拆解HP9125A绘图仪-HP9100计算器的好搭档
这篇文章其实是HP9100A计算器拆解文的番外篇，原图拍摄于2017年，因偷懒的缘故一直没有发布。虽然不及9100的拆解那么有意思，但还是挺值得一看。
前言
1968年9月，惠普公司发布了HP9100A计算器，正式宣告自己进入了计算器制造的市场。HP9100是一个跨时代的电子产品，它的本质远不止一台计算器，而是一台完整的可编程计算机。同时惠普也首次提出了个人计算机的概念，开启了个人计算的新纪元。HP9100采用了非常精减高效的架构，有效地缩减了晶体管数量和硬件复杂度，但这也带来了一个明显的弊端，就是机器的扩展性变得很差，想设计外设变得极为困难。不过惠普的工程师依然给计算器留有一个总线接口，最初的用途仅是连接安装在计算器上方的打印机。后来，工程师们克服困难，又为这台机器设计了不少外设，如读卡器，内存扩展，绘图仪，数字化仪等。而本文拆解的HP9125A则是惠普于1969年推出的，用于HP9100的第一个外设产品。
用这台机器，可以结合9100强大的计算能力，在绘图纸上绘制各种函数图形，将计算结果直观地表现出来。要知道，世界上第一台手持图形计算器Casio FX-7000G直到1985年才正式推出，而惠普9100+9125的组合整整早了16年。这大概可以算是世界第一台真正意义上的图形计算器了，惠普无疑又远远走在了时代前面。
这台机器是本人2017年在ebay遇上的，因为不算贵便拿下了，运费甚至可能超过机器本身的价值。而中间的9100B则属于当时常联系的一位朋友。他在2019年初因为未知的原因隐退了，不知是否安好。
话不多说，以下是拆解。
拆解
*注: 由于拍摄年代较远，灯光及画质可能不及现在，还请谅解~
绘图仪全貌。机器为铸铝外壳，非常结实，重量也不轻。这台机器的XY运动机构和整体机械设计一直沿用到后面的HP9862绘图仪，并于9872被取代。
经典的蓝白黑三色Logo
控制面板，上面从左往右依次是静电吸纸开关/原点调节旋钮/放笔按钮/缩放微调旋钮和电源开关
安装绘图笔的抓手。该机采用的绘图笔不是80年代常用的尺寸，我也没有找到在售的耗材，但塞一个普通的签字笔上去也勉强能用
绘图笔的起落由支撑条上的盖板控制
盖板可以很容易地打开，这时便能看到支撑条内部的结构
固定绘图笔抓手的小车，可在支撑条内运动。小车的位置控制绘图笔Y轴方向的坐标
支撑条内的金色PCB，其实是用于测量Y轴位置的线性电位器，放大便可看到由极细电阻丝绕成的螺线电阻。
这台绘图仪的伺服系统完全由模拟电路实现，靠电位器进行位置反馈与闭环控制，类似模拟X-Y记录仪，而非80年代常见绘图仪的步进电机系统。
与收音机的音量调节电位器类似，如果9125的线性电位器脏了，也会导致位置反馈出现偏差和毛刺，造成绘图笔抖动。所以需要经常对触点和电阻丝进行清洁。这大概也是工程师把盖板设计得非常容易拆卸的原因
拆除机器上方盖板，露出X轴线性电位器和触点
这是驱动绘图笔起落的电磁铁。线圈中心的柱子伸出时会顶起绘图笔支撑条上的盖板，使得笔落下
各种弹簧触点，除了线性电位器滑臂之外还有用于限位的触点，以防止运动位置超出允许范围导致结构受损或电机堵转
限位触点以及引线
这是Y轴驱动结构，采用的都是金属滑轮和齿轮，用钢丝拉动固定绘图笔抓手小车上下运动
拆掉六颗螺丝即可取下绘图台面。别看台面似乎很简单，其实也隐藏玄机
台面的下方有一根双绞线缆，连接到高压发生器。这台机器采用独特的静电吸附方式固定绘图纸，台面上有间隔的电极。当相邻电极加上极性相反的高压时，纸便会被吸附在台面上，从而在绘图过程中保持固定，不会滑动
绘图板反面，是一整块厚铝板
从台面侧面，可以看到它其实由一块PCB压合在铝板上制成，而PCB上则有静电吸附电极。PCB表面被很厚的白色阻焊层覆盖，防止触电
如果仔细看，可以看到台面上长条形的电极纹路
拆掉台面后，便可看到驱动X轴支撑条移动的钢丝结构
驱动皮带，透明材质，比较罕见
齿轮与滑轮。历经50年，钢丝依然保持着良好的张力
拆掉台面后可以更清楚看到Y轴的驱动结构以及驱动电机。这台机器里的两个电机都是精密有刷直流电机，靠模拟电路闭环实现精确的位置控制
掀起上盖，便可看到绘图仪内部的全貌，还是比较复杂的
机器内部的简易接线说明
这是驱动X轴的电机，与Y轴电机一样都是HP生产
下面的电子部分，不得不说也挺壮观的，设计风格也与HP9100相似。
不知道是不是因为设计师的执念，这台机器也基本由三极管构成，唯一的集成电路是伺服控制器上的两颗运放
变压器
机器中间的两块大板是DAC，用于根据计算器给出的数据为伺服系统提供模拟电压的坐标值。DAC的精度直接影响到绘图精度
左边的四块PCB实现接口和控制逻辑
右边偏后的两块板是模拟伺服控制器。两块电路板实现了两组由线性滤波器/PID控制器构成的伺服系统，分别对应X轴和Y轴
金光闪闪的惠普logo
这是第二块板，大概是PID控制电路。上面有本机内唯二的集成电路-两颗LM301运放
伺服部分的底板
伺服电路的功率放大器
拆下逻辑部分电路板
与同时期以及之后的惠普设备一样，不同板卡也用不同颜色的提手标注
逻辑部分底板
这里连接Y轴DAC
DAC板角落的logo
DAC板另一头的连接器
DAC板，全部由三极管实现，还挺壮观的
反面
拆下逻辑部分的底板
反面
logo
质量很好的板边连接器
板子一角
透光可以看到PCB只有两层。这台机器里所有的电路板都是两层，没有9100那么高大上了
板卡全家福
DAC上的三极管。这些金属封装的管子构成触发器，用于锁存BCD格式的数值
黑色TO-92封装的三极管应该是模拟开关，实现经典的R-2R DAC结构
板子上有不少精密电阻
以下是四块逻辑电路板，实现一些数字逻辑，其电路基本结构与9100比较类似，就不具体展开了。
第一块
第二块
第三块
第四块
伺服控制板
这里用了尼龙接线柱，以减小PCB上的漏电
这两颗编号为1820-0223的集成电路是机器里唯二的集成电路，其本质是LM301运算放大器
拆掉电路板后的机器底壳
拆下控制面板
这颗黑色的东西是用于给绘图台面静电吸附功能提供高压的高压包，输出电压曾经测过，但已经忘干净了。不过为了确保安全应该不会非常高
继电器
电源指示灯，是个氖管
指示数据错误的是个小灯泡，还断了根引脚。不过不影响功能我就没有修复
机器底壳中间，也和HP9100一样安置了一张简易说明。使用过程中如果遇到问题可以随时抽出参考
机器的电源部分，那几个大电容非常显眼
粗壮的电源继电器。这台绘图仪的电源同时由面板开关和9100控制，只有计算器主机开机，绘图仪才会上电。这个继电器就实现自动上电的功能
一排大功率NPN三极管，都是2N3055，但不知为何用了RCA和摩托罗拉两个品牌
最后是修复。由于机器很重，而与主机相连的数据线又不可拆卸，数据线在运输过程中被机壳压伤，断了很多股
所幸线束中的每一根线都有不同的色码，所以修复还是相对容易的
修复完成的线束
很幸运，除了线束损坏外，这台绘图仪并没有其他故障。最后，我录了一段HP9125A工作的视频。视频中的计算器是朋友的HP9100B，现已归还。
视频中，通过编程实现了让9125A绘制心形线。此次使用的公式为:
x=16(sin(a))^3
y=13cos(a)-5cos(2a)-2cos(3a)-cos(4a)
其中0<a<2Pi
如果您对HP9125A的那篇HP Journal感兴趣，也可以从这里下载:
《Hewlett-Packard Journal September 1969》