本文为HP 8505A 矢量网络分析仪信号处理/显示模块拆解。该模块完成了仪器整体控制/中频信号处理/幅度、相位、延时测量和极坐标转换等功能,并且将结果显示在CRT上。


下图是8505A信号处理器及显示部分的原理框图。受到当年的数字信号处理技术和器件集成度的制约,8505A的信号处理全部由模拟电路实现,其信号路径也是相对清晰的。来自射频部分的中频信号经过鉴幅器,鉴相器和群延迟检测器后,通过模拟选择器和滤波器,送给CRT的偏转放大器实现幅频/相频/群延迟曲线显示。同时机器还有一套模拟极坐标转换电路,实现史密斯图显示。机器的数字部分核心是一个4位CPU,解析面板按键指令,控制DAC输出模拟校准信号。同时,显示部分还有一个游标生成电路,可以根据面板电位器输入在曲线相应位置显示一个菱形的标记,并且由面板的数码管读出该游标处的测量值。

下面看拆解。首先是机箱内部全貌,空间很紧凑,模块化设计显得很干净,没有多余的飞线

机箱反面,由两大块背板构成,下面一块主要连接电源、滤波电容、CRT驱动电路之类的功率器件,上面一块则连接了各个信号处理电路

同轴信号线排列很整齐,并以色码区分。连接器全部镀金


这是机器里拆出的所有电源电解滤波电容,可以看到劲还是很大的,毕竟机器的功耗不小

滤波电容均采用螺丝直接固定在背板上,工程师还在电容正极标记处贴心地开了个过孔,这样在安装好电容后可以很方便地从孔里看到电容极性有没有错。倘若弄错极性,这么大的电容动静肯定是不会小的~

CRT高压部分,flyback变压器和整流包是分开的。据说这种没有灌胶的变压器比较容易打火,不过我还没遇到过

拆除CRT前面板

这块挡在CRT前面的玻璃有漂亮的防反光镀膜,更有意思的是这个镀膜还是导电的,可以用万用表量出阻值,兼具了防EMI辐射的作用

CRT前面的史密斯圆图网格其实是一张透明塑料纸



CRT和电源部分

CRT的工艺也不一般,在中部和末尾各有一组引脚。同时这个CRT还有一支特殊的泛光电子枪,可以打亮整个屏幕,用以提供刻度线照明

CRT采用静电偏转,这是它的偏转驱动电路

CRT偏转驱动板,X与Y通道一样


下面是显示和数据处理部分的操作面板,可以切换显示方式、数据源,调整基线位置,设置游标,并且读出测量值

数码管部分盖板可以拆下

惠普特有的数码管,集成了驱动和译码电路

拆下的面板

惠普使用的点阵数码管会消耗大量电流,所以5V供电线也不是一般的粗

以下是面板详细拆解

面板反面的逻辑电路

拆掉逻辑板可以看到无阻焊镀金的面板PCB

黑色的是数码管的散热器,这些数码管发热巨大,需要有散热器确保寿命和可靠性

面板PCB正面

漂亮的数码管,可惜是塑料封装,不是玻璃

散热器与数码管的耦合方式。虽然数码管正面为塑料,但基板还是陶瓷的,以便于传热

按钮,采用双色注塑

按钮手感有点类似HP35之类的计算器,其结构也与HP的计算器键盘类似



滑动档位开关。值得一提的是这些开关均采用格雷码编码,并在后面具体控制时进行解码,以避免在切换相邻档位时跳到其他的状态上去。不得不说设计很用心。

这里有一个开关弹片损坏,导致部分功能失灵

我从边上没有触点的滑块上拆了一个弹片,替换了损坏的弹片

大致可以判断,损坏是由于前人拆解时没有注意,弹片碰到边上的铆钉导致。装卸时垫一片纸片可以解决问题

经过打理,面板干净了很多,等待装回机箱

信仰logo,还是老的实体版本而非印刷

下面看主要部分,控制及信号处理电路。这些电路被分为三部分,其中比较重要的信号通路被放在屏蔽盒里,前后则分别是控制和接口电路。这里展示了打开全部屏蔽盖的样子


这是屏蔽盖打开之前,可以看到功能划分很明确,并且有详细的标注,令人舒适感大增

这部分为测量通道和参考通道的鉴幅器,是两个完全一样的模块。为了保证通道之间的隔离度,这两个模块之间的螺丝比其他模块多了两颗,以期更好的屏蔽效果

打开盖子后可以看到完全一样的电路插板

板子上固定有彩色的塑料提手,可以方便拆卸

整个模拟电路仓

拆下的模拟仓屏蔽盖

下面是各个PCBA的特写,首先是鉴幅器



信号输入部分为了防止干扰,还用了一小段刚性屏蔽线,很注重细节

电路板局部



下面是鉴相器



局部特写


群延迟检测电路


藏在走线中间的logo。这些电路看似都是手绘的,倾注了大量心血


可以看到,机器用的运放基本都是金属封装,甚至没有用陶瓷DIP8的版本

相位偏移调整电路I,用于修改相位零点






相位偏移调整电路II,与I相配合




这块板子上也用了不少精密电阻


极坐标转换电路。这部分电路胜似一个模拟计算机,没想到只有这么少的器件





屏蔽盒部分的底板都铺地并且镀了整层的金,以增强屏蔽效果

信号处理电路往前是机器的控制电路,由5块PCB构成,因为是数字电路为主,所以没有加屏蔽

这块板子上是一些随机的逻辑,没啥好看的


这是DAC板,用的是PWM数模转换技术,用于提供幅度/相位参考信号

经历过多次失效,我对这些薄膜电容还是心存恐惧的,万一坏了查起来还是挺麻烦的

这块板子上没啥东西,是输入信号切换电路,用于选择待显示的波形是幅度/相位还是延迟


板子电源输入端的LC滤波器

这块板子是显示信号滤波器(Video filter)


最后一块板子比较有意思。这是整台机器的大脑,一块4位CPU。这块板子只有20多片74系列逻辑芯片,同时集成了2KB的固件ROM,256*4bit的RAM,实现了一个完整的CPU系统,完成了对仪器的控制


板子不知为何没有阻焊,这是编号和logo

CPU的核心是74181,在70年代很常见的ALU

这是ROM,包含了固件

中间这颗打了AMD标的不起眼芯片便是256*4bit的内存了

这是CPU的电路图。极致简单,一张纸便能画下

这是该CPU的指令集,简单到只有4条指令,甚至无条件和有条件跳转都是通过操作地址寄存器实现的,可以说设计得非常优雅了。我甚至想复刻这个处理器,让它做一些其他有意思的事。哪怕给非电子专业的人科普CPU工作原理也是极好的

看完控制部分,现在是接口部分电路。

取掉所有板卡

这是IO控制板,上面两颗大芯片是ROM,采用惠普很喜欢的ASM状态机方式设计,用于控制整个HPIB系统的解码/通讯




这是面板接口电路。这台机器HPIB远程控制的实现方式也很有意思,它通过一组数据选择器切换整机的控制信号来源是面板上的档位开关输入还是HPIB寄存器输出。因此远程控制指令也是与面板操作一一对应的。同样,在远程状态下时,HPIB指令也会被解码成格雷编码,统一给后续电路解码后实现控制



这里两个贴了标签的也是ROM

这块板子是光标发生器的一部分



这是光标生成器的另一部分




光标生成电路可以根据面板电位器输入在曲线相应位置显示一个菱形的标记,并且由面板的数码管读出该游标处的测量值。下图中两个菱形便是它的光标了。HP8505A或许是第一个带有光标的矢量网络分析仪,时至今日,还有一些VNA采用菱形光标,大概都来源于此吧。

貌似惠普对这个游标生成电路的实现方法很自豪,甚至还为此申请了专利。感兴趣可以参考以下链接。
Method and circuit for generating diamond markers

这是CRT的消隐电路



这是CRT的显示信号选择器



这是HPIB接口电路,上面的拨码开关可用于选择HPIB地址



HPIB接口通过DIP连接器连接至接口板

这块电路也比较有意思。它是用于连接HP8501A,实现OSD屏幕直读的控制器,最初是一个选件,但被默认包含进了后期的机型里。这个模块的核心采用了一颗HP nano处理器,用于将测量数据/设置参数等转换为字符和绘图指令,发送给HP8501A,再由8501A实现显示


传说中的nano处理器,看封装已经比较后期了。早期采用的是白色陶瓷封装

最后看看电源板,机器采用的是线性电源,发热量也不小

整流管,与左边晶闸管做的crowbar保护电路。Crowbar电路可在发生过压时立刻短路电源轨,触发保险丝熔断,使得后续电路免于损坏。著名Youtube博主的HP9825A计算机就是因为缺乏这样的保护电路,恰逢电源调整管击穿,导致了大规模的电路损坏。这台机器每一路DC输出都有保护,我也就比较放心了

这台机器的电源貌似曾经还发生过事故,烧毁了一些走线,并且在背后还有根飞线。所幸机器还能正常工作



~本系列的第二篇到此结束,后续文章敬请期待。感谢阅读~

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