Scroll down for English version.
W czerwcu 2023 miałem szansę, razem z ekipą SN7L, odwiedzić prawdopodobnie największe targi krótkofalarskie w Europie – HAM RADIO we Friedrichshafen. Spotkałem wiele inspirujących osób, przeprowadziałem sporo długich dyskusji i przywiozłem do domu tonę wspaniałych wspomnień, ale nie tylko. Przywiozłem ze sobą także dość fizyczną pamiątkę: analiator radiokomunikacyjny Rohde & Schwartz CMU200, który kupiłem na tamtejszej giełdzie. Za kwotę 600€, nie było opcji, żeby to urządzenie nie stało się moją własnością. Podobny sprzęt na polskim ryneczku jest wart ponad 2x więcej (od 5-6 tys. PLN). Analizator widma w zakresie 10 MHz – 2,7 GHz, generator od zera do 2,7 GHz, -137 do +13 dBm, podwójny, z modulacją AM/FM/DSB, szerokopasmowy pomiar mocy. Oczywiście, to sprzęt przeznaczony typowo do pracy z urządzeniami GSM/3G, więc brakuje mu kilku funkcji, np. prawdziwego tracking generatora, czy możliwości zerowania spektrum. Tak czy siak, za 600 EUR – nic lepszego nie dostanę.
Kiedy tylko CMU200 trafił pod mój dach (TNX SP5QWB za transport – Lufthansa mogłaby nie zaakceptować tego 18 kg pudła jako bagażu podręcznego), zmierzyłem oczywiście wszystkie moje sprzęty radiowe: spektrum wyjściowe, moc, czułość odbiornika, itd. W końcu mogłem też pomierzyć rzeczy na 2.4 GHz, jak mój DIY upconverter do QO-100. Po kilku miesiącach zauważyłem pewien problem – po jakimś czasie, ok. 1h, urządzenie samo się wyłączało. OK – to nie jest nowy sprzęt ze sklepu, może jakieś kondensatory straciły już swoją pojemność. Po następnych kilku miesiącach problem zaczął się robić dokuczliwy – po wystartowaniu miałem tylko 5-15 minut na pomiary. Po tym jak się wyłączył, nie byłem już w stanie go włączyć – dochodził do ekranu biosu, a czasem nawet nie. Musiałem odłączyć urządzenie od prądu, odczekać jakiś czas (na schłodzenie..?) i dopiero potem spróbować ponownie. Rzecz warta odnotowania – analizator nie wyłączał się nagle (jakby wyciągnąć wtyczkę), tylko w taki sam sposób jakbym nacisnął przycisk zasilania na przednim panelu, z komunikatem “Shutting down” na wyświetlaczu.
Kolejnych kilka miesięcy minęło i nie byłem już w stanie wcale włączyć urządzenia – nie dochodził nawet do ekranu ładowania w procedurze startu. Trochę zaniepokojony tym co znajdę, przystąpiłem do naprawy, przeczytawszy uprzednio wszystkie wątki o CMU200 na forum EEVblog i microcontroller.net (TNX google translate). Oprócz problemu z wyłączaniem się, moje urządzenie było w bardzo dobrym stanie – wszystkie self-testy przechodziły bezproblemowo. Bogatszy o internetową wiedzę, zawężyłem możliwe źródło problemu do dwóch przypadków:
- problem z zasilaczem
- awaria klawiatury
Współczesne zasilacze impulsowe nie starzeją się godnie – przegrzewające się układy wysuszają materiały termoprzewodzące, kondensatory elektrolityczne wysychają (albo rozlewają się), układy zabezpieczające działają zbyt agresywnie. Zasilacze do CMU200 nie są ani łatwo dostępne, ani tanie, więc miałem szczerą nadzieję, że problem leży gdzieś indziej. Na szczęście inżynierowie projektujący CMU200 zamontowali na płycie głównej urządzenia 9 LEDów, które pokazują stan wszystkich linii zasilających wychodzących z wyświetlacza. Urządzenie, w trakcie krótkiego momentu od włączenia do resetu, zapalało wszystkie 9 – tak więc problem musiał leżeć gdzieś indziej.
Zacząłem więc czytać o przypadku alternatywnym, czyli problemach z klawiaturą na przednim panelu. Klawiatura w CMU200 to duża płytka drukowana wykonana z kilku warstw przezroczystego plastiku, na który naniesiono metalowe ścieżki, połączone przelotkami. Układ jest matrycowy, tzn. kiedy naciskamy guzik, przewodząca gumka zwiera dwie linie, chip odbiera naciśnięcie klawisza – prościzna. Z czytania dowiedziałem się, że najpopularniejszy problem trapiący tą konstrukcję to elektromigracja tudzież zjawisko podobne do rośnięcia cynowych wąsów – po pewnym czasie (a te urządzenia mają zazwyczaj >20 lat), niektóre ścieżki zwierają się, co prowadzi do tego, że urządzenie jest przekonane, że przycisk zasilania jest ciągle wciśnięty. Na forum znalazłem informację, że między wszystkimi liniami klawiatury, oporność powinna wynosić > 10 MOhm.
Na początku nie byłem przekonany, że właśnie to mi się przytrafiło, ponieważ widziałem zależność między temperaturą urządzenia a występowaniem problemu – zimny analizator działał zdecydowanie dłużej niż po rozgrzaniu, obstawiałem więc, że to jakiś zimny lut albo kondensator. Przynajmniej do czasu, aż odkryłem, że wciśnięcie przycisku “Escape” lub któregoś z jego sąsiadów pozwala urządzeniu się włączyć – eureka.
Zacząłem więc dokładniejszą diagnozę. Proces dostawania się do wnętrzności CMU200 jest opisany w manualu serwisowym, ale może przyda się komuś, jeśli krótko go tu opiszę. Stawiamy urządzenie w pionie, na uchwytach przedniego panelu i śrubokrętem Torx T20 odkręcamy cztery tylne nóżki, po czym ściągamy całą obudowę. Kładziemy urządzenie z powrotem w normalnej pozycji, tym samym torxem odkręcamy przednie uchwyty i ściągamy metalową maskownicę z przedniego panelu. Górna blacha trzyma się na jednej śrubce.
W środku urządzenia przejrzałem wszystkie połączenia, ale konstrukcja raczej nie pozwala na poluzowanie się czegokolwiek. Diody na spodzie i z tyłu płyty głównej potwierdzały prawidłowe działanie zasilacza, więc skupiłem się na sercu urządzenia, czyli panelu frontowym, będącym zasadniczo komputerem PC. Cały panel zamontowany jest w obudowie za pomocą 5 śrub na obwodzie (2x góra i dół, 1x lewo), dwóch od frontu (pod enkoderem) i jednej mocującej złącze kart PCMCIA, dostępnej od góry urządzenia. Po usunięciu śrub i odpięciu trzech taśm łączących PCMCIA z płytą główną, panel można ostrożnie wyciągnąć do przodu.
Dostanie się do środka panelu jest jeszcze prostsze niż wyjęcie go – wystarczy usunąć kilka śrub na obwodzie i urządzenie rozkłada się na dwie połowy. Uwaga – ostrożnie z taśmami (LCD, enkoder, klawiatura).
Mając wyjęty panel odpiąłem taśmę od dysku twardego, żeby niepotrzebnie nie nadwyrężać wiekowego dysku ciągłymi restartami, a także wymieniłem baterię biosu. Nie rozwiązało to problemu, zacząłem więc rozbierać klawiaturę. Żeby zdjąć plastikową maskownicę trzeba usunąć wszystkie małe śrubki, a wkrótce naszym oczom ukaże się słynna problematyczna membrana. Moja wyglądała nieco podstarzale, ale nie było na niej widocznych śladów korozji. Wyczyściłem wszystkie klawisze alkoholem izopropylowym, ale bez skutku, także w następnym kroku odpiąłem taśmę klawiatury od płyty głównej i urządzenie włączyło się poprawnie, zatrzymując się na błędzie o braku dysku – słusznie, bo go odpiąłem. Zostawiłem je tak na 20 minut, nic się przez ten okres nie stało, także wiem już na 101% gdzie siedzi problem.
Zacząłem szukać zwarcia, mając na uwadze to, co przeczytałem na jednym z forów – jeśli między jakimiś ścieżkami jest < 10 MOhm, to jest to uznawane za “zwarcie”, tak więc nastawiłem miernik na zakres 200 MOhm i zacząłem sprawdzać linie metodą każdy-z-każdym. Pomijając fabrycznie zwarte do siebie ścieżki (są takie) i wyprowadzenia dwóch LEDów stanu zasilania, udało mi się znaleźć opór rzędu 300 kOhm pomiędzy pinami 6 i 17 we wtyczce (złączem do góry, taśma w kierunku z dala ode mnie). Pin 6 to jedno z dwóch wyprowadzeń klawisza zasilania, pin 17 jest podłączony do kilku klawiszy numerycznych i schodzi dalej do dolnego rzędu klawiszy pod ekranem, gdzie krzyżuje się ze ścieżką z pinu 6. Wychodzi na to, że “zwarcie” musiało się pojawić gdzieś w dolnej części płytki, pośrednio tłumaczy to, dlaczego naciskając klawisze w okolicy “Escape”, urządzenie zaczynało na chwilę startować.
Klawisze już wyczyściłem, żaden klawisz zresztą nie pracował pomiędzy liniami 6 i 17, także zwarcie musiało wystąpić pomiędzy plastikowymi warstwami. Nie da się tam dostać bez całkowitego zniszczenia membrany, poszedłem więc za radą z internetu. Nastawiłem mój zasilacz regulowany na 30 V, ograniczenie prądu na 1 mA i ostrożnie przyłożyłem napięcie do linii między którymi było przejście (jeśli można tak nazwać ~300 kOhm). Nic się nie stało, nie było błysku ani huku, zasilacz nie pokazał płynącego prądu, ale miernik pokazał brak przejścia pomiędzy liniami. Wpiąłem membranę ponownie, podłączyłem do CMU200 napięcie sieciowe i urządzenie włączyło się całkowicie prawidłowo. Ulga!
Usterka została usunięta, ale jestem silnie przekonany, że pojawi się w przyszłości – być może do następnego zwarcia brakuje zaledwie kilka mikronów. Na szczęście na ebay można tanio nabyć (~$50) zamienniki membran wykonane na normalnej cienkiej płytce drukowanej. Wiedząc jaki problem trapi moje urządzenie, zamówię sobie takową, póki jeszcze ktoś je sprzedaje. Cieszę się że mój Rohde&Schwartz zmierzy dla mnie jeszcze trochę rzeczy. A przy okazji jestem pod wrażeniem jak porządnie wykonane i łatwe w serwisowaniu jest to urządzenie.
73 de SQ3SWF
In June of 2023, I had a chance to attend HAM RADIO exhibition in Friedrichshafen, Germany with my SN7L teammates. I met a ton of inspiring people, had many long discussions and brought home a ton of wonderful memories, but, I have also brought quite a physical souvenir: Rohde&Schwartz CMU200 Universal Radio Communication Tester, which I got at the flea market. For the price of 600€ there was no option for me not to buy it. A similar device on the domestic market would cost me more than twice that. 0.01 – 2.7 GHZ SA, -137 to +13 double generator w/ modulation, wideband power meter. It obviously has some drawbacks, since it’s a device primarly intended for GSM and 3G, some software features are lacking, like a proper tracking generator or ability to take reference spectrum. Still, the device rocks.
After getting it home (big thanks to Bartek SQ5QWB), I obviously enjoyed it a lot – measured all of my radios for output spectrum, RX sensitivity. Finally, I had a chance to measure my homebrew QO-100 equipment. After few months I’ve spotted a problem – the device started to shutdown by itself after some time – like an hour, or so. OK, it’s old, it’s been used quite a lot, maybe some caps went wrong or so. After some more time, the problem got a bit more intense – after booting, the CMU200 worked for 5-15 minutes and then shut down. After a shutdown, I could not turn it on back again, it would not even get to the BIOS screen. I had to disconnect the power using rear switch, wait some time (let it cool down?) and then the story repeat. One thing worth noticing – the shutdown was not like a “pull-the-plug” one, but looked the same way, as if I pressed the front “Power” button, with “powering off” message on the screen.
Few months later – the device won’t even get to the system loading screen. A bit afraid of what I’m about to find, I started the repair, having previously read almost all of the CMU200-related threads on EEVblog and mikrocontroller.net (thanks, google translate). Other than the shutdown issue, my device was in a good shape, all the self-tests passed flawlessly. So I have narrowed the issue down to two possible causes:
- power supply issues
- keyboard failure
Switched mode power supplies do not age well – chips get too hot, capacitors dry out, protection circuits kick in too early. CMU200 power supplies are neither easy to get nor cheap, so I really hoped it’s about something else. Fortunately, the engineers behind CMU200 did a very good job by placing 9 LEDs on the bottom side of the main board, indicating whether all PSU voltage lines are OK. Luckily for me, all of them went bright green when I turned on the device, so maybe, maybe the problem is somewhere else.
Then I read some more about the front keyboard. CMU200’s keyboard is a single sheet of PCB, made of few transparent plastic sheets with metal traces sandwiched between them. When a button is pressed, a pair of traces is shorted by a piece of conductive rubber and a key press is registered. Easy enough. Now, the most popular mode of failure is apparently caused by electromigration or whiskers growth. I can’t really tell what’s the underlying physical principle, but the final result is some keyboard lines being unintentionally shorted – just slightly, I’ve read about <10 MOhm being enough to register a press.
At first I did not believe this has happened to me, since I felt like the problem was temperature-related, therefore was linked to some electronic component, possibly some cold solder joint. At least until I discovered the device starts booting fine when I press “Escape” button, or one of the neighboring ones. That’s something!
So I started the diagnosis. The disassembly process is described partially in the service manual, but maybe it’ll help someone if I briefly describe it here. In order to get into CMU200, you have to place the device face-down, so it rests on the front handles. Then, remove the four rear legs using T20 torx screwdriver, remove the main case by lifting it up. Lie the device down and remove the handles (4x T20) and front metal sheet. You can remove the top part of the chassis, there’s one screw on the left and it all slides right.
With the device being open I inspected all the connections, but all seemed to be fine. PSU status LEDs (bottom of the mainboard, to the rear) were indicating no power issues, so I moved to the front unit, which is basically a PC. It’s mounted to the case using few regular Phillips screws (2x top, 2x bottom, 1x left, 2x front, 1 extra one accessible from the top, attaching the PCMCIA module). After removing all the screws and disconnecting 3 flat cables between main board and PCMCIA reader, the unit can be carefully slid forward and removed.
Getting inside the front unit is even simpler than removing it from the device, few of the very same screws and the housing splits in half – warning: there are some flat cables for LCD, rotary encoder and obviously, keyboard.
While I was there, I disconnected the HDD cable (lots of hard restarts and power cutoffs won’t do any good to a hard disk) and replaced the CR2032 bios battery. It obviously did not help, so I started disassembling the keyboard – after removing all the screws from the front (and pulling off the encoder dial), I saw the keyboard membrane itself – it did look a bit old, but no obvious signs of corrosion. Cleaned all the key contacts with IPA to no improvement – still getting stuck at a dark screen before BIOS. So, I disconnected the keyboard flat cable from the mobo entirely. After switching the mains power using switch at the rear, the unit powered on, went through POST and promptly stopped saying no boot disk was found – which was very true. I let it run like that for 20 minutes with no issues observed, so at least I was now sure – the problem was within the keyboard membrane.
I started looking for a short, keeping in mind what I read on the forums – less than 10 MOhm is considered a short here, so I kept my meter in “200M” range. And, soon enough I found a resistance of ~300 KOhm between pins 6 and 17 on the flex connector (pins up, cable going away from me). I took a photo of the membrane and traced the connections – pin 6 is one of the two power button lines; pin 17 serves some numerical buttons and the bottom row of functional keys, as far as I remember. So the “short” must have appeared somewhere in the bottom part, which would partially explain why pressing “Escape” key allowed me to boot the CMU200 for a while.
Since I have already cleaned the key contacts, and there was no key connected to both line 6 & 17, I assumed the short must have happened between the membrane layers, since that’s the only place the two traces meet physically. There’s no way to get there between completely destroying the membrane, so I took the advice from microcontroller forums: I took my power supply, set it to 30V and 0.001 A current limit (does not really matter, since the first capacitor-powered electricity surge exceeds it anyway) and carefully touched the leads to lines 6 and 17. Nothing visible happened, supply showed no current flowing, no sparking, no smells, but: I took the meter, and it showed more than 200 MOhm as it should. So, I quickly connected the membrane straight into the mainboard, without bothering to assemble any other part of the device, flicked the mains switch and… boom. The device booted and operated perfectly. A huge relief.
The issue has been fixed, but I’m quite sure it will happen again in the future, no doubt. There are replacement membranes available on ebay, so I’ll surely get one for myself, while they’re still being sold. Glad my R&S is still alive. I’m amazed how well made these devices are and how easy is to work on them, in terms of dis- and reassembly.
73 / SQ3SWF