本文为HP 8501A 存储/归一化仪拆解。该仪器为频谱/网络分析仪由模拟向数字过渡时代的特殊产物，代表了当时实时数字信号处理的较高水平，其内部架构也相当有意思。如果您拥有一台HP 8505A网络分析仪，我很建议您也找一台HP 8501A，这会大大增加8505A的趣味和实用性。

简介

早期的网络分析仪或频谱仪，通常采用长余辉CRT或存储CRT，使得扫描出的波形易于观看。但这也存在很大的缺点，比如扫描速度较慢时，画面闪烁感会很强，对准确读数造成一定困难。另外，测试仪器本身也会存在一定的非线性，例如网络分析仪，其自身的频率响应就不会是一条完美的直线。现代网络分析仪通常带有开短路校正功能，但早期模拟网络分析仪，如HP 8505A，则需要使用者人工测量开路/短路特性，并在对待测件测量时进行人工补偿，过程相当繁琐。存储/归一化仪(Storage Normalizer)就是为解决此类问题设计的一种仪器。

惠普在1970年代一共推出过两款存储/归一化仪，分别是HP 8750A和HP 8501A。它们都可以连接部分型号的频谱/网分，将曲线数字化存储，并以很高的刷新率回放到仪器的CRT上，以消除闪烁。同时，它们还可以存储参考曲线，并直接从实际测量曲线中减去参考曲线，从而实现仪器的频率特性校准(即所谓归一化)。这大大简化了用户操作，使得测量结果更加精确，测量曲线也更为直观。

相比之下，HP 8750A的功能比HP 8501A简单很多，仅有一组曲线的存储和归一化功能，而8501A则是相当复杂的仪器。它的主要设计目的就是配合8505A或其他网络分析仪使用，可以存储并处理两组曲线，并可通过多次平均降低随机噪音，使得曲线更加平滑。同时它还带有数字化功能，可通过HPIB接口连接计算机，读取测量曲线数据。它还自带了OSD功能，可以在8505的CRT上实时叠加显示仪器的设置状态。最后，通过HPIB接口配合绘图指令，用户还可以使用计算机在8505A的显示器上实现矢量图像和文字的显示，从而将HP 8505A扩展为一台更加复杂，具有高级数字化数据处理能力的仪器。

8505A配合8501A实现的复杂图像/文字显示

正因为如此复杂的功能，在HP 8501A看似简单的外表之下，隐藏了相当复杂的结构。下面为8501A内部结构框图(图片很大，可在新窗口打开原图)

8501A的主体还是采用算数状态机(ASM)架构设计，包含了由分立芯片组成的ALU、内存控制器、DRAM内存、字符发生器等模块。模拟的波形信号由ADC数字化后经储存和运算，再通过绘图DAC转变为矢量扫描信号送给8505A实现显示。同时，它的HPIB接口处还有一颗独立的nano处理器，完成通讯相关的控制和处理。以下是拆解。

拆解

面板上的Logo和型号

控制按钮，可以开关两个通道的显示，存储波形，设置平均数量及开关归一化功能

连接HP 8505A主机后，可在显示器上显示附加信息，甚至通过HPIB接口实现矢量图形绘制

添加8501A之后的OSD信息显示，包含通道信息、光标信息、测量信息等

这是通过HPIB，控制8501A显示的内置字符表。可以看到，除了标准的ASCII字符之外，机器还添加了一些科学字符和罗马字符，方便在工程和科研场合使用。128-159之间的随机图案其实是未定义的符号

通过HPIB绘图指令，可以显示任意矢量图案。HP 8501A在矢量绘图模式下的分辨率为433*361，而直角坐标或极坐标显示模式下，分辨率则可以增加到500*500。前者主要用来显示字符和附加信息，后者则用于以更高精度绘制波形。

打开8501A的上盖，可以看到里面有巨量的电路板，结构胜似迷你版的古董小型机。

背板

拆下面板

面板PCB正面

拨动开关也是用PCB制作，镀金插针与主PCB连接

LED指示灯也很讲究地用了插座

这台8501A的保存条件可能不是很好，加上这一段时期的惠普设备PCB阻焊材质不是很好，板子上出现了大量阻焊水解老化的情况

潮解的阻焊可以用溶剂清洗掉，露出下面镀金的走线。不过清理过程相当费劲，且存在大量残余，很快我就放弃了

拨动开关的触点也有氧化，稍作了清理

下面回到主体部分。主体共有12块PCB，插在一整块背板上

拆掉PCB两侧的固定条，可以看到五彩缤纷的塑料小把手。颜色采用与色环电阻相同的编码方式代表了PCB的编号

由于年代久远，塑料耳朵也出现老化开裂现象，不能用来辅助拔出PCB了

拆掉侧面板

惠普向来很重视仪器的散热设计，这台仪器里的风道设计也很合理。可以看到，冷空气经右上角的风扇吸入设备内部，首先冷却电源部分，然后通过电源与主PCB仓之间开孔的铝板，均匀流过每块电路板，最后从侧面排出，带走大量分立器件产生的热量

电源部分

防止过压的“撬棍”电路。要是这台机器的线性稳压管失效导致高压进入逻辑部分，后果估计是灾难性的

看似很haifai的电源滤波电容，测量表明暂时还未失效

电源变压器

下面拆解主体部分

主体电子部分包括三个子系统，分别是图中左下方的主处理器和HPIB控制器，中间的内存、运算单元和数据采集ADC，以及右上角的显示控制单元。每个子系统由数块电路板构成，中间由屏蔽铝板隔开

这两块是A2/A3电路板，负责处理HPIB通讯

板子上采用了一颗HP Nano处理器。这颗8位处理器主要面向控制应用，甚至没有ALU和加法指令，但指令集和架构都很精简，运行时钟比同期的8位处理器快很多，因此处理能力并不弱，在70-80年代的惠普仪器中大量使用。芯片逆向大神Ken Shirriff有一篇文章详细描述了这一颗神奇的芯片，有兴趣可以参阅文末的链接 [1] 《Inside the HP Nanoprocessor: a high-speed processor that can’t even add》
处理器右边两颗贴有标签的是存放固件的ROM

板子上的IC引脚也有些许老化生锈的痕迹

隐藏在走线中间的hp logo

比较幸运的是，这几块板子的阻焊并没有老化的痕迹

这两块编号A4/A5的电路板为机器的算术状态机(ASM)处理器，它们负责接收面板/HPIB控制器等部件的状态量，控制整个机器的主要运行逻辑

所有带有标签的芯片都是不同位宽和大小的ROM，它们一部分存储了状态转移表，一部分用于替代组合逻辑，还有一颗常量ROM用于存储供主程序使用的部分常量，如内存地址等

下面拆除ADC/ALU和内存区域的四块电路板

这两块是ADC板(A6)和ALU板(A7)

ADC是一颗BB出品的混合模块，采用逐次逼近结构，分辨率12bit，采样率可达40K/S。它用于将模拟曲线的电压数字化

这是机器的ALU，它采用了5片74LS181通用4位运算器，组成了一组20位的数学运算单元，实现波形的平均、减法等计算。
使用74181芯片搭建ALU为当时中小型计算机常用的手段，诸如HP2100/PDP8等计算机的ALU均由74181搭建。而HP 8501A为专用架构的计算机，因此也根据实际需要采用了相当长的ALU数据位宽，只要一次运算便可实现完整的数学运算

这两块编号A8/A9的，是机器的内存板和内存控制器

系统运行的主时钟由内存控制板上的20MHz有源晶振提供

内存板上用了15颗来自TI的TMS4050存储芯片。这是4K*1bit的DRAM，总共给机器提供4K字的容量，字长15bit。这也与当时的通用计算机有很大区别

板子角落上的三端稳压芯片，实际是颗7812，用于给内存颗粒供电

最后是显示部分

A10和A11电路板分别为显示控制器和显示坐标寄存器/字符ROM

显示控制板一角

这颗紫色芯片为2K*8的高速ROM，存储了每个字符的笔划信息，用于生成矢量字符图案

这两块板编号A12和A13，分别为X轴和Y轴的扫描线发生器，负责将坐标寄存器板送来的数字坐标转换为模拟量，并通过积分器实现线段的描绘，保证显示亮度的均匀。整个系统的工作方式与原理，以及绘图指令的格式，都与后期惠普推出的1345A矢量显示模块非常类似，有理由相信HP 8501A很可能是1345A的起源