改动才加的，看原版设计图，每根飞线都是预先设计，甚至还规定好了飞线的颜色：





到这里就基本拆得差不多了，整机的电路结构已经了解，拆解过程中发现除了充电电池和充放电电路之外没有发现缺失的零部件，也没有发现电路板有拆焊过的痕迹，所以应该没有人为的损坏，是个好兆头。下面就把电路板重新连接起来然后一步步开始故障分析和修理。

惠普原厂的维修服务手册上有很详细的故障排查方法，根据手册的指导，无显示的故障通常是由数字处理部分的问题造成的，手册建议先查主控芯片U902的供电和时钟信号。量了主控芯片4脚的供电电压，+7V正常：




然后上示波器看时钟发生电路，探头接在晶振的一脚：




200kHz的时钟振荡波形正常：




把探头接在主控芯片周围其他的信号上，也都正常，比如这个双斜率积分ADC的充电开关信号：




每0.2秒进行一次采样充电，波形正常：




主控的供电和各处波形都正常，为什么还是没有任何显示呢？维修手册上没有这种情况的说明，只好自己对电路图分析查找故障点了。

它的ADC模数转换电路的结构是这样的，是一个典型的双斜率积分模数转换电路，但是由于受当时技术条件的限制不是用一个单片的ADC芯片来实现的，而是用了很多中小规模的集成电路组合而成。这个图上我发现了一处错误，图中的÷2和÷10功能框应该对换才是正确的。被测量的电压对积分电容充电，经过固定时间的充电之后电容上获得与被测信号电压大小成正比的电荷，然后电容开始以固定的速率放电，此时主控芯片U902开始计数，它的时钟是200kHz晶振经过2分频然后再10分频的信号，也就是10kHz，积分电容放电到电压为0时比较器输出一个信号终止计数，计数电路计得的始终脉冲数量就和积分电容中的电荷成正比，也就是和被测信号的强度成正比，这就把被测的模拟信号大小变成数字了，主控U902把计数器中的累计脉冲数字转换成7段数码管的字段显示信号，送到LED数码管进行显示。这里惠普有一个非常奇葩的设计：可能是受当时半导体工艺所限，主控芯片只对模数转换的前4位数字进行计数，最大计数1999，而最后一位个位数的计数则是由另一些专门的电路完成的，由好几块芯片组成，这部分个位计数电路的时钟是200kHz晶振经过2分频得到的，也就是100kHz，比主控芯片的时钟快10倍，所以它的计数也快10倍，而它只保留一位10进制有效数字，最大计数为9，所以也就是只负责对比主控芯片计数低10倍的个位数进行计数，最后主控得到的前4位数和专门电路得到的个位数分别送到各自的数码管完成组合显示才得到完整的测量数字，可以想象以70年代中期原始的半导体技术做一个高精度的数字仪表是难度多大的一件事情：




根据前面的电路分析，这个万用表的前4位和最低位数字显示是完全分开的不同电路，两路结构完全不同的独立电路同时出相同问题的可能性极小，所以完全没有任何一个数字显示肯定是两路电路共用的部分发生异常。查看电路图，很容易就发现两路数字显示电路的共用部分：该机的显示电路如下图所示，LED数码管都是共阳管，两路显示的字段驱动经过反相器直接接LED的负极字段脚，而正极的片/位寻址是显示控制电路通过外接的几个三极管Q900、Q902、Q904和Q906完成的，这几个PNP型位寻址三极管的发射极接在+6.3V的显示电源上：




局部放大后可以更清楚地看到数码管位寻址的4个三极管，发射极都接在V_DISP显示电源上，这是两路独立的显示电路的共同部分。这个显示电源标称电压是6.3V，惠普给出的可接受的电压范围是5.6 - 7.2V：




所以LED数码管要显示，这些位寻址驱动PNP三极管的发射极必须有6.3V左右的电压，否则数码管的阳极没有驱动电压就全部都不能显示。那么我们就要测一下这几个驱动三极管的电压，看看是否正常。就是下图里面并排的这几个塑封三极管，最左边的引脚就是发射极：



测量发现这几个三极管的发射极都是0.6V，离正常的6.3V相去甚远，肯定不对。

在电源电路板上查找驱动三极管的显示电源的来源，应该是三极管Q702的发射极：



就是下图中左边那个三极管，测量发现它上面的电压正常，有6.3V的电压输出，说明这个三极管和它之前的电路都没有故障：




那么肯定是Q702和位选址驱动管之间出了问题，导致显示电源的电压没有送到驱动管。

再仔细看电源电路图，发现问题了：电源电路图的下半部分（A3电路板）是充电电池和充放电电路，驱动三极管的显示电压实际是来自电池正极的电压，机器工作时变压器来的电流会通过充电电路给充电电池充电，而充电电池正极连接到显示驱动三极管给显示提供电源。但是现在该机的电池和充放电电路板都被拆掉了，所以通过充放电电路和电池给显示器提供电源的通路也就没有了，显示器驱动三极管无法得到驱动电源当然也就没有显示了。所以现在需要找一套充放电电路和电池安装回来恢复这路供电给显示电路，但是几十年前的机器到哪里去找这个配件？不过转念一想，不要充放电电路直接给显示电路供电也可以吧。再仔细一看电路图，哈哈，原来其实惠普设计时就已经想到过这一点，而且这个型号的万用表有一个阉割版的没有充电电池的低配选项，所以惠普在电路里已经设计了把充放电电路绕开的措施，就是下图中我圈起来的部分，那里有一个跳线JM700，并且有几行小字说明没有电池的纯交流版的情况需要把跳线接通：




对应查找电路板，果然发现了JM700的位置，就是箭头所指的那两个空着的焊点：




放大下看得更清楚，那两个焊点就是预留的JM700的位置，接通这两点就可以绕开充放电电路，把变压器整流滤波来的直流电直接送到显示驱动电路：




那么修好这个显示电压缺失的问题就简单了，直接在这两个焊点上焊一条飞线就行！飞线焊好了：



再开机，果然有显示了，阳极驱动三极管的发射极也都有了6.3V的正常显示电压！

但是发现显示不正常，开机显示8003，然后显示OL：




还有一点问题…… 不过这个问题很快就找到并解决了，原来还是一个跳线！数字板上有一条跳线，就是下图这个，它右边有两个接线柱可以接，接在远端的话就是进入维修自检模式，不是正常工作，原机主在尝试维修的过程中已经把跳线接到维修自检模式了：




要改正它，返回正常测量模式，只需要把跳线接到左边那个接线柱上：




这样就恢复正常工作状态了，简单！


顺便把功能选择开关都喷点WD40神油，毕竟几十年了，神油清理下污物润滑下触点包治百病：




最后把机器组装好，这时就可以体会到前面提到的插排的设计精心之处了：把插针拔出，电路板就很容易就位，定位之后把插针压下去，就完成连接，非常轻松，如果不是这种设计而是焊接的插排的话，安装电路板的同时还要对齐插排将是一件非常困难的事情，很容易弄弯插排损坏器件：





组装好机器重新测试，所有功能都正常了！

下面测试一下精度，做一些校对调整。精度测试就用某宝上买的AD584标准电压源，很多网友都有这个。AD584比较便宜，可以提供4种不同的标准电压，方便对表的线性进行考察，而它的精度和稳定性对于这个4位半的表也够了：




AD584的板子买来的时候附带了一个标定测试数据，是店主用惠普/安捷伦34401型6位半万用表测的，精度比这个3466A高两个数量级，其标定数据用来校准3466A是足够足够的：




先测10V电压（标定精确值为10.0023V），实际读数10.002V：




再测7.5V（标定精确值7.5012V），实际读数7.501V：




这是5V（标定精确值5.0019V）测试，实际读数5.002V:




最后是2.5V（标定精确值2.5003V），读数2.500V：




比较一下这4组标准电压6位半表的标定精确值和这个4位半表的实际读数，它们的误差是几个字？哇靠，全部四组标准电压任何一组一个字都不差！！！对于40多年前的古代原始技术生产的这台万用表，我只能说一个字“服！”，没别的可说的了，本来打算用AD584来校对这个表的，结果是没有任何需要校对的地方，各组电压都一字不差，精度和线性都无可挑剔，你还能不服吗？

10V测试留在那里一天一夜来看数字仍然是10.002V，一个字都没有变，这一天一夜期间也持续观察多次，偶尔看到了几个10.001V的数字，也就是一天内大约10度的温差有小于最低位数字一个字(<0.005%)的温漂误差，够不够好你说呢？

最后再测几个标准电阻。

标称200欧，误差0.005%的精密线绕电阻，实际读数200.7：








标称18.999欧的，实际读数18.963：





貌似电阻档的测量误差大一些，但是看过前面电压档的校对情况，我宁肯相信这几个标准电阻已经有偏差不准了，而不是表的误差。您说呢？


总结一下，这个万用表虽然是40多年以前的原始技术，集成度很低，用了大量的芯片组合成简单的双积分模数转换电路，电路原理和结构上没有什么特殊花样，但是其精度和稳定性却完全超出预期，几十年过去测量数字一字不差的确非常出乎意料之外。这个表显示清晰，精度高，特别耐操，现在已经成为我工作台上的固定主力表，除了必须用交流电源不便移动之外，它几乎没有缺点。特别是LED显示器用起来不心疼——惠普的台表有三种显示器：LED、LCD和VFD，LED发光二极管数码管是最平淡的技术，看起来一点也不炫，但是却是最耐用的，几乎永远用不坏，即使坏了LED数码管也很容易用新品替换；而LCD液晶是80年代开始采用的新技术，当时很科幻的，但是液晶显示不发光，而且有观测角度的限制，在光线不好和角度不合适的情况很难看清，另外液晶和上面的偏光膜年久会老化和漏液，一旦老化漏液将无法修复，而且也找不到替代元件来更换，因为液晶都是定制的，老产品的定制配件早就停产了；而VFD真空荧光显示器看起来最炫最最漂亮，但是其荧光粉年久会烧伤老化，显示效果变差，而且作为定制产品一旦损坏也将无法找到配件替换。所以对于老古董来说，LED数码管显示器是最耐操，用起来最不心疼的，每天24小时开着也不用担心用坏，万一用坏了也很容易修。


最后分析猜测一下原机主那里发生了什么：由于年代久远，这个表的充电电池失效，导致电压很低，因为显示驱动电路的电源来自于电池，所以会产生无显示故障。机主可能意识到了充电电池的问题，于是把电池和充放电电路拆掉，但是他没想到拆掉充放电电路以后，显示电路的供电将被完全切断，要想恢复显示，需要在主板上飞一条线把掉充放电电路旁路掉。但是这条飞线虽然明确写在该万用表的维修手册里并印在电路板上，一般人还是很容易错过而找不到故障根源。这个故事告诉我们，仔细阅读手册是维修最重要的基础啊，同学们！

snow2sun

想不出来这玩意除了进博物馆外还有啥用处

yyjs19910810

好漂亮的机器。

howinson

表太漂亮了
能者不难

xxwwmm2017

高手就是高手

ghostxp999

厉害哦这样就可以了。

zxy19860817

楼主技术厉害，我们是看着都头晕。

hongo

halleyjb 发表于 2024-1-11 10:51
怎么有维修手册的？

从网上下载的。

halleyjb

怎么有维修手册的？

z31com_1

好机子，好机子，好机子，

oldeagle

有手册就是好

qf20089

大神级别的跳线，厉害！

tang0571

老板赚大了，老物件真漂亮

cba828282

用料真足，平时用不上这么高精度

hyxhhh826

好东西啊   楼主技术刚刚的  佩服

YAORONGBAOBAO

这表用料真扎实，现在很少见这种了。

qigong

这个很牛！赞！

iMetr

做工真是漂亮啊

chinayake

这做工太牛逼了

cong576

强迫症看到你这跳线渣焊功没法忍了，