ROHDE & SCHWARZ ESH3测试接收机重建/维修

文号910665

22438

西葫芦2022/11/19原创仪器仪表，拆机鉴赏，文献情报博物馆 IP:山东

本帖在拆机栏目还有一篇对应的整机拆解，这里只是维修过程的描述。

III. 维修

3.1 概述

大多数ham应该都认同ESH3是一台设计漂亮的接收机，同时ESH3也具备比较优良的技术指标，但这并不代表它同样具有良好的可靠性和可维护性设计。本次维修的ESH3经历了若干次大修和不间断的小修后，暂时达到了一个比较稳定的阶段，因此在这个时候写下这篇文章记录目前经历过的维修过程。维修过程基本上按时间顺序排列。

3.2 早期检查

这台ESH3是2021年2月左右购买的，实际上在大约5年前卖家就开始出售这个东西了，但价格一直非常贵，直到价格逐步降低到了我的预期范围。在卖家手里的5年时间里，这台接收机一直都在开机后出现“ERROR 5”的报错。在我最初收到以后也是相同的故障，因此先检查这个问题。

接收机开机后，立即执行上电自校准，除了能听到一声继电器切换的声音之外，接收机没有其它反应，大约十几秒之后显示”ERROR 05”，此时按任意键可以进入工作模式，接收机对外部射频信号输入没有响应。查询手册得知这个错误是在执行自校准时测不到校准信号，在等待一段时间后报错。在这种情况下把工作模式设定到”TWO PORT”，在前面板上的GEN端口可以测到跟踪输出，幅度约-20.97dbm，频率与接收机设定的一样，这大体上可以说明接收机内部的本振以及校准信号源的一部分工作正常。

现在检查信号输入路径，射频信号在进入接收机后首先经过一个切换开关，这个开关选择输入信号或校准信号进入下一级。在开关之后是步进衰减器，衰减器有三个端口，其中一个端口是用于输入脉冲校准信号的，这里暂时不需要了解它的意义。在经过衰减器后则是接收机的射频转换部分，比如预选器，混频器等。断开衰减器的射频输出口，直接把信号送入预选器模块可以发现接收机能够测量到信号幅度，大致上是准确的。进一步测量了步进衰减器和输入切换开关后，确认衰减器内部有问题，即便是调节到0db，也近似开路，因此拆下衰减器进行检查。

这是拆下的衰减器组件，其中一个角可以看到水渍。

拆开衰减器后更可以确定曾经进过水，可能是被雨淋过，许多触点上都有白色的水渍导致接触不良，清洁触点后装回，接收机可以继续执行校准，但出现了新的报错。

现在，长按CAL键执行全部校准，可能在校准执行过程中任意阶段报错退出，并提示“ERROR 07”,但也有小概率可以通过校准，正常工作。”ERROR 07”代表在任意一步校准过程中，实测值与参考值偏差超过6db，因此报错退出校准程序。

在我试图搞清楚校准报错的原因时，又出现了新故障：通电一段时间后，前面板功能失控，似乎可以看到有一些按键被按下，接收机的设置改变，又或者显示混乱，死机，自动重启等现象。关机冷却一段时间可以恢复，在确认电源输出电压正常后，我决定拆下CPU板检查一下。

拆卸CPU板十分困难，并且我低估了这种难度。当时ESH3是放在床头上听收音机的，顺手就在床边拆了，拆解过程十分混乱。比如CPU板和前面板在各个方向上都有电缆互联，要把这两样分开是非常恼人的。

要拆下CPU板，在机器两侧都有许多电缆要拔掉，两侧也相当混乱。

比起糟糕的结构设计，第一眼看到CPU板状态的时候就更加令人作呕了：可以看到CPU板原有的电池已经泄露，板子经过重度维修，上面换了一颗替代的电池。

拆下CPU板后可以更清楚的看到这场镍镉电池泄露造成的灾难。

可以看到许多走线被腐蚀，过孔可能开路，因此有人做了大量飞线工作补救。

发生腐蚀的中心区域。

因为怀疑是残留的结晶物导致短路，稍后我把这块板子在弱酸性溶液里洗了一下，刷掉了肉眼可见的大部分腐蚀残留物，烘干后装机测试，接收机可以开机，暂时不出现死机问题了。当然，好景不长，用了一段时间后，某一天它完全不启动了。

到这个时候已经是五月了，我没有心情再继续修复这块恶心的CPU板，基本上决定需要抄板重做，也就是完全复制一块相同的新板子，这是我过去没有做过的事情，不确定有多少把握，在咨询过几家商业的抄板公司后，得到了1-6千元的报价，并且都不保证一次抄对，看来也只好自己做了。

抄板大致上是以下流程：

1.拆除所有器件

2.清理PCB，通孔，打磨阻焊层

3.逐层扫描线路/打磨（双面板不需要）

5.描图生成PCB文件

6.样品试做

3.3 CPU板抄板/重建

ESH3的CPU板是双面板，因此估计抄板难度不大，可以尝试自行抄板。于是在6月份开始了抄板的工作。

抄板的第一步是拆掉所有器件，以便后续的线路扫描工作。

这块板子并不是容易拆的，所有器件引脚都折脚，起初还是用手动吸锡器一个一个脚的拆，随后感觉速度太慢，单独用烙铁把引脚掰直后在热风加热下直接拔掉IC。

拆下的器件都编号装好，并且及时测出器件的数值，万一遗失也可以找替代品。

这是拆掉所有器件的板子：

拆空器件的板子在BGA返修台上加热，然后磕掉插件孔中的焊锡完成通孔工作。

随后是打磨阻焊层和扫描正反面线路，但由于是初次抄板，担心打磨阻焊的时候损伤线路，因此第一次扫描并未进行打磨。由于板子过长，这次扫描是在普通的A3复印机上进行的，可以看到扫描的图像对比度很差，实际抄板过程中有些区域看不清导致抄错。

至于抄板的过程，大体上与描红是相同的，纯体力劳动，见如下视频（描线路）：

z1.mp4 点击下载 ‎

当大部分区域抄完后，由于电池腐蚀区域颜色深，难以看清，因此决定打磨PCB第二次扫描图像，这是打磨过程中：

由于仍旧无法找到合适的A3扫描仪，因此这次使用数码相机拍摄图像，然后在PS中把拍摄的图像与先前的扫描图对齐，修正几何失真，完全可用。这次可以看到线路与基板的对比清晰且强烈。

这是抄板完成后进行的叠加检查，红色是从PCB文件中导出的线路层，叠加到PCB扫描图上找错误。

抄板工作到这里基本告一段落，在打样前总共找出了7处抄板错误，但仍旧不是全部错误（这是后话了），现在PCB可以打样加工了。

3.4 CPU板故障排除

很快，我收到了“新”CPU板，在复原CPU板的过程中遇到了许多问题，包括器件损坏和人为失误，这里逐个描述这些问题的检查方式。

焊接新板子.

毫无意外地，CPU板第一次通电并没有运行（当然庆幸的是也没有冒烟）。首先做一些简单测量，CPU的晶振已经开始震荡，复位信号释放了，但某些数据总线上看起来不太正常，似乎存在电平冲突或者亚稳态问题。

首先怀疑抄板问题，PCB已经自动生成网表，可以交互式的高亮查看走线，因此给检查提供了很大的便利。逐个查看数据总线的走向，发现其中一根与其它数据线走向以及连接的IC数量有明显区别，在实物对比图上逐个查找该总线经过的节点。

在这条总线上找到了一个抄错的点，同时在这个区域附近仔细搜索，又找到了另外两个错误（大概是抄这一片的时候有点困），更正后总线连接看起来没有明显的异常了。

再次通电测试，CPU板仍旧不运行，因此需要做一点“技术性”的分析了。经过测量，所有ROM芯片上都没有片选信号，也就是没有任意一片ROM被选中，CPU自然不可能执行其中的固件了。由于可以交互式的查看PCB图，逆推原理图就十分轻松了，这里逆推一小部分有关地址译码部分的原理用以了解ROM的片选是如何产生的。

从图上可以看到CPU的几根高地址线用作ROM地址译码输入，首先经过了一个74LS157选择地址线的范围，这似乎是选择ROM容量用的。经过测量74LS157的输入信号存在跳变，但输出没有变化，且输出电平在1V左右，这颗IC位于电池腐蚀区域的正中心，已经损坏了。

更换74LS157后，我们得到了第一个启动界面！呃，背景可以看到，ESH3现在还在床头上，板子则直接放在床上测试。稍后就需要搬到工作台上正式开始维修了。

显然不能高兴得太早，虽然已经出现了启动界面，但接收机的CPU状态看起来并不稳定。通常启动界面只持续1秒，随后开始自校准，如果自校准失败，则按任意键进入工作模式，此时接收机持续刷新测量到的幅度值。而现在的情况是，在通过启动界面后，在自校准状态停留的时间从十几秒到几分钟都有可能，一旦跳过自校准后，接收机开始显示幅度值，但每次刷新的间隔时间不固定，可能是1秒一次，也可能是几秒，也可能是十几秒或者更长时间，在刷新停止期间接收机也不响应键盘操作，但不会出现死机或者复位现象。这让人感觉CPU似乎十分忙碌，无法应对操作请求，那么CPU在忙什么呢？经过测量CPU的几个中断输入，发现nINTR上有连续跳变的脉冲，这导致CPU频繁被中断，没有时间处理其它任务。那么继续追踪nINTR的来源发现它来自一个74LS148编码器的EO端，而一些中断源则连接到了编码器的输入端，通过74LS148实现了对多个中断源做出不同的响应优先级。检查74LS148的各个输入端，发现其中一个输入的电平在1.2V左右，这刚好在逻辑翻转的阈值上，这个电压导致中断输出端产生了大量的干扰脉冲，占用CPU时间。

检查这一路信号的来源，发现它来自GPIB控制器P8291A，实际上GPIB总线是空闲的，没有发出请求，在GPIB控制器IC插座上测量的时候，意外的发现如果用示波器探针顶住插座的孔，CPU就工作正常了。仔细检查发现本次购买物料比较随意，圆孔插座没有注意品牌而买到了质量不好的插座，插孔中的簧片松散导致IC引脚十分精确的悬浮在插孔的正中央而没有与簧片接触——这路中断信号是悬空的！另外检查也发现这路信号没有设计上拉电阻，我另外在IC上面补了一颗上拉电阻，提高稳定性。但已经有许多IC插座都安装上了，这些插座后面还会继续造成麻烦。

到目前为止，CPU的基础工作应该已经正常了，现在可以正确的响应键盘操作，可以进行控制信号检查了。首先跟随手册做一些主板自身的基础调整，其中一项是校准主板上的A/D转换器部分。在主板上进行ADC基准电压调整，S/H零点调整，通过。进行ADC增益调整时，发现ADC增益低且调整无作用，检查PCB抄板图，发现增益调整电位器未连接。连接后调整正确，调整至手册要求范围内。

现在，按下CAL按钮执行校准仍报错ERR 05。测试各个功能发现手动设定RF衰减值时，衰减器不动作。RF ATT和IF ATT设定值均通过B36 74LS273输出到ST5上。该组信号连接到背板的BU10上并送入衰减器控制板。在调整RF/IF衰减值时，可观察到B36 pin11上有锁存脉冲。下图显示锁存信号和CPU数据总线（高电平）。

下图显示锁存信号和锁存器输出（固定在低电平）。

进一步测试锁存器，在B36 pin11上升沿时，锁存器无法将D端数据传输到Q端。B36的Q端在上电后随机保持低或高电平，不发生变化。使用热风枪吹热B36，衰减器控制起作用。确认B36损坏，更换B36后衰减器控制恢复。

3.5 对数放大器故障排除

当衰减器恢复工作后，校准问题恢复到先前状态，即CAL-CHECK可通过，CAL-TOTAL报错ERR 07。自校准有许多步骤，若要确认出问题的校准项，有一个简单的方法：把接收机的GPIB拨到Talk-only模式，并监听GPIB总线上发送的数据，在校准执行时接收机会持续向外发送每一档的修正系数，当发生错误时退出校准程序，也就不再发送了，通过数据可以判断在哪一步停下。当然我并没有这种条件，所以还有土办法：当长按校准按钮，显示CAL-TOTAL后，松手的前2秒钟，接收机会校准每一档中频带宽的增益，每个对数放大器（动态范围）的增益以及每个检波器的增益。随后衰减器开始发出有规律的声音，接收机校准每一档的衰减量，再往后就可以看到频率显示从最低逐渐增高，接收机校准频率响应和跟踪预选器。校准过程所有设置的变化均体现在前面板的显示和指示灯变化上，完全可以录视频并且慢放来找到是在哪一步导致校准退出。

通过视频判断，接收机在走到60db动态范围的校准时退出，表明对数放大部分可能有问题，该区域对应的是“INDICATION & AF DEMODULATION“ 单元。根据手册要求，对该单元技术指标进行检验，得到如下结果：

a. B14线性：合格，已调整

b. B15线性：合格，已调整

c. lin 20db ：超差

d. CISPR ：合格，接近超差，已调整

e. log 40db ：超差，已调整

f. log 60db ：超差，已调整

尽管上述测试项目有多项超差，但只有60db动态范围偏离较多，20和40db动态范围基本上还在仪器可以允许的范围之内（性能校验比仪器内的限值更严格）。由于偏离限值不多，直接按手册要求调整”IND & AF DEMOD“单元，调整时发现某些电位器接触不太好，调节时有跳动现象，但当时完成校准并通过该模块的性能校验。校准后接收机可通过全部自校准。

3.6 调谐旋钮/频率显示故障排除

在之前的所有测试中，我甚至没有用到调谐旋钮，频率都是键盘输入的，于是到了这时候才发现调谐旋钮并不起作用。于是再次从PCB图上逆推调谐旋钮部分的电路。调谐旋钮是磁铁和霍尔感应结构的，在CPU允许的时候，转动旋钮可以产生CPU的RST5.5中断，同时旋钮产生的脉冲送入升/降计数器，CPU可以通过一个锁存器读入旋钮产生的脉冲数。

这是升/降计数器和锁存器部分，经过测试转动旋钮，每当RST5.5中断产生时CPU就会通过B66 74LS373读取计数器的值，升/降计数器一侧数据有跳变，但CPU总线一侧全部为0，这个问题与前面的衰减器控制相似，也是锁存器不良。

出现如此多的锁存器不良问题大致上是因为许多锁存器是旧板子上拆下来的，而且是用热风加热拆下来的，这些“老年”集成电路已经很脆弱了。然而让一个人吸取教训是困难的。为了偷懒不拆CPU板，我把B66附近用锡纸盖住，再次用热风把B66从正面直接拆下来更换，更换后调谐旋钮恢复。但频率显示出了问题，其中一位数码管并不按照0 … 9的顺序增加，还会出现A … F的显示。这是一种内置BCD译码器的数码管，简单的测量证明数码管的输入数据出错，顺藤摸瓜找到了有关频率控制部分的输出锁存器，是74LS273，就距离B66不远，受到拆卸B66的热量影响也损坏了，现在不能再容忍这种损坏继续扩大，于是马上安排了新装备：买了一套电动吸锡器。

不能偷懒！拆下CPU板，从背面解焊IC并更换新的，现在数码管显示恢复正常。

3.7 电源维护和线束更换

在先前的检查过程中需要频繁开关机，发现电源偶尔不能启动。这类仪器内部的胶木外壳ROE电解电容通常都很容易坏，于是决定更换电源模块内的电容。测试了一些从电源模块拆下来的电容，大多数还堪用，也有的损耗值已经相当高了。

所有有ROE电解电容都用长寿命，高频低ESR型的电解电容替换。更换电容后没有再出现电源启动不良的问题（下图靠近右上角区域的一颗电容装反了，不要以这张图做参考）。

顺便一提，由于电源是被动散热的，为改善传热路径，功率晶体管的硅胶绝缘片也需要更换，最好用陶瓷片，这一点在EZM的维修中提到过，可以参考先前的文章。

从我拆开ESH3的那一刻开始，接收机里繁杂的线束就令人十分恼火。

ESH3大量使用这种DIP式的插头，与IDC插头相比，这种插头的针脚很容易折断，插拔次数多了以后容易接触不良，由于这台接收机先前已经被维修过很多次了，许多插头已经到了岌岌可危的状态，另外维修中一些线束需要延长，于是决定重做线束。

分析原机线束上传输的信号之后，确认这些信号只是一些静态的控制信号，没有高速信号，并且原设计非常随意，甚至有的插头中全部都是控制信号，没有GND线。因此可以不用排线，换成其它更紧凑的线缆，这类DIP插头也要淘汰。于是替换方案是制作了一些转接板，转换成PHD2.0连接器，这种插头在插拔的时候就要方便得多了。

为了减小线束的体积，最终使用比较细的特氟龙高温线制作的。

更换后的线束，紧凑，整洁，便于维护。未造成干扰或者性能下降。

3.8 回顾和新故障

到目前为止，ESH3的故障排除完毕。所以接收机完全组装回去。

还有一段接收68.5KHz BPM长波授时台的视频：

z2.mp4 点击下载 ‎

现在是2021年10月的第一天，是时候享受黄金周假期了。当然在维修过程中层出不穷的故障让我相信不会这么容易就修好了，所以接下来的一段时间里，要做的事情就是“积攒故障”，积累足够多的问题然后再集中处理一次。新的问题按如下顺序逐渐出现：

2021年，11月：自校准再次出现问题，看起来仍就像是对数检波器增益问题，接收机操作正常，不影响基本使用。

2021年，12月：随着放接收机的房间气温降低，现在开机后有一个本振似乎在漂移，开机后出现ERROR 05报错，通电半个小时以上可以恢复工作。

2022年，3月：ERROR 05报错，对外部输入信号几乎无反应，反复切换RF衰减可以改善。是时候再次开始维修了。

3.9 本振漂移故障排除

在天冷之后，接收机开机并不能立即工作，内部的某一级本振似乎并不在正常的频率上，但没有失锁报错，具体现象如下：

1.上电自校准报错ERROR 05.

2.断开输入信号。设定为A1(CW)解调，随着接收机预热，可以听见一个从低到高逐渐变化的音调，频率显示器上方的调谐指示器也会从一端移动到另一端，在这个过程中过载指示灯点亮，代表某一级混频器有强输入信号，已经过载。

3.调谐到一个AM广播频率，随着调谐指示器逐渐回到中央，广播信号逐渐出现，但声音伴随着抖动，继续通电，故障最终消失。

我并没有很多兴趣去检查到底是哪一级本振不良，我记得看过电路图，猜测是第三本振可能不太好（第三本振的环路滤波器里面有ROE电解电容）。所以打算更换机内剩余的电解电容，如果问题没有改善再仔细检查。于是这次拆开所有模块，拍照记录并更换全部电解电容。

非常幸运的是更换电解电容后故障立即排除，所以故障点也就无从得知了。

3.10 对数放大器第二次维修

这次的故障和上次看起来没有区别，经测量对数放大器增益仍旧是60db稍微超差，调节的时候感觉电位器不太稳定，于是在调好后轻轻敲击电位器外壳，果然放大器增益出现了明显变化，并且超出了限值范围，电位器需要更换。很难理解在那个时期R&S公司的物料采购是如何管理的。在”IND & AF DEMOD”单元内居然有三种不同品牌的电位器，外壳的颜色也不同。蓝色的是BOURNS的，这种电位器质量最好，调节稳定，阻尼均匀。而黄色和白色的则要差得多，调节时松旷，跳动，内部接触不良。