模拟电路时代精品~拆解维护惠普HP3586A选频电压表

avatar · 发表于 2020-2-11 18:19:50

爱科技、爱创意、爱折腾、爱极致，我们都是技术控

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？立即注册

x

背景介绍

在模拟电路统治世界的时代，有线电话系统普遍采用频分复用技术(FDM, Frequency Division Multiplexing)实现电话线路的复用。所谓频分复用，听上去高大上，其实和无线广播电台是一个原理。电话线路的频分复用，也是将多个通道的音频信号调制到不同频率的载波上，叠加在一起，再通过同一根线路传输。到达目的地后，再将信号解调，分配给不同的目的地。

与无线广播不同的是，电话线路的频分复用，信道之间的间隔很小。同时为了最大限度利用信道资源，电话的音频信号也经过滤波器限制。举例而言，CCITT规范中的模拟电话标准就是把音频信号压缩到30–3400Hz范围，然后叠加在相隔4000Hz的载波上。这样，只需要1MHz的带宽，就可以传输250条不同的电话线路。当然，由于滤波器存在，音频信号质量也不会很好，毕竟人耳的感知范围在20–20000Hz。但资本家毕竟都需要考虑成本，3400Hz以下的频率范围涵盖了语音信号的大部分频谱，所以这么设计，也算是在够用的基础上，最大程度节约成本了。

为了分析模拟电话线路中的信号质量，工程师需要对线路中不同频道上的信号进行分析。本文中的HP3586系列选频电压表就是在这样的背景下诞生的。HP3586系列，其实本质上是一个频率精度很高，选择性很好的单边带调幅接收机+高性能带通滤波器+电平表。主要指标如下：

接收频率范围 50Hz ~ 32.5MHz
频率分辨率 0.1Hz
测量范围 +25 ~ –120dbm
测量分辨率 0.01db
接收带宽 20Hz/400Hz/1740Hz(3586A) or 2000Hz(3586B)/3100Hz(Option 003 or 3586C)
带内平坦度 ±0.3db
内置监听扬声器及耳机接口
HPIB控制接口/LED数字读出/控制键盘
这样的设备，在当年价格自然也是不菲，毕竟电信大佬也是财大气粗，舍得花钱。根据1980年5月的HP Journal，3586的定价为9200USD。算上通货膨胀，今天的价格大约是28000刀，折合人民币差不多20万左右。看上去花20万买一个收音机也是挺值的呢23333

原理分析

没什么好说的，上面就是3586的结构框图。可以看出来是个三次变频接收机。信号输入先上变频到50MHz，再下变频到15.625kHz，经过特定带宽的选频滤波器，最后再变频为音频。电平的测量则是直接测的二次中频，通过真有效值变换和对数变换后经AD采样，提供给MPU系统实现显示。

机器比较有特色的就是其一级本振采用三环PLL产生。三个环分别实现频率粗调/频率精调和频率相加，从而实现0.1Hz的调节分辨率。具体的原理可以参考HP3586的维护手册。

这里再解释下为什么3586A/B会出现1740Hz和2000Hz这么奇怪的带宽。由于人耳对于不同频率的声音敏感程度是不一样的，为了结合人耳的听觉感受，去测量音频系统的性能(如信噪比等)，不同的测试标准中定义了不同的权重曲线。在测量时，将人耳相对敏感的频率增益加大，不敏感的频率增益减小。这样，测量出的数值可以更加近似地反映人实际听觉上的感受。这个过程被称为Psophometric weighting。不同标准中，这个曲线有细微的差别。ITU(国际电信联盟)的前身CCITT采用的是CCITT 0.41曲线，而北美更喜欢采用C–message曲线。选频电压表很重要的一个用途就是测量通讯系统中的噪声。3586设计滤波器的依据就是在输入白噪声时，使用仪表读出的功率值与经过相应权重曲线得到的功率值相等。满足这样条件的滤波器带宽分别为1740Hz和2000Hz。而3586C则是通用版，带宽3100Hz。

彩蛋

传说中HP3586系列内置一个彩蛋，按一系列按钮后会播放《欢乐颂》。其实这是机器内置自检功能的一部分，播放欢乐颂是最后一项检查，用于测试机器的音频系统。
要进入测试模式，依次按机器的[RECALL]，[.]，[CNTR?FREQ]，[任意数字]
论坛发不了视频，有兴趣就到我的博客里看吧。

拆解与维护

正面图

电平测量显示

这种表头看着就很可爱

键盘

内部(清理前)
可以看到模拟部分所有电路板都以模块形式组装，并且都加上了厚厚的屏蔽铝壳。做工非常棒(不然怎么对得起这价格呢===)

面板，还是经典且垃圾的HP热熔按键。并且HP似乎还引以为豪

小表头

开拆，清灰

所有插件全取出来的样子，是不是很壮观

清理完成，这金属感太棒了

为防止模块装错并方便调试，每个模块均标有主要功能和测试点信息。同时还像木工由于一样划上斜线。设计师估计是木匠出身吧。。。!

太漂亮了

拆掉所有的模块，需要拧一堆螺丝

插件的样子，亮闪闪的全是金子

取出所有模块后的机箱。安装模块的铝槽是两个整体，不清楚是机加工还是挤压出来的，反正一定是下了血本

机器内好几处警告度量单位的标签，说机器内包含公制单位的零件。估计曾经出过血的教训吧===
不得不说老美的单位系统是真挺乱的，这时候就体现出统一度量衡的重要性了。

从铝槽看背板，整个镀金

背板反面

这台机器的散热设计也很有讲究。因为机器内的电路板密度很高，发热严重，机器采用了强制风冷并专门设计了风道。冷空气从背面的风扇吸入，进入底板下的风道，再从底板上的小孔进入铝槽，对铝槽内电路板进行散热。充分利用了每一点气流，可谓巧妙。因此机器的风扇转速也并不快，噪音很小。

底板上印的一些测试信息

模块之间，重要的信号走的还是同轴线，并没有走底板。
这些线可太脏了，一擦立刻从黑的变成白的。

同轴线的射频连接器，大的貌似是SMB，小的不清楚是什么标准

金子

金子+金子，太好看了

各模块取出，下面会对每个模块单独拍照

输入模块

几个大罐子是变压器和巴伦，用于阻抗变换

输入通道/阻抗切换继电器

PLL之粗调环
为实现9位数的频率分辨率，3586采用了三环PLL结构，两个环(Step Loop/Fine Loop)分别产生频率粗调和细调，再由第三个环(Sum Loop)合成出最终频率。具体原理可以参考3586维护手册。

PLL之压控振荡器和分频器

PLL精调环鉴相器

PLL累加环混频器和鉴相器

PLL之累加环

漂亮的元件

跟踪源输出

二级混频器

输入放大及衰减器

隐藏在PCB角落里的HP标

输入(一级)混频器

变压器-二极管"桥"-变压器，很典型的环形混频器

宽带功率测量电路/输入过载检测/校准信号发生器

二级本振，频率49.984375MHz

AD转换器

中频滤波器

这是实现选频测量的关键，该滤波器可切换20Hz/400Hz和1740Hz三种带宽。带内平坦度和带外滚降特性都至关重要。
机器的400Hz/1740Hz带宽用多阶LC滤波器实现，20Hz为晶体滤波。

频率基准源

似乎就是一个比较好的晶振加上一些温度补偿
如果需要更高精度还可以加钱升级恒温晶振选件

这里板子不小心画错了

中频放大器/真有效值测量/对数转换

这里有个按摩店(雾)

电源控制板
这块板子上带了一个保存数据用的电池，很多机器这个电池都漏了，因此最好尽快拆除

还好这机器上电池没漏

HPIB接口卡，核心是Intel 8035

CPU卡

CPU，是颗Motorola的6800，但打上了HP自己的内部编号

懒得去查是啥了

存储程序的PROM。这么贵仪器居然不加个座，给备份固件添加麻烦

拆解到此结束，下面谈谈使用

通常而言，现在买3586主要还有以下几个用途：
- 装逼
- 情怀
- 用来听内置的《欢乐颂》
- 用于电学测量（信号强度/THD/网络特性等都可以通过一定手段实现，甚至可以结合HPIB实现一个简单的频谱仪）
- 用作长/中/短波无线接收机

对于前三种功能，买3586的任何一个子型号都能满足要求，但对于第四/五种功能，3586A/B与C比起来就稍微次一些。首先，3586A/B的输入阻抗为75欧而不是50欧。其次3586A/B的滤波器带宽过小，对音质影响很大(糟糕的电话音质)。
对于输入阻抗的问题，3586A/B的BNC输入端可选择10kΩ或75Ω的输入阻抗。如果需要50Ω的阻抗，可以选择10kΩ档，再在输入端并一个50Ω电阻。不过机器内部的功率计算均是基于75Ω负载，因此在使用50Ω终端匹配时需要加上1.76dB的偏移量。这个工作可以直接使用机器内部的offset功能自动实现。
对于带宽问题，其实三种型号的主要差别就在于滤波器板A20。扩大带宽的最直接办法就是把1740Hz/2000Hz滤波器直接短路，如下图。实际测试，改装后音质提升显著。当然，这样一来机器的测量功能就不准了，因为不管机器选择哪个带宽，信号都会经过这个滤波器。另外接收选择性也会下降。

简单玩了一下机器，灵敏度还是挺高的，直接拿电线绕了直径大约50cm的一个环就能收到中波。测试视频也在我的博客里。另外，老外有一篇很详细的3586使用教程，高兴的话也可去我的博客中下载。

~完，感谢阅读。愿大家身体健康~

人艰不拆了 · 发表于 2020-2-11 18:54:21

来盘干炸螺丝钉:titter:

cketk · 发表于 2020-2-11 19:08:46

做工真的漂亮

qrut · 发表于 2020-2-11 19:32:53

金灿灿的养眼～

liukai163 · 发表于 2020-2-11 20:06:29

前排围观富豪

2n3055 · 发表于 2020-2-11 20:10:48

HP的仪表做工自然是没得说，这种老设备虽然不贵，就是怕坏，那些订制集成电路或晶体坏了就完蛋了

yizhengsh · 发表于 2020-2-11 20:45:50

:smile:前排围观富豪

mhtlov · 发表于 2020-2-11 20:57:14

老货，金子比较多

aacyxjz · 发表于 2020-2-11 21:02:12

好多金子，一分钱一分货啊

kelchdeng · 发表于 2020-2-11 22:23:21

还带金子的，集成块比较多。可以进博物馆了，固话绝迹了，都用上光纤到家。

Ilovemydigit · 发表于 2020-2-12 11:17:13

楼主是富豪，鉴定完毕:lol:

baiwenlongba · 发表于 2020-2-12 11:56:42

后排围观富豪

皮卡皮 · 发表于 2020-2-12 12:37:19

看做工真养眼啊，国内啥时候也有着种做产品的态度啊:lol:

学习借鉴 · 发表于 2020-2-12 13:49:35

这个仪表还是很不错的，那个时期国内地市级通信机房这类仪表还是“分体式”的。邮电部眉山505厂生产的“选频电平表+控制振荡器+电平振荡器”三箱组合的2MHz仪表，全分立元件，体积加起来也有这个表的两倍大。放在一架仪表车上推来推去的，做载波设备的检修和维护。因为频率低，板件、隔离、接地是以镀银为主的，当然价格也不到这个仪表的十分之一。