I 历史

在射频仪器领域，惠普一直是当之无愧的先驱和行业领跑者。惠普在1964年进入频谱分析仪市场，推出了他们的第一款频谱分析仪8551A，开创了频域信号测量的新时代。

HP 8551A 出自1964-8 HP Journal

不久后的1968年，惠普又发布了全晶体管，一体化的141T频谱分析主机，通过搭配不同频率范围的中频和射频插件，可以覆盖20Hz-40GHz的频率测量范围，极大程度扩展了使用场景，也简化了频谱分析仪的使用。

HP 141T,本人有一台正在吃灰,有待后续拆解维修

频谱仪发展史上的第三个里程碑，是惠普在1978年发布的8568A。这是惠普的第一款搭载微处理器的频谱仪，使用了惠普自研，与9825计算器同款的16bit高性能处理器。与其他厂家更早发布的带有微处理器的频谱仪(如采用一颗Intel 4004进行简单控制的Tektronix 7L18)不同，8568A第一次在频谱仪上实现了完善的数字控制和分析。同时，这台机器优异的射频电路设计，也使它拥有了当时业界最高的技术指标。在相当长时间内，1.5GHz版本的8568和22GHz版本的8566都是频谱分析仪业界的黄金标准。直到整整20年后的1998年，8568才和同系列的8566一同从惠普选型手册中移除。

HP 8568A,出自1978-6 HP Journal. 本人也有三套等着填坑

II HP 8562A简介

本次拆解的8562A是惠普在1988年推出的新一代高性能便携式频谱仪。它可以看作是8568/8566频谱仪的微缩版。它采用了锁相本振，所以有着优异的频率稳定度和读出精度。同时机器自带YTF预选器，避免了高频段谐波模式下的多重响应和镜像干扰。得益于全新的结构设计和器件集成度的提升，8562A在不到8566B三分之一的体积内实现了与8566接近的性能，同时将重量从50kg缩减到不到20kg。即便如此，这台机器几乎没有使用贴片器件，在随后的拆解中您可以看到惠普的工程师为了在如此小空间内塞下一堆直插器件所做的努力。

修复后的8562A扫描本地的FM电台

修复后的8562A扫描5GHz频段的Wifi信号

HP 8562A的主要指标如下:


频率范围	1KHz…22GHz (2.9GHz以上为谐波模式,带预选滤波器)
SPAN	0Hz, 2.5kHz…19.25GHz任意宽度
RBW	100Hz…1MHz (100,300,1K,3K,10K,30K,100K,300K,1M)
动态范围	118db
底噪	根据频率段,在-90dbm…-121dbm之间
垂直模式	对数显示(1db/div…10db/div)/线性显示
解调模式	AM/FM
扩展能力	带GPIB接口/外置模块接口，通过外加85620A可扩展内存及添加测量软件
发售价格	$35000 @ 1988，约等于2022年的 $88000

下图是8562A的简化框图，可以看出该机的射频部分为超外差结构，在低频段为三次变频，信号先上变频至3.9107GHz，再下变频至310.7MHz，最后变频为10.7MHz的中频信号。工作于高频段时，机器则是二次变频，输入信号与本振谐波混频后直接产生310.7MHz的二中频，再变为10.7MHz的中频。直到今天，很多频谱依然沿用了类似结构，但数字中频已几乎取代了该机使用的模拟中频。

值得一提的是，由于8562A切换基频/谐波混频器的开关为机械开关，因此无法实现1KHz-22GHz的连续扫描，只能实现1KHz-2.9GHz/2.75GHz-22GHz两个频段内的连续扫描。在后续推出的改良型号8562E中，机械开关被替换成电子开关，从而实现了full span扫描。但电子射频开关相比机械开关脆弱很多，故障率较高。

除了硬指标外，856x系列频谱与外观很像的经济型859x还有一个很大的不同，就是后者采用的是点阵式CRT，而前者还是沿用了高分辨率的矢量CRT显示，从而使得曲线更为细腻，字体也与点阵显示有着明显差别。

下图是调高消隐电平后的显示画面，可以看出矢量绘图轨迹，挺有意思的。

由于8562的部分指标放到现在都不过时，仍有一些应用场景，国内市场上完好的机器价格目前还比较高，通常在5000RMB以上。这台8562A的卖家当时给出了拆机图，目测CPU板有维修痕迹，且机器整体非常旧。但价格很便宜，且射频部分完整不缺件，所以被我买来，想试试运气。事后的维修过程表明，我的运气非常好，易损且昂贵的YTO/YTF都健在。但机器其他部分问题很多，我也花了不少精力才收拾好。

本篇主要记录8562A拆解，维修过程放在Part 2中。

III 拆解

3.1 整体

机器刚收到时的样子，外观很旧，机框有多处受潮腐蚀痕迹

从标签看，这台机器应该是生产线用机，至少用到2012年，且存在故障需维修，所以被产线退下。产线上的机器通常都存在过度使用问题，机况往往比研究所淘汰的机器差很多。

机器外壳，铝折弯工艺。拆除后面的螺丝后机芯可以从外壳中抽出。

机芯底部，这一半主要安装射频电路和机器本振的频率合成器

射频部分，后续有详细拆解

机芯顶部，安装了机器的中频电路板/CPU板/电源和CRT等部分

CRT屏蔽盖上贴的拆解说明，写明了电路板堆叠方式和不同螺丝尺寸

这是固定两侧电路板的螺丝，分三种长度。拆解说明上居然有1:1的示意图，相当贴心

与惠普早期台式设备喜欢采用的背板/插卡式电路堆叠结构不同，这台机器为了最大程度利用空间，采取了折页式电路板堆叠，每块电路板上的功能更多，且元件密度相当大。机器上下两半分别有4块和2块大电路板，电路板之间的互联采用了定制的排线，而非总线背板。

8562的结构设计依旧充分考虑了可维护性。要想维修机器，只需要把机器90度放置，把两侧电路板翻开，水平摊在桌子上，就可以很方便对电路板进行测量。这是一侧电路板完全翻开的样子

翻开电路板后的机器内部，露出了开关电源(保护盖已拆除)

3.2 电源

固定电源板用的螺丝(柱?)，相当鬼畜，但方便拆装

拆出电源板

市电输入处的RIFA滤波电容，看上去相当不健康，随时可能喷发。赶紧拆除

电源板有很多维修痕迹，就连整流二极管都似乎被更换过

电源设计得相当紧凑，初级和次级之间分隔不太明显，且没有开槽。这边的U101光耦用作市电触发，旁边的LT1021则是电源的基准。这么个高精度基准用在开关电源上着实显得有些奢侈。

这颗套着管子的东西是个金封的7912稳压器，它用来给探头提供-12V电源，除此之外机器内部没有其他地方用到这路电压。而套着的管子其实是铝制散热器。

这颗稳压器的引脚已经松动，可能和散热器过重有关系。显然芯片也已损坏，后续维修时进行了更换

另外比较恐怖的是，这块电源板在轻载时不能正常稳压，输出的5V比偏高很多，直到加了相当大负载之后才可正常工作。其实这在不少设计中是正常现象，经过测量，本机的电源板加负载后工作正常，且电容暂时不存在失效问题。

3.3 左侧结构

在CRT左侧，有两块电路板，分别是校准信号源板和CRT驱动板。想拆除需先拆掉侧面支撑结构。

校准信号源板，用于产生前面板上的300MHz校准信号，同时有一个功放用于驱动喇叭播放AM/FM解调后的音频

镀金接插件。在后期生产的机器里这些接插件被换成了不锈钢材质

拆下校准信号源板。这台机器的每块电路板基本都装有专门定制的铸铝屏蔽盖，用于减少关键电路之间的干扰。一台机器的模具成本就相当高，但也最大程度压缩了模块的体积

拆除屏蔽盖

电路板正反面

我在这块板子上找到颗短路的钽电容，暂时更换成两个普通的X5R陶瓷电容。

下面是CRT驱动板。这块板上有高压，所以套着透明的保护壳。保护壳上标注了各个测试点和调节点信息，部分藏得较深的电位器周围还加了限位，防止调试时螺丝刀捅错地方导致触电。

CRT驱动板正反面

几颗高压薄膜电容

这边是CRT偏转驱动电路。这台机器的CRT还是采用了静电偏转而非磁场偏转，响应速度更快，线性度也更好

3.4 CPU板

CPU板是位于机器上方的第一块电路板，显示驱动电路也集成在这块板上。因此整机哪怕只有这块电路板工作正常，CRT也能点亮。这是它翻开后的样子

机器的大脑，一颗Signetics生产的MC68000

这颗是机器的EEPROM，属于比较早期的EEPROM，用于存储出厂校准信息

机器的固件存放在6片64KB的EPROM中，总容量384KB，还是比较大的。边上的是运行内存，采用的是SRAM而不是DRAM。部分内存还连接至备份电池，掉电后仍能备份信息。

这颗是HP设计的ASIC，用于控制矢量绘图。它有自己的显存，也是两颗SRAM芯片，在图的右下角(拍漏了，只露了个边)

这是矢量绘图的模拟部分，最左侧两颗PMI芯片为高速DAC，用于生成坐标点，右侧则主要是积分器等电路用于描线。整个电路的功能和原理与HP 1345/1349矢量显示模块的控制部分差不多，但作了很大简化，且分辨率也有所降低。

电路反面有维修痕迹，连电路板都被烫起泡了，可见维修手法相当不专业。好在后续测试表明这部分电路并没有问题。

CPU板反面

后续维修中，CPU板也加了不少戏，导致我更换了CPU/部分逻辑电路，拆装了所有的RAM，并且更新了固件。好在机器最后顺利修复，这是修复后CPU板的样子。CPU被我换成了金光闪闪的陶瓷芯片，并且增加了插座。

3.5 接口板

接口板是连接CPU板与其他功能区的桥梁，包含总线驱动电路/键盘驱动/触发电路以及最重要的视频放大器、峰值检波器和视频ADC。这里所说的“视频”是个频谱仪中特有的概念，它指的是经检波后，表示待测信号幅度的信号，在频谱仪显示器上控制曲线在Y轴上的位置。同时，控制频谱仪视频带宽VBW的滤波器也在这块板子上。

拆掉屏蔽盖的样子，盖子下是视频信号相关的模拟电路

局部特写，感受一下这恐怖的元件密度

电路板反面

重要电路周围有等电位走线处理

3.6 对数放大器板

我们都知道，射频功率通常使用对数单位，如dbm表示。为了让频谱仪能以对数方式绘制曲线，同时又要在视频ADC分辨率有限的情况下达到尽可能大的动态范围，需要将线性信号进行对数转换。这块电路板主要就是实现这个功能。

拆掉屏蔽照，下面的器件密度也是相当可观。对数放大电路主要占据电路板右上方区域，一共有9级。线性信号在9级转换电路中被逐步整形为对数输出

电路板局部

DIP8封装的排容

这块电路负责AM/FM音频解码，左下角的1826-1326实际上是LM3189，一颗常见于收音机的FM中频芯片

Mini Circuits生产的高频变压器，10.7MHz的中频信号由此耦合进对数放大电路

信号输出级电路，包含放大器和调节偏移的DAC

某一级对数放大器局部。这些RCA生产的集成电路内部其实是5颗生长在同一晶圆上的NPN三极管。这样的生产工艺保证了晶体管之间的一致性，也减少了体积。因此这种五胞胎晶体管在整个机器里都被广泛使用

对数放大器反面

3.7 中频板

中频板用于处理10.7MHz的中频信号，调节RBW带宽和中频增益。它的核心是两个晶体带通滤波器和两个LC滤波器。通过切换滤波器组合，实现不同的中频带宽。

拆开屏蔽罩的样子

屏蔽罩外围有大量DAC芯片。这些DAC驱动中频滤波器上的变容二极管，对滤波器特性进行微调

第一级晶体滤波器(左侧)和LC滤波器(右侧)

第二级晶体滤波器和LC滤波器

藏在LC滤波器中间的四个变容二极管，右下角的四个串联二极管也是变容二极管

驱动滤波器的放大电路

可爱的变压器

电路板反面

似乎是测试用的图案

3.8 底部结构与射频前端

机器的底部主要为本振和射频功能区，由两块电路板和射频模块构成

这两块电路板实现机器各种频率信号的合成与主振荡器YTO的控制，包含大量的PLL

机器的射频电路

上图中各个模块的功能如下:

#	描述
1	本振分配放大器，将YTO的3-6.81GHz输出放大并分配给各个射频模块
2	2.9GHz低通滤波器，在频谱工作于低频段时启用，防止高频信号进入混频器，产生镜像干扰
3	双混频器，一路混频器用于2.75GHz-22GHz高频段，将本振的谐波与输入信号混频，直接产生310.7MHz中频。另一路用于1kHz-2.9GHz低频段，把信号上变频为3.9107GHz的一中频
4	YTF(Yig Tuned Filter)预选器，在高频段工作，滤除输入信号中位于谐波混频范围之外的信号，从而消除镜像与多重响应的干扰。这是一个选件，在8562B中省略了这个滤波器，节约了成本，但观察超过2.9GHz的信号时会出现大量虚假的镜像峰值
5	二次混频器/6倍频器。当频谱工作在低频段时，6倍频器将机内提供的600MHz信号倍频成3.6GHz，与一次混频出的3.9107GHz中频产生310.7MHz的二中频。机器工作在谐波模式时，二次混频器被旁路
6	YTO(Yig Tuned Oscillator)本振，产生3.0-6.81GHz的本振信号，实现扫频
7	输入衰减器，范围0-70dB
8	低频段/高频段切换开关

金光闪闪的射频模块特写

隐藏在黑暗中的YTO本振

以下是网友BA7LHS(twitter @HanxiaoM)提供的故障HP 8563A YTO拆解，揭露了魔法的内幕。可以看到巨大的YTO内核其实只是一块指甲盖大小的陶瓷射频模块，整个振荡器其他部分主要被励磁线圈占据(图片未拍出)

模块左侧是实现震荡的射频三极管裸片，模块上方形薄片为高频电容，而右侧陶瓷片盖着的是检测输出功率的耦合器。耦合器下方连着的可能是检波二极管

真正的魔法，传说中的YIG，其实就是这颗固定在针尖上的小球。它全称是Yttrium Iron Garnet(钇铁石榴石)，是一种磁性材料，直径只有约0.5mm。YIG小球套在一段环形电感中。当外界静磁场发生变化时，小球的电磁谐振频率发生变化，从而改变振荡器的频率。

由于维修初期测试，这块二次混频器电源存在短路，我将其单独拆下检查

拆除屏蔽盖

电路板标注

这块电路是300MHz 6倍频器，产生3.6GHz二本振

穿心电容，电源由此输入

藏在吸波材料下面的微带滤波器

电路板反面和混频器腔体，由于拆解腔体会影响射频性能，且暂时不具备较准能力，就没有做进一步拆解

3.9 射频板

这块是机器的射频板，它实现三个功能：

生成机内所需各路基准频率
对310.7MHz中频下变频，产生最终的10.7MHz三中频，提供至对数放大器
对YTO本振频率采样，与频率控制板上的roller PLL形成闭环，控制扫频

这颗大金块就是本振采样器，输入来自本振分配放大器。这台机器的本振PLL比较复杂，原理就不展开说了

这块电路区域为各路基准频率发生器，包含几个倍频器/PLL。右上角的是机器的频率基准，一颗10MHz的TCXO

TCXO特写

金光闪闪的600MHz晶体滤波器，这块电路产生600MHz基准频率

这边一颗射频三极管居然被人拆掉了，不知道出于什么目的。难怪机器一开始报各种错误，且没有本振信号

这块区域是三次变频电路

漂亮的混合模块，是二中频放大器，放大后的信号进入混频器，与300MHz本振产生10.7MHz三中频

来自Mini Circuits的三次混频器

带座子的射频变压器

这边的电容跳用于方便调试时断开信号

板子上还有一根同轴线做的电感，属于采样振荡器回路的一部分

射频板反面

3.10 频率控制板

频率控制板是控制频谱仪扫频的核心，它驱动YTO线圈，改变YTO频率实现扫描。板子上有三个VCO，构成所谓roller PLL，实现频率精调。同时板子上还有YTO粗调DAC等电路，实现本振频率在大范围内的调节。
根据扫描频率范围的不同，这台频谱仪控制YTO的方式也不同。在1MHz以下的SPAN，扫描斜坡信号通过roller PLL注入。在1MHz-20MHz之间，扫描斜坡信号通过YTO的FM线圈注入，而更大范围的扫描信号则通过YTO的主调谐线圈注入。
由于扫描时，PLL无法同步跟踪频率的变化，所以这台机器的扫描采用了所谓“锁定-滚”(雾的方式。扫描开始时，PLL控制YTO频率锁定在起始频率上，随后将PLL开环，并向相应位置注入扫描斜坡，开始扫描过程。这其中牵扯到多个PLL环路的调节，以及多个VCO的预调谐，逻辑相当复杂。因此我们能看到频率控制板上有大量的DAC，用于产生各种预调谐电压。