I 简介

HP 8903A音频分析仪是HP公司在1980年推向市场的一种采用了部分数字技术的自动音频分析仪，用来替代全模拟的HP 339A失真度计。HP 8903A内部集成了信号源，失真度计，信纳比表以及电压表（AC/DC）等硬件模块，这些模块完全由数字电路控制，可通过面板或者HP-IB（GPIB）接口程控操作。另外8903A也有模拟绘图仪输出，也可以自动扫频测试并画出失真度曲线。这台仪器主要用于测量音频的幅度与失真度，用于音频放大器等电路的测试，或者测试信纳比（SINAD）,即(信号+噪声+失真)与(噪声+失真)的比值。信纳比在过去广泛用于无线电接收机灵敏度的测试。一些具体的测量或技术原理将在拆解部分对应具体的硬件来写，这样至少显得不那么枯燥难懂。
本次拆解和维修的8903A是我一位朋友的朋友提供的，这是位音响爱好者，机器出了故障，于是最后到了我这里维修了。

II 拆解

由于我的闪光灯坏了，因此我只能找了一个阳光好的周末借助自然光来拍照了。坏处是因为太阳实在太好有些照片的明暗反差过大了。后来机子就归还原主也就没有再拍的机会了。
拆解先从顶部开始，这是拆去顶盖的图片。机子内部还有一层中壳，除去后部的电源模组之外，其他所有板卡都被屏蔽在中壳里面，中壳又被分成了许多个小屏蔽盒，用于降低板卡间的串扰。

8903A的后视图。后面有电源插口，HP-IB通讯接口，一个监测输出口，该接口是失真度计部分陷波器的信号输出，输出的信号就是陷波器消除基波以后的残余失真成分，对这些残余失真再做频谱分析可以观察失真的谐波组成。但8903A并不能指定陷波器的衰减量，它是全自动设置陷波器的，因此这项功能仅限于定性观察而不能用来分析具体的谐波幅度。监视端口旁边的是模拟绘图仪的X轴/Y轴和抬笔信号输出，例如在测量失真度的时候，Y轴输出的电压对应失真度值。X轴对应设置的扫频范围。抬笔信号（Z轴）让绘图仪在回原点的时候抬起记录笔，只有在测量时放下记录笔画线。

前面板的左侧基本上是与信号源和输出功能有关的操作按键，包括信号源输出接口，扫频设置按键，频率，幅度设置按键这些东西。在键盘最底部的塑料片是收纳在机器下面的两张操作速查表，可以拉出来共用户查到各种功能的设置流程以及故障码的定义之类的内容。

前面板的右侧是信号输入与测量功能的选择和显示。这台机子还配备了一个指针表头，不过这个表头只有在测量信纳比的时候才起作用，如果在测量交流幅度的时候也能用的话会更有趣味一点。

拆去顶部的屏蔽罩以后内部是整齐排列的板卡，每张板卡右侧的提手有不同的颜色，同样机器上的插槽也有不同的颜色与之对应，板卡的金手指并没有防呆设计，只依靠插槽的颜色辨别安装的位置。

从前面开始，第一张板卡，这是测量部分的输入衰减/放大器，负责输入信号调理。

第二块板是陷波器板，同样属于测量部分。这块板子是失真度测量的关键组件。陷波器是一种可以抑制单个频率的滤波器。例如在测量1KHz单音信号失真度的时候，陷波器调谐到1KHz，那么陷波器就几乎把1KHz基波消除，而除了1KHz之外的频率都可以通过陷波器，通常这些频率就是谐波和噪声电平，一般统称为残余失真。把残余失真再用RMS电压表测量之后显示出来，这就是THD+N测量。如果对残余失真做FFT并单独统计每一个谐波的幅度而不去计算噪声电平就是THD测量。对于现代的音频分析仪而言很多仪器已经不再使用陷波器了，因为陷波器最大衰减量同时也决定了仪器的测量下限（通常，性能极为优秀的模拟陷波器可以将基波抑制95-105db）。由于现在已经广泛使用24bit的ADC，因此直接通过ADC处理动态极大的信号并直接进行FFT分析。

控制陷波器调谐的FET开关阵列

第三块板子是电压表板卡，可以测DC电压或者AC RMS电压。

第四块板子是振荡器与ALC（自动幅度控制），这是信号源部分的组件，用于产生幅度稳定且失真度极低的正弦波信号。

振荡器部分用于调谐的FET开关

8903A是一台自动化、完全程控的音频分析仪，由于传统的RC调谐式的振荡器难于实现程控，因此HP选用了一种较为少见的振荡器，即状态变量式振荡器(State Variable Oscillator)。
由于我的水平尚不能完全理解这种振荡器的原理，如果读者有兴趣了解，可以参考HP 8903A的维护手册。不过大体上这种振荡器同时具备了快速调谐的能力和极低的失真度，因此非常适合连续扫频的用途。本机的故障发生在ALC部分，ALC部分的相关原理放在维修部分再谈吧。

信号源部分的输出放大器板

输出放大器板的局部

这块板的作用我记不太清楚了，应该是包含了模拟绘图仪的输出电路和大量的锁存器电路，所有FET开关，继电器等的控制信号都是通过这块板输出的。

CPU板，使用的处理器是MOSTEK MK3850

MK3850 CPU和MK3853存储控制器

时钟电路所使用的一刻硕大的晶振，以及微调振荡频率的空气微调电容

这块板子大概是HPIB(GPIB)接口板

拔掉所有板卡以后的框架，电源组件安装在机器的最后面

这台机器采用线性电源和无风扇设计，背板上开了许多利于空气对流的孔洞

最后拆解出来的部分是前面板，按钮还是HP在八十年代惯用的WEST SWITCH。这种开关很容易因为积累灰尘而发涩难用，这里拆下前面板对开关进行清理。

前面板的表头

WEST SWITCH按钮

前面板背面

上一位维修这台机器的人拧错了螺丝，挤断了前面板顶部的一根走线

拆解到此结束，下面是维修部分。

III 维修

维修从我刚收到这台机子说起。
原机主给我发了一段视频，在视频中他把机子接成自环测量（自测发生器输出的失真度）。在20Hz时失真度读数有极大的跳动，不能稳定。
在我收到机器以后，我用另一台失真度计分别检查了8903A的信号源和失真度计部分，结果表明信号源异常，偶尔失真度会有跳动，随后用示波器观察了输出波形：

这是用示波器对波形进行连续叠加两三分钟的结果，表明了偶尔会发生输出波形幅度失控，而且在正半周的顶部问题似乎更严重些。对于这类故障，首先按常规检测了电源电压，电源纹波，均没有发现异常。在输出发生常是波形基本还是正弦波，因此在查阅手册框图以后开始怀疑是振荡器或ALC部分有问题，我个人的判断是ALC故障，因此先对ALC进行了一些测量。
这里先对ALC电路做一些简单介绍。

ALC即自动幅度控制电路的意思，上面的框图是信号源部分的原理。图纸左侧是振荡器和ALC电路，ALC电路由幅度检测器和误差放大其组成，幅度检测器测量振荡器的输出电平，误差放大其将该电平与参考信号（REF）比较以后输出增益调节电压，最终作用到振荡器的幅度微调元件上。而该机为了获得快速的电平建立速度又不显著降低失真度，采用了一种非常独特的ALC电路，更进一步地说，请参考下面的框图：

这部分框图是ALC电路的结构，左侧是两个信号输入，取自振荡器部分不同的积分器输出，其中一路信号用作触发过零检测器，另一路信号用作振荡幅度的被测信号。过零检测器控制着两个采样保持器，这些采样保持器逐周期采样信号的峰值电压，从而提供快速但比较粗糙的误差检测输出，用于快速稳定信号幅度。而另一条路径通过积分器输出更为精确但调节作用较小的误差信号，这一路信号用于提高幅度调整精度，或者说是消除反馈环路的稳态误差。最终两路误差信号通过乘法器混合以后再送回振荡器的调节部分。

首先ALC电路由于是逐周期比较幅度，过零检测器是否工作正常至关重要，因此用示波器检查了过零检测器输出，发现这是一个很好的方波信号，没有任何问题。
接下来利用过零检测器输出作为触发（CH1），再观察机子的信号输出（CH3），这里仍然使用无限余辉模式（也就是采集到的波形不断的在屏幕上叠加，可以立即体现出偶发的现象）。此处可以看到信号幅度的跳动，以及偶然发生在正弦波顶部的失真。

如果继续观察一会，问题会变得更有戏剧性，一个非常有趣的波形。

现在确认过零比较器工作正常，继续观察其他地方的波形，这里看到的是第一级采样保持器输出（CH1）和信号输出（CH3）。可以发现采样保持器在电容充电斜坡到顶后立即便出现了一个负毛刺，同时在这个毛刺产生的时候输出也就产生了幅度失真。

展宽这个毛刺观察一下，第一级采样保持器的输出连接到了第二级采样保持器的输入。

继续分析这些信号之间的关联，这张照片是S/H1输出（CH1），S/H2保持信号(CH2)，以及信号输出（CH3）。可以看到每当采样保持器2（S/H2）电容充电的时候便产生毛刺。这里保持器的电容是100nf，按我个人的理解给这种容量的电容充电不该发生明显的电压跌落，除非S/H的输入阻抗变得很低。

下面是S/H电路的图纸，S/H2的采样开关是Q15，保持电容是C45.这里有一个测试波形我没有留下照片，也就是S/H2的输出波形，测试点VPEAK，这个地方保持的是正弦波峰值电压。从测试波形来看S/H2电路无法有效的保持电压，该电路的输出波形看起来像一个边长不相等的三角波，在C45充电的斜坡结束后立即开始了向下的斜坡。由于无法有效的保持波形峰值电压，这也就不难解释为什么失真总是出现在正弦波的正半周了(因为该S/H电路只测正半周峰值)。故障基本被定位在S/H电路的几个器件上，可以确认某个零件的绝缘阻抗降低，首先用IPA清洁了Q15,C45,C46,运放U14的输入引脚，排除这些地方的污染。问题没有改善。然后用特性相似的JFET替换了采样开关Q15，问题依旧没有改善。替换了运放U14，问题还是没有改善。随后发现C46是一个普通的瓷片电容，拆掉该电容测量了一下绝缘电阻，我的1G量程的万用表测不出绝缘电阻来，无问题。

最后，我把目光投向了我认为最不可能发生问题的部件，也就是保持电容C45，这个电容是一个看起来质量非常好的薄膜电容，但我还是将它拆下来测了一下绝缘电阻，结果如下：

这大概是我多年维修经历遇到的最不可思议的事情了：一个用于信号电路的薄膜电容漏电，且电阻非常不稳定。从几K到几十K随机跳动。
随后的事情就很简单了，由于这只是一个普通的采样保持电路，不是积分器，因此对介质吸收效应不是特别敏感。再加上我手头也没有质量非常好的轴向薄膜电容。也就找了这么一个普通的薄膜电容换上，只要该电容漏电流较小就没有问题。当然随后的测试也证实了这个电容足以胜任工作了。
在更换电容后8903A就完全恢复正常了。