購入したOPA177を暫定的に挿していたLM307Hに代えて差し込んで動作を確認。



安定して-12.00Vが出ている。

この精度と安定度がデジタルマルチメーターの基本性能を決定する。

これであと残すはOHM'S CURRENT SOURCEの修理のみ。

故障しているOHM'S CURRENT SOURCEのU204を仮にOPA177に換装してみた。



OPA177のピン1,8はオフセットトリマー抵抗接続端子なので、LM308AH用の周波数補償コンデンサがつながらないようにピンを曲げてオープンにしてある。

これで電源を入れて、入出力ピンの電圧を測定してみるとサービスマニュアルに記載されているものとほぼ一致するようになった。

とりあえずこれは診断が当たった。

セルフテストをしてみると相変わらず#10で止まる。

実際に抵抗値を測定してみると、100Ω、1kΩ、10kΩのレンジについては値が実際よりも低く表示されるもののそれなりのスケールで抵抗値が表示される。これは測定電流が本来1mA流れるべきものが0.72mAしか流れていないためである。この状態での各部の電圧を測定すると以下の通り。



ゲートバイアスアンプU203のボルテージフォロワー動作がおかしい。本来は非反転入力と出力電圧が等しくなるべきだが-2V以上もオフセットがある。

JFET Q201のゲートとソースの電圧関係もおかしい。U202bの出力はハイインピーダンスなのでゲートバイアスアンプの出力電圧がそのまま出てくるはずがソースとほぼ同じになっている。ドレインとソースの電圧差もON時にしては大きすぎる。故障くさい。

今度は測定値がほとんど0Ωになってしまう100kΩレンジ以上の場合。まず100k、1GΩレンジでの各部の電圧を測定してみた。



100k,1MΩレンジではHA2信号がアサートされている点が100,1k,10kΩレンジと異なる。

まずゲートバイアスアンプU203の非反転入力電圧が-17V以上と電源電圧-15Vを超えてしまっている。原因はQ201のゲートの電圧がそのままソースに出て来てしまっているためと予想される。回路上はそれ以外に-15Vよりも大きな負の電圧源は無いからである。とするとQ201のゲートとソースは内部でショートしている可能性が高い。このためにU203の出力は飽和してしまっている。Q201はどうやら故障しているに違いない。

Q201はOFF状態であるが、Q202は逆にON状態になるはず。だが実際にはQ202のソース電圧はドレイン電圧とは大きく異なっている。ゲート電圧の方がソース電圧よりはるかに高いのでゲート・ソース間のトランジスタがON状態になってしまいゲート電圧がソース側に引っ張られてしまっている。これはコンパレーターが故障しているわけではない。Q201のゲートとソースがショートしてしまって、それでU203の入力電圧が異常となりおかしなことになってしまっている。

Q206はゲート・ソース間電圧が0VなのでON状態のはずだがドレイン・ソース間電圧が大きすぎる。Q206も故障くさい。

最後に残る10M,100M,1GΩレンジを見てみた。こちらはH1がアサートされる点が異なる。



見るとH1がアサートされたことによって何やら各部の電圧が不安定になっている。オシロで見るとちょっとしたきっかけでランダムなノイズが乗る。

H1がアサートされるとそれまでは出力がハイインピーダンスだったU202cがONになり出力が-18Vに落ちるはずだが、実際にはそうなってはおらずOFFの時と同じようにゲートバイアス電圧のまま。これはU202の故障くさい。

とりあえずU202のコンパレータを交換する必要がありそうだ。その後で故障しているFETがあるかどうか確認しよう。U203も出力オフセットが異常に大きいので交換した方がよさそうだ。電源電圧を超える過大な入力電圧が加わることで壊れてしまっているかもしれない。

やれやれ。一難さってまた一難。

U202の14番ピンがコンパレータの比較結果によらず常にハイインピーダンスという故障のためU202を交換した。



結果、U202の14番ピンは入力条件に関わらずハイインピーダンスのままということは無くなり、H1がアサートされると-18Vに引っ張るようになった。

これによってQ204とQ206のゲート電圧は制御されるようになったが、それのみでは障害の解決にはならない。

明らかにあとQ201のJFETがゲート・ソース間短絡故障している疑いが濃厚である。しかもドレインはオープン状態に近い。そのため本来Q201がONになった場合に、U203の入力電圧は-5.5Vになるはずだが、U203のオフセットのかかった出力であるゲートバイアス電圧がQ201のゲートからソースへつながってU203の入力に帰還してしまっている。

Q201及びQ202は交換パーツリスト上では1855-0298とあり、クロスリファレンスを見るとJ2472というNチャネルDモードJFETであることがわかる。

しかしJ2472のデータシートは皆無である。当時のHPが特別仕様で作らせていたものかもしれない。微少電流のカレントソースに使われるので漏れ電流を極力少ないものが昔は無かったのかもしれない。


おそらく耐圧が十分高く、ゲートソース漏れ電流が100pAぐらいに押さえられていて、ドレインソース間に1mA流しても大丈夫なものであればなんでもよいのだろう。

パッケージやピンアサインそれにメーカーロゴマークを見るとナショセミなので後にJ304として市販されたものかもしれない。だとすれば、先日壊れていないJ304を９個ほど除去したのでそれを使って交換すれば良いかもしれない。

どうもOHMカレントソースのFETが多く故障しているらしい。

電源が入っていない状態（ゲート・ソース間電圧が０Vの状態）でドレイン・ソース間抵抗値を測定してみると、一部はON時の低抵抗値を示すが、残りはすべて高い抵抗値を示す。

故障が疑われているQ201,Q202,Q206もドレイン・ソース間抵抗値が高いためON状態になっていない。

他に少なくとも、Q203,Q204,Q205も故障しているぽい。

ぐは。

ドレイン・ソース間の抵抗が電源が入っていない状態ではゲート・ソース間電圧が0VなのでON状態であることを利用して他のFETもチェックしてみた。

その結果INPUT SWITCHINGのFETのいくつかが故障していることが判明。関係しているのはRATIO、4WIRE抵抗測定でのみ使用されるリファレンス入力端子からの信号スイッチング用FET。なので普通のDCV,ACV,2Wire抵抗測定には影響ないと思われる。ただAuto Zero機能とかで使われているGNDへ落とすFETスイッチが常にオープンだと測定結果に影響が出てくる。

とりあえず優先順位は低いので、セルフテストが全部通るようになってから。

千石でLM308HをゲットしてU203を交換、壊れているQ201,Q202,Q206,Q203,Q204,Q205のFETを以前AC CONVERTERから除去した正常なFETを再利用する形で交換。

U203はLM308Hが実装されているがHPのパーツ番号がマーキングされていなくてメーカー純正のLM308Hのみマーキングされていた。

FETがニッパで足を切断したものの再利用なので、壊れたFETを除去するなるべく元の足を基板上に残して切断するようにし、そこに接ぎ木するように再利用FETをはんだづけする方法をとった。

それと基板の穴に残ったICの足を取り除くこつも発見。少しでも基板上に残っているICの足の長さを短くなるように更に精密ニッパで残ったリード線を刈り取るように切除しハンダの中に残っているだけにする。そうすればハンダ吸い取り器で穴につまったハンダと一緒に残留したリード線を一気に吸い出すことができる。

これで故障が判明しているOHM'S CURRENT SOURCEの部品は交換したので大分良くなっているはず。

電源を入れてセルフテストをしてみると、今まで止まっていた#10は合格し#11もパスして#12で止まるまでに改善した。



単独で#10,#11をテストしてみると規定範囲内の中心に綺麗に収まっている。

#12は大分桁違いに小さい値となっていて、カレントソースからほとんど電流が流れていないことが予想される。まだどっか壊れている。

抵抗測定動作をさせてみると、以前は100,1k,10kΩではそれなりに測定値が表示されたが、今度はすべてのレンジがOL表示となってしまう。実際入力端子にテスターを当ててみると電圧が出ていない。カレントループがオープンになってしまっている。

OHM'S CURRENT SOURCE回路の電圧を測定してみると、以前は入力と出力に2V以上のオフセットがあったゲートバイアスアンプの出力もぴったりオフセットが０になった。定電圧回路の-5.5Vと-9.25Vも安定して出ている。その周辺のFETのON/OFF状態も正常である。

抵抗測定モードのすべてのレンジがカレントループがオープンになっているのはレンジ毎の分流抵抗タップを選択するFETがすべてOFF状態となっているとしか考えられない。以前はたまたま100,1k,10kΩレンジではONになっていたのが何らかの理由でON状態にならなくなってしまったと思われる。

FETのゲート電圧を測ってみるとON状態になるべきFETでも数Vソース電圧よりも低いゲート電圧にしかなっていない。原因はもうひとつあるゲートバイアスアンプ(U205)の出力にオフセットがあるためその分ゲート電圧がソースよりマイナスになってしまってONにならないというもの。

U205はLM308AHが使われているので、12Vリファレンス用にはオーバースペックでもったいないOPA177を抜いてLM308AHの代用として換装するのが良いかもしれない。12Vリファレンスは余っているOP07を挿せば十分だし。

修理後にDCV測定も出来なくなっているという驚愕の事実を知った。

仕方がないので次ぎに怪しいU205を交換しようと思って基板を再び取り外そうとしたら入力端子から来るケーブルをつなぎ忘れていることに気づく。

基板を取り出す前にピンコネクタからケーブルを３本外すのだが、基板を元に戻す際に元に戻すのを忘れていた、初めてのことだ。

ケーブルを元に戻して、電源を入れてセルフテストを行うと、ちょっと挙動が今までと違う。

FAILのマイナス12が表示されないで、LEDの全点灯と消灯を繰り返すだけの状態になった。

これはすべてのセルフテストが合格したことの証である。

なんだOHM'S CURRENT SOURCEの修理は終わっていたのだ。

#12が失敗していたのはケーブルをつなぎ忘れただけだった。

早速DCV測定が以前通り出来るのを確認し、抵抗測定のテストを。

100kΩの抵抗を入力端子につないで2WireΩ測定モードに切り替えると、初めてまともな抵抗値が表示されたヽ(´▽`)ノ



600Ωと20MΩの抵抗も測定してみたところ問題なし。すべてのレンジで正しい値が表示されることを確認。驚く程安定している。

やっとここまで来たよママン(ﾉД`)

長かったけども諦めずにやってきた甲斐があった。

あとは他の機能をチェックしてまだ発覚していない故障箇所を直すのと最終的に調整を施す作業が残っている。

今夜はぐっすり眠れそう。

P.S

LM308Hを買いにいったついでに計測器ランドを覗いたらHP3456Aの後期版が数万円で売りに出ていた。後期版はフロントパネルの押しボタンが最近のDMMのように平べったく大きなものになっている。たぶんファンレス。手元にあるのは初期のものでファン付きで少しうるさい。AgilentのDMMも最近では同じ性能のものがエントリ機で新品でも１０万円しない。何台か持っているHP3457Aも並んでいた。中でも高性能なHP3458Aは数十万とすごい値付けだった、性能は最新のエントリ機とは違って桁違いに良いからね。

サービスマニュアルにあるPERFORMANCE TESTを参考に動作確認をしてみた。

一部電圧発生源が無い1000Vを除いては一応の動作が確認できた。不安だった4Wire抵抗測定やRatio測定も問題なかった。

DCVとΩ測定に関しては手元の他のデジタルマルチメーターと比較してほぼリミット内に収まっているが、ACVが一部リミットから外れている。

AC CONVERTER基板のFETを全交換したのでもともと調整がガタガタになってしまったのは否めない。

ACVの調整をサービスマニュアルにある方法でやってみたが、肝心の交流標準電圧源が無いので、レベル設定の出来るファンクションジェネレータを引っ張りだしてやってみたものの、HP8116Aは振幅を設定できるがRMS値は設定できない。仕方ないのでRMS 1V出力の時には1.41Vの振幅設定にしたり。それでもぴったり1Vになるわけもなく。

それで出力レベルが安定してくれればいいのだが、実はわずかだがドリフトがあるので短時間なら十分だが、調整のように長時間を要する作業では調整開始した時と調整が終わった時とで数百uVドリフトしてしまっている。それでもHP8116Aの校正範囲内なので致し方ない。

普通の低周波オシレータも出力レベルに関してはいい加減で、時間とともにレベルが段々と目減りしてくる。周波数は割と安定しているのに。いつまで下がり続けるつもりなのかと。

確度は手持ちの他の測定器と合わせるにしても、安定度の良い交流電圧発生源が欲しいところ。

自作するとなると回路的には交流出力電圧の絶対値に対応するDC電圧を生成してそれを設定基準電圧と比較してアンプのゲインを制御するALCとかになるのだろうか。ちょっと今の自分には難しいな。

ACVは調整が難しい。

1V ACを入力して1V, 10V, 100V,1000Vのレンジで正しく値が表示されるように４つのポテンションメーターを相互に調整する。

その後でACVとACV+DCV測定で同じ1Vがどちらでも1Vと正しく表示されるように調整する。

時間はかかるが繰り返しやっていくと段々と収束していく。

これで手元のデジタルマルチメーター群とほぼ同じ状態になったはず。

試しにコンセントのAC100Vを測定してみると、他のデジタルマルチメーターは101.xVと表示するのにたいして、103.xVと少し高めにでる。

原因はよくわからない。手持ちのHP3457Aは1V AC入力でレンジを10V,100Vと変えていくと表示される値が大きくなる傾向があり要調整品なのだが、何故かコンセントのAC100Vを測ると101.xVとFLUKEとかのテスターと同じ値を表示する。なんなんだ。

ふと思ってFilterスイッチを押してアナログフィルタを入れてみたら表示値が少し下がった。このあたりに関係するのかもしれない。

やはりINPUT SWITCHINGのFETでオープンになっているものがあるのが高い電圧が加わるケースでオフセットが発生するのかもしれない。

低い電圧を測定する分には周波数特性も20〜250kHzまでフラットで手持ちのHP3457Aとほぼ変わらない値を表示する。

データシートが存在しないHP特注仕様のJFETはおそらく選別品ではないかと思われる。

というのも取り外したJFETを見るとパッケージの背中にペイントで色が塗ってある。

AC CONVERTERのJ304は白、OHM'S CURRENT SOURCEのそれは赤で塗ってあった。

ということはばらつきのあるJ304タイプの低ゲート・ソース漏れ電流のものの中から漏れ電流特性の更に低いものを選別して特別な型式としてHPに収めていたと思われる。

通常J304はmax -100pAとしかないけども、世の中には2N4416のようにmax -100pAだけどtypical -2pAと書いてあるものもある。実力ではmaxの二桁も小さい漏れ電流のものがあるということになる。そうしたものを選別していたと思われる。

一般的にJFETは漏れ電流が多い、特に古い時代のものとか国内で開発されたもののほとんどは高精度デジタルマルチメーター内のアナログスイッチ用には使えないものばかり。おそらく特許か、棲み分けかで多くのトランジスタメーカーは競って漏れ電流の小さいものを作ろうとはしなかったのだろう。

当時はJ304と比べると１桁も２桁も漏れ電流が大きいものばかりだったので高精度デジタルマルチメーターにはこの種の漏れ電流の少ない品種は重要な部品だったに違いない。

今もJ304は製造されているが、用途が特殊なので入手困難。代わりとして2N4416のように高周波用の低ノイズなJFETが高いけど性能的には凌いでいる。でも値段は１０倍ぐらい高い。