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[60年代]电与磁的极致艺术~1968年的HP9100A晶体管计算器(机)[240P多图预警] [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 我要置顶 楼主  发表于: 2016-04-03
— 本帖被 香瑶 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2016-04-05) —
由于各种原因,距上次发帖快有一年了。一个月前,出于各种机缘巧合,我从香港的一个网友处得到了一台HP9100A计算器。HP9100是惠普公司在1968年发布的一台可编程科学计算器,是世界公认第一台真正意义上的科学计算器(可以计算三角函数和对数函数),同时也是惠普公司计算器部门的第一个产品,由此开启了惠普长达40多年的计算器生产历史。1968年刚发布时,这台机器的价格为4900美刀,换算到现在大约是35000美元,相当于前几天刚发布的特斯拉Model 3电动车的价格。其实严格意义上来说,这台计算器应该归为计算机的范畴,因为它自带了强大的编程功能。机器可以存储196步程序,自带了2208bit的磁芯存储器,可以外接打印机、绘图仪、读卡器等各种外围设备,或是连接仪器作为数据处理终端,甚至可以使用外置内存极大地扩展机器的存储空间。

在1968年当时主流的计算机长得是这个样子:


(IBM 360,图片来自wiki)

然而,HP9100却是这样:


可想而知,这台机器的出现,在当时会是多大的轰动。然而,惠普依然把它当作计算器售卖,主要是为了避开当时很多公司与企业繁琐的计算机设备购买流程。另外在那个时代,也有很多人对微型化的计算机保持怀疑态度,认为它们并不可靠,作为计算器,则可以一定程度上打消这些人的顾虑。
值得一提的是,虽然之前也出现了微型化的桌面型可编程计算器,比如Olivetti的Programma 101,然而这台机器却是首次提出“个人电脑”(Personal Computer)作为宣传口号的机器。更有传言说,乔布斯接触到的第一台计算机也是HP9100。他曾经深深被这台机器吸引,也从此萌生了制造个人电脑的想法。
放大上面的广告,我们就可以发现,“Personal Computer”一词已经出现在了广告中。据考证,这里就是“PC”一词的头一次亮相。所以,一些人甚至把这台计算器看作世界上第一台个人计算机。然而别忘了,当时还是1968年,大家普遍接受的IBM PC,则是在接近15年后才真正面世。。。



虽然HP9100是1968年的机器,在当时集成电路已经普及,但出于成本、设计难度和可靠性等综合考虑,惠普最终还是选择了全三极管来制作这台机器。统计了一下,整个计算器一共包含了2000多个二极管和800多个三极管。想把这么多元件塞进如此小的空间里,不得不说是一项工程上的奇迹,也基本上算是晶体管时代的巅峰之作了。
此次展示的机器,估摸着来自香港的垃圾场,应该是作为电子垃圾被[非法]进口到国内来的。可惜的是,机器的键盘在运输过程中被砸得不堪入目,又在卖家手中被进一步破坏;机器经典的蓝色惠普商标也被卖家弄得不知所踪,甚至铸铝的外壳都被砸断了。机器一开始不能工作,然而作为不可多得的珍宝,我还是第一时间抱着试试看的心态拿下了这台机器。
下面是卖家发来的图:





机器是纯铝铸造,非常沉,有20公斤重。还好这次有幸在国内得到这样一台机器,倘若在国外的话,运费估计得让我哭死了



拆开包装,先一睹为快



机器的铝壳有3mm厚,想断成这样不知道是受了多大的外力。


下面就开始拆解清洗和修理的过程了。

简易的摄影棚,由DIP芯片管子和白布粗制滥造而成,可惜对这台机器显得小了点。此时已经拆下了机器里的主要电路板和显像管



这台机器使用了显像管作为显示输出,比起Olivetti单纯的打印输出要人性化了很多。显象管由惠普自制,和示波管很像,由X-Y方向的偏转电极控制电子束方向,而不是像后来的电视一样采用磁偏转。
这次算是走了大运,虽然机器被砸得不像样,但显像管居然没有破。这台机器用的显像管是特制的,要是坏了,就无处可寻了。







这里可以看出显像管电子枪的结构,从左到右分别是阴极、第一第二第三加速极和偏转极



显像管的标签,5083-1551是惠普自家的元件编号。标签下面的消气剂还是银色的,说明没有漏气的痕迹



显像管内壁有银镀层,然而上面还有指纹?莫非当时工厂的工人没有戴手套?



显像管前面,可以看出来比较明显的烧伤痕迹。这里也为维修埋下了伏笔。


由于之前机器惨遭过非人的摧残,显像管座与管身之间的胶连已经完全脱离。用耐高温的硅橡胶重新固定,暂时把显像管清理完毕。。。





下面看看被破坏得很惨的键盘。。。虽说键盘面板被砸得四分五裂,但幸运的是碎片基本上都还留着,有空的话可以慢慢粘起来。



去掉键盘面板,里面的骨架是一整块很坚固的工程塑料,这要也能被破坏就真神了



反面



键盘与主机的插头是一个小电路板,上面一排电容用来增强抗干扰能力



仔细看,电容居然还标明了材质(X5R),这是一种非常稳定的电介质材料,高频性能好,温度稳定性也很高,即使现在,X5R材质的贴片电容也比一般的电容要贵一些。

拆开键盘后面的铝盖,可以看到里面的结构了~



这里一排三极管用来实现键盘编码。值得一提的是这机器的键盘不是扫描模式,而是直接用二极管和三极管实现编码的,输出6位的键码,和是否有按钮按下的信号。得益于巧妙地电路设计,当两个或更多键同时按下时,输出会自动被抑制,防止发生逻辑错误。


这两精密电阻不知道干啥的



电路板一角的编号

键盘采用的开关都是镀银的,其特殊的机械结构由惠普工程师设计,用来保证按键手感。仔细看是不是很像现在鼠标微动的放大版呢~

线扎得非常规范



编码电路


拆掉固定电路板的螺丝可以看到电路板以下的结构


每个按键连接了一根不锈钢棍,穿过电路板对应位置上的孔,带动板子另一边的开关





既然是垃圾堆里来的,清理过程自然必不可少




拆下的键帽



键帽毫无悬念用了双色注塑工艺。为了保证手感减小噪音,每个不锈钢棍上还固定了一个橡胶缓冲垫,可惜年久失修都老化断裂了




清理完的键盘塑料框架。。。



和一共三种颜色的键帽。。。



找了根硅胶管,剪成一节一节用来替代失效的橡胶圈。嗯,又能恢复当初的手感啦~



清理完的键盘,那个tan x键被卖家损坏了,不锈钢杆丢失,只能日后找机会再修了







整个键盘不含电路就有接近1公斤重,质量真的过硬。。。


这个是键盘右侧的小数点位数选择开关,也损坏了



拆散后,弄正螺丝,粘好断裂的玻纤板,再装回去。。。


键盘上方的开关也损坏严重



清理后变得崭新了~

再加上润滑油,重新装起来


最终清理完成的键盘,还不错哦~


清理完显像管和键盘,现在回来看看机器


移除几块电路板后,可以看到机器底部的底板。是不是有点密集恐惧的感觉~
稍后再介绍。。。



机器侧面的几块电路板



连接器



机器上盖上有三块小板子,其中一块插在电源模块上。左边两块板中间是显像管的位置,现在显像管已经被拆了~



电源模块的调节孔和警示标语。调节孔里面是几个电位器



下面看拆下的三块小电路板。上面这块主要控制稳压电源,同时负责控制显像管的高压发生器。下面两块是显像管的水平和垂直偏转板



电源控制板




这个功率管全身金光闪闪,简直亮瞎了
然而不知道生产厂家,有人知道不?


思碧电容



三个电位器,分别用于调节高压电压、15V主电压和显像管的聚焦



这是垂直偏转板(vertical deflection)


其实这块板还兼具了字符发生器的功能,用于接受CPU的触发指令,转成电子束运动轨迹,实现七段显示的功能。所以上面有三个电位器可以用来调节字符的位置、高度和相邻两行之间的距离。



水平偏转板也很类似





扫描驱动管是两个RCA出品的2N3440



各种七彩斑斓的元件。。。


下面回到主机,开始拆读卡器。HP9100使用了和Olivetti 101类似的磁卡用来存储程序,为此惠普还向Olivetti支付了90万刀的专利费。



仔细看一下,所有直接拧在机器铸铝外壳上的螺丝,截面居然都是三角形的。不知道是出于什么目的。不过估计是自攻螺丝的一种



读卡器翻过来,简直亮瞎了。密密麻麻的电容电阻和三极管啊。。。





下面单独看一下读卡器的电路和机械结构





惠普的这台机器,堪称模块化设计的典范,各个不同部分之间仅有很简单的接插件连接,相比同时期其他的计算器,简直是艺术品。
这个读卡器作为单独的功能模块,也有象征她自己身份的专门编号。


拆掉固定整个结构的铝板,看看电路板


反面



惠普作为一个情(zhuang)怀(bi)的公司,从来不会忘记在板子上加上自己的logo,哪怕空间非常有限。。。



电路



整个电路仅由三极管、二极管和、电阻和电容组成。这上面用的基本是摩托罗拉的管子。



这个长了六条腿的元件,在一些资料中说是最早期的运放。但仔细研究后,发现它其实是特殊的三极管对管,也就是在一个罐子里封装了两颗精确匹配过的三极管。估计是用于构成磁头信号的精密差分放大器。
在9100A的后继者9100B计算器中,这些放大电路被集成运放取代。然而机器的其他部分仍旧没有一颗集成电路,还是由三极管构成。



这一坨东西就是读卡的机械结构了。


精密电机,用于保证读写过程中卡片匀速运动



读卡器上有一堆微动开关,有的开关直接与电机相连,使用最简单的机械方式控制电机的起停。其余开关则负责检测卡片是否就位、是否只读(把磁卡剪掉一个角就可以把卡片设为只读)。



读卡器反面




磁头,左边是驱动卡片的橡胶轮。可以注意到橡胶轮有一个切面。其实当读卡器在非工作状态下时,这个切面正好与卡片的方向平行。这样一来卡片就可以自由地插进读卡器,而不会被驱动轮卡住。






看完读卡器,顺便拆掉剩下的螺丝,整个机器的核心,包含着所有重要电子线路的金属笼子就可以被轻松取下



取下机芯的机壳。。。原谅混乱的背景吧~摄影棚实在放不下啦


掀开黑色的塑料绝缘片,咦。。。下面居然有一个塑料做的简单使用说明。。。
使用者在使用计算器时,可以随时从机器正下方抽出这个快速指南,查询基本操作和键盘编码表。



黑色的塑料绝缘板上居然还粘了张惠普的名片,写着"SERVICE",说明如果机器出了问题,打这个电话就能找人来帮忙维修。
把名片贴在机器底下,还真是贴心啊!估计惠普就想着用户一定修不来,必须找他们自己的工程师呢。
也不知道名片上的人(CRAIG ERICSSON),今年多大年纪了呢。。。



下面开始正片---一起来看看整个机器的核心计算部分。
不得不再次感慨这台机器模块化的设计,整个机芯与电源和显示部分只有一个插头连接,机芯想拆下来也是非常容易。即使单独的机芯,看上去也像艺术品一样。。。
为了拍照,这次我把底板上插着的5块板卡都装回去了。



反面看,左边圆柱状的东西是读卡器的电机,右边的大空当刚好可以让出空间来安置显像管。



侧面看。。。真的是艺术品啊!难以相信,这居然是一个完整的计算机系统,包含了输入输出、CPU、ROM和RAM。更难以相信的是,这居然是完完全全用三极管实现的。一定是魔法吧~









下面看看机器上的5块独立板卡。其实这五块板的分工非常明显,不像同时期的其他晶体管计算器,所有的逻辑电路都像一锅粥一样混在一起。这样的设计,使得机器维护起来方便很多。
图中的板子,上面两块是寄存器板,每个上面集成了40个触发器,下面三块板从左至右分别为磁芯存储器板、存储器驱动和放大板,还有时序控制和微指令板。在下面分别详细介绍。



下面这块是时序控制和微指令板,是这台机器的核心。这台计算器使用的概念,和现在的CPU非常相似。所谓的计算机指令,就是CPU执行的一条条机器代码。CPU需要将这些机器码解析,再去协调CPU内各个模块的运转。比如最简单的读取内存指令,就要拆分成向存储器发送读取信号和地址、读取数据线上的内容、以及写入寄存器这些基本操作。而微指令则是用来协调这些操作的时序。
这块板子上,有29个"线绕存储器"(后面会介绍),存储了机器运行每一步需要执行的动作,从而协调整个系统的运行。不得不说,当时的工程师简直是天才啊~









电路板一边的编号



这些二极管主要用来实现驱动信号的解码。每个二极管连接了一根漆包线,穿过后面的29个小磁环,而穿线的方式决定了存储的内容。后面也会具体介绍。






这是测试接口,用于出厂前的检测


下面看到的,就是所谓线绕存储器了。这里排列了29个小磁环电感,用来检测漆包线的电流,并且对应了29种最基本的逻辑操作。每个磁环电感连接一个三极管,用来放大信号。


这些是驱动三极管,用来给漆包线通电产生激励信号


换个角度看看,是不是很壮观~



板子上还带了一个晶振,用来给整个机器提供心跳---时钟信号



这些红色的条状物其实是集成的电容和电阻,也就是现在所谓的厚膜电路。用直立的封装可以进一步减小体积。



关于线绕存储器,可能很多人还是不能明白它是怎么工作的。其实这种存储器的原理非常简单,就是电磁感应。下面的图就是一个基本的存储单元。
如果用于产生激励的漆包线穿过检测磁环,当漆包线通过电流时,磁环上绕的检测线圈就会产生感应电流,检测电路就会认为这跟线存储的内容为1。相应的,如果漆包线只是从磁环外绕过,当线里通过电流时,并不会在感应线圈中产生电流。这时就表示存储的内容为0。
实际中,每个磁环可以穿过很多根漆包线,每根漆包线也可以穿过很多磁环。如果有32根漆包线,8个磁环,就可以存储32x8bit的数据了。




其实,这种线绕存储器,最早的应用是在1967年的阿波罗登月飞船主控电脑上。下面这张图就是阿波罗主控电脑程序ROM的测试原型。这种存储器的存储密度在当时比主流的磁芯存储器高出了几个数量级,而且结构简单,可靠性非常高,因此才能成功应用在登月这么严格的工程上。不过,一旦绕线的结构确定下来,程序也就不能修改了,所以这种技术只能用作ROM,而不能当成RAM使用。



看完主控板,下面来看机器的记忆中枢--磁芯存储板。









logo自然是免不了了



这里有些调节用的电位器,估计用于调节驱动电流



电容很可爱有木有~




这些是磁芯板的驱动三极管,用来产生激励,从而读写里面的内容


电路板最中心,是一个神秘的绿色方块。其实这就是所谓的磁芯存储器了。这个方块里,一共有2208个小磁环,组成了2208bit的存储空间。很遗憾,这台机器的磁芯板是焊住的,所以就不拆了。


如果拆开,里面应该是类似这样的结构。



磁芯存储器是50-70年代之间使用非常广泛的一种存储装置。主要通过磁化一个一个单独的小磁环实现数据的存储。之前发过一帖讨论磁芯存储器:http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=168216,这里就不展开了~
值得一提的是,由于磁芯存储器是非易失性的存储器,断电后,磁环中存储的数据不会丢失。因此无论何时断开这台机器的电源,下次再通电时,机器都会从断电时候的状态继续开始运行。用户编的程序也不会在断电后丢失。很神奇是不是~



第三块板是配合磁芯存储器的电路,上面有6路禁止驱动和6路传感放大器,配合实现磁芯存储器的读写。












编号


这一部分就是6路放大器(Sense Amplifier),用于在读取时检测磁芯极性是否翻转。



这六个大个头三极管用来驱动禁止线。禁止线的目的是当内存写入特定位时,像内存中的其他磁芯通入行选和列选相反方向的电流,以此抵消它们产生的磁场,从而避免别的磁芯被写入信息。



下面出场的是最后两块板,也就是触发器板。
这两块板结构完全相同,因此也可以相互替换。每个板子上有160个三极管,组成40个JK触发器。JK触发器其实就是RS触发器再加上一个翻转控制信号。在这台机器里,这些触发器还有个功能,就是实现取反(非门)的功能。









板子上也大量使用了红色的集成电阻电容模块



三极管。。。这块板子上,用的全部是PNP三极管,组成的逻辑电平也是0V代表0,-5V代表1。表示并不能理解这么设计的目的。。。



二极管,用于集体清零和翻转


这里贴一张非常罕见的设计手稿图,是HP9100最初的设计草图。里面画的就是触发器板的一个单元、触发器的电源稳压器和翻转信号的驱动电路。


整个机器的逻辑部分,使用的是单一的15V供电。如果某个电路部分需要其他电压,则由该模块上的稳压电路实现降压。
下面这个角落上的电路就是触发器的-10V电压稳压器。因为卖家说机器通电冒过烟,这部分的颜色也明显不太正常,所以对它单独进行了检查。


检查中,发现那个发黑的电阻似的元件,其实是10V的稳压管(手绘电路图里也说明了),而那个扩流三极管的bc极短路。一开始怀疑三极管坏了,就把三极管拆下,准备用新的管子替换。


然而事实却是。。。PCB制作过程中,存在瑕疵,拆下三极管后才发现两根走线之间有很细的粘连,把它们短路了。。。呃。。。
不能理解为啥这样的问题在质检过程中没有被发现,也不能理解在不正常的电压下,机器为啥能一直运行。。。。不过这个短路,导致10V的稳压管直接短接在15V电源上,因此一直大量发热,在电路板上留下了痕迹。



用小刀切断瑕疵,测量了稳压二极管居然还健在。于是把原来的三极管原封不动换回去。。。这一部分算是正常啦~


接下来继续看去掉5块板卡的机芯


拔掉两侧的小板子



两块小板子主要用于连接底板和底板下面的一块板(先留个悬念)
同时,小板还负责驱动错误指示灯,以及连接电源和CRT扫描电路。






情怀。。。。



小板上也有些三极管



连接器的型号




下面重点来了~~~



把机芯反过来。。。卧槽这怎么还有一块板。。。卧槽这一整块金光闪闪的究竟是啥。。。。




且慢,先拆了那个铝盒。
里面全是二极管,数了一下,一共512个!


板子的反面,有一块神秘的黑色盖子覆盖


拆掉黑色盖子,终于见到庐山真面目。没错,这就是传说中用16层PCB制造的程序ROM!而那块黑色盖子则是一整块覆铜板做的屏蔽层。
绿色的ROM周围是ROM的驱动电路,左右两块相似的板是放大器,下面那块则是驱动电路。



正面看



反面看



透光看






下面看看驱动电路






侧面的三极管构成放大器



情怀。。。。。。



放大器一角



揭开盖子,装着512个二极管的铝盒。
每个二极管都是接地的,因此我怀疑这可能是驱动电路用的续流二极管?




近看。。。密密麻麻的二极管丛林啊~



下面来看看重点。这块绿色的电路板,就是整个机器智慧的来源---存储了控制程序的ROM。这块电路板共有16层。想想这还是在1968年啊。即使换到现在,主流的电路板还是4层为主,手机的主板多数在10-12层,而16层的电路板,在那个年代简直是黑科技般的存在。。。


侧面看这块电路板,似乎能看出它并不简单的内涵。
不得不说的是,这块电路板,还是有史以来第一次使用特氟龙作为电路板的材料。在这块ROM的密度下,当年的电路板材质,面临着漏电大,电介质常数不稳定等各种问题。聪明的惠普工程师,尝试了当时刚刚出现的新材料---特氟龙。果然,这种材料效果很好。时至今日,特氟龙基的PCB仍是高端电路才会使用的材料,通常用在高频场合,其性能比常见的FR4材质好很多。


神秘的16层ROM并不能拆开,但国外有网友拆掉了一个已经损坏的ROM板,这样我们就能一窥其中的奥秘了。
下面一张图就是这个ROM板的内部。紫铜色的弯曲走线,是激励走线。而下面一层黑色的走线则是感应线。通俗而言,这两侧走线,构成了一个变压器结构。当上层的走线通入电流,下层就会感应出电流,而上层走线的形状,决定了下层感应线中电流的方向。




这张图中,画箭头的两处走线,分别存储了0和1。存储0的走线,是U字形,而存储1的走线则是n形。这样,当这根激励线中通入正方向的电流时,两个数据位对应的感应线,会分别感应出正向和反向的电流脉冲,从而给出这两位存储的数据。
不得不说,这样的设计,真是把电与磁的艺术用到了极致。凭借着10mil的线宽、16层的工艺和特氟龙的特别材质,惠普的工程师把这块存储器的密度提升到了1000bit每平方英寸,也就是155bit每平方厘米。相当于在指甲盖的面积上,存储了20字节的信息。这在当时甚至超过了最先进的ROM芯片,实属工程上的奇迹。。。


另外,由于HP9100的处理器并不是标准的,并没有汇编语言,更别提高级的编译器了。加上整个系统也要设计得尽可能简化,惠普将整个系统设计得更像是个非常复杂的状态机,而非一个现在标准上的电脑。所以整个系统的程序,都是完完全全用流程图设计的!下面就是几张最初的流程图手稿。第一张图实现了非常著名的CORDIC算法,用于非常高效地计算三角函数。这也是曾经用在飞机导航仪上的CORDIC算法首次运用在商业设备中。第二张图则实现得是键盘输入过程的判断。
所有的程序,最终被人工“编译”为0和1,继而转换为PCB上走线的图案,存储在一共32Kbit的PCB板内存中,构成了整个机器的灵魂。时至今日,仍然难以想象当时工程师们为之付出的心血。。。这里,不得不向伟大的工程师们致敬了。




接下来看看ROM板一侧的电路。这里一共有16个大三极管,32个小三极管。每个大三极管和两个小三极管相连,小三极管再连接至ROM板中的激励线。这些电路,实现了最低和次低地址位的解码,同时巧妙实现了驱动功能。


仔细检查,发现中间靠左的一个电阻开裂了。。。。量了下,虽说阻值还存在,但为了可靠,还是换掉吧~


翻箱倒柜,终于找到一个同时代,且电阻值相近的电阻。这里的电阻都是碳质电阻,误差约为10%,因此相比要求不是很高,新换的电阻也能胜任前任的工作。









看完整个机器的灵魂,我们来看看剩下的最后一块电路板,也是连接整个机器各部分的“骨架”电路板。


拆下板子,留下一个整洁的铝框,这工业设计真是绝了。。。






拆下的电路板。上面密密麻麻的东西,密集又非常规律,简直是密集恐惧症的噩梦,强迫症患者的福利啊~(如果两者都是怎么办2333)
其实,这是二极管和电阻组成的或逻辑电路。



电路板反面,依旧非常整齐。。。


正面


反面



放大后,可以看见电路板至少有6层,每层上,都有复杂的走线



正面看,二极管和电阻相隔排列。据计算,整个板子上一共有735个二极管。。。这时候,是不是你已经蒙逼了~




其实,上面是电路板在我们眼中的样子,在工程师眼中,上面的电路是这样的。。。



更疯狂了是不是~每个二极管负极都连接至不同逻辑部分的输出,部分二极管的正极按需要接在一起。之前已经说过,整个机器是负逻辑电平的,因此每组二极管中只要有一个输入为负,这一组的输出就是负。这样,就实现了或的基本逻辑。
这么多二极管,要把它们整合在一起,真难以想象居然是人类的智慧可以做到的。。。如果说这台机器是魔法,或是外星人的杰作,估计大家一点不会惊讶吧~
其实,整体看来,这台机器的结构,更像是在1968年,用30年后设计FPGA的思路,用三极管实现了一个电脑。现在的FPGA,也是通过与或者或逻辑阵列,连接触发器和逻辑运算单元,从而实现完整的逻辑。这与HP9100使用二极管或阵列,连接80个触发器,实现逻辑功能的思想简直不谋而合。不得不说,科学家的思想实在是太先进了,然而当时的技术条件,着实限制了他们的发挥。

这些蓝色的插座都是镀金的,质量非常好



无处不在的情怀。。。



近距离观察这逆天的二极管阵列。。。






放大。。。



再放大。。。
这里可以看出了,每个管子都印着字母F,意味着,这些都是仙童公司(Fairchild)生产的二极管。



放大的电阻。。。






烫金的数字标明行数,边上是飘逸的走线(其实都在内层)





透光看,是不是有种通透的感觉呢~






凑近看,整个板子错综复杂的连接都历历在目。大家数数有几层吧~





至此,机器的精髓都拆完了,下面是其他部分的拆解和清理过程。


空荡荡的机箱,底部有进水的痕迹。。。




电源插座和滤波器



打理干净后,漂亮多了~



这个大三极管是整机-15V线性电源的调整管



电源模块上的变压器,上面有前人留下的记号,意思是要想拆下电源模块,需要移除这三个螺丝,第四个则不用动。看来我早不是第一个拆机器的人啦~



拆下的电源模块,里面还有一块电路板,就是机器显像管用的4000V加速电压发生器了。



彻底拆下的电源模块



三个保险丝座,对应输入电压、15V逻辑电压和3.4V高压



模块内部


变压器



这就是产生高压的高压包



高压包的驱动三极管,型号查不到,估计也是惠普内部定制的吧~



拆去上盖后,留下的机器底盘。这也是纯铝铸造,非常沉。。。


机器的后盖板和连接上改的铰链。
这里注意到有一个标签写着"PROPERTY OF VARCO INTL",意思说这机器曾经是VARCO公司的财产。怀着好奇的心情,google了下这公司,一查不得了,居然是现在还领先世界的美国国家石油公司(现在改名叫National Oilwell Varco了,wiki:https://en.wikipedia.org/wiki/National_Oilwell_Varco)
这家公司主要为油田和石油运输过程提供设备和服务,2013年收入为34亿美元。。。
看来这样的神机,在当年主要也只有这样的土豪单位买得起了。可惜时过境迁,最终她还是当作电子废物飘洋过海来到中国,又有幸被我找到。否则估计现在这台机器应该早就不复存在了吧~


铭牌本该贴在后盖板左侧,硬是被卖家扯了下来。卖家本来嫌机器太大,像只留个铭牌做纪念。。。所幸最终还是同意了把机器出给我。。。



清理干净的上盖,右边的伤口是愈合不了啦~





显示面板





这是显像管右侧指示三个寄存器的指示灯,其实只是两个小灯泡和一个透光塑料而已,通电就会一直亮



面板左侧,本该有一个惠普的铝质商标,可惜也不复存在了。。。


磁卡插口


至此,拆解部分全部完成,下面是修理过程




************************************分割线**************************************



下面是修理过程。
其实修理这台机器也是充满着艰辛和无奈,断断续续花了近一个月。要说修理的开端,还得从我犯得一个SB错误开始。
当机器全部清理完毕后,我一时脑抽,驱动显像管的两块偏转板直接就插反了。这台机器别的地方都设计很完美,然而两块偏转电路板却没有防呆设计。。。于是,上电后,一阵青烟冒出,我想这下坏了。。。。。

事实证明,确实坏了,随后的检查中,发现磁芯内存禁止板上有一个烧焦的电阻。。。
进一步检查发现,与之相连的大个头三极管。。。以及后面放大器的输出极,和紧挨着的寄存器板上同一路的三极管,都被短路了。
实际上,插反偏转板后,导致200V的偏转板供电通过一个电阻进入了逻辑电路电源,所以逻辑电路紧接着都遭殃了。。。



原装的三极管几乎无处可寻,而且这机器用的三极管基本上都是惠普自家的型号。迫不得已,只得拿现代的三极管试着代替。








这些都是换下的三极管和损坏的元件。200V电压就是通过最下面那个电阻进入逻辑供电系统的,所以它看上去烧的最惨。。。
此时,我内心是崩溃的,估计这是我目前为止拆机犯下最严重的错误了。。。



将损坏的三极管,NPN用8050代替,PNP用8550代替后,为确保安全,我并没有安装显像管,同时也断开了4000V高压电源。取而代之,使用示波器作为计算器的显示输出。
由于这台机器最终给显像管的是垂直和水平偏转信号外加消隐信号,将示波器调到X-Y模式,并把这些信号接到示波器的X Y和Z输入,就能完美用示波器代替原机的显像管。

替换完元件后,上电,果然示波器有反应了。。。。然而这些是什么鬼。。。



又检查了一番,最终发现垂直扫描板上有一个坏三极管没有发现。替换后,终于可以看到正常的显示了。
HP9100一共有三行显示,这主要是因为计算器使用了RPN输入模式(参见我的HP45计算器拆解帖),而三行显示则分别对应了三个寄存器。惠普给他们起了高大上的名字,从下往上分别是keyboard(键盘输入)、accumulator(累加器)和temporary(临时寄存器)。实际使用计算器时,所有键盘输入的数字会被放在最下行的键盘寄存器中,而计算结果会被放在第二行累加器中。第三行则可以放一些计算的中间值。三个寄存器之间,可以自由交换数据。




然而,机器还是不正常,显示多出了莫名其妙的字符,实测可以计算乘法,不能输入数字(算乘法是通过调取内部存储的数据测试的),加法一算就会跑飞。。。。
就这么过了两个星期,三极管也换了好几个型号,依然不管用。最终偶然意识到,触发器板上坏掉的三极管其实是触发器的一个臂。作为严格对称的结构,触发器需要保证两边的三极管性能参数相差不大,这样才能确保翻转正常。抱着试一试的态度,替换了板子上的三极管,然后奇迹发生了。。。



乱码消失了,这是件好事。然而,现在按任何键都会直接跑飞啊。。。
这下真蒙逼了,一度怀疑机器其他地方有问题,甚至把底板上700多个二极管都量了一遍。就这样拖拖拉拉又过了两个星期。





最后,买了个逻辑分析仪,打算分析机器的时序来排除问题。就这么发现了之前坏掉的一路磁芯内存放大器,其实一直都没有输出。
(之前换的三极管没有起作用么?)
于是又试了9012 3906等三极管,都无济于事。最后无可奈何,从寄存器板上拆了两个原装的三极管,用来替换放大器上坏掉同样型号的三极管。而用3906替换了寄存器上的三极管(之前已经试了这是可以替换的)。于是,奇迹再次发生了~
机器终于正常工作了~~
这张图显示的是计算器调取了自带的Pi值。



此时,是将机器整体复原,换回原装显像管的时候了。
然而装上显像管,接上了高压电路电源后,显像管并没有如期显示出文字。
测量后,高压部分并没有输出电压。
又经过一番检查,最终问题落在了高压发生板上的功率三极管上。



就这个三极管,与高压变压器中的绕组组成了一个非常简单的自激振荡器。不幸的是,这个三极管已经光荣就义了。



综合了很多资料,最后找来手上有的TIP41C,替换原来的三极管。







然后,显像管上终于出现了应有的图像。。。



结合显像管上的烧伤,我分析,之前机器的高压稳压电路很可能失效了,因此显像管的亮度一度非常亮。且由于加速电压非常高,显像管上烧伤的图像显示字符也被压缩得很小。最终,高压三极管寿终正寝,机器也再也没有显示了。
换过三极管后,我有小心调整了高压电压,确保稳压电路并没有失效。

最终整理完毕的机器内部,是不是又焕然一新了呢~
一台机器,经历了快50年风雨,依然在努力地计算着,真是无比欣慰的事情了。



合上盖子,一种古典而科幻的感觉扑面而来。至于损坏的键盘面板,有机会再修复吧。顺便请教下大家,用什么胶修复这样的塑料比较好呢?



下面看看简单的试机过程。
这是在定点显示模式下,显示e、pi和100.0123的效果。此时设置的小数点位数为4位。



切换成浮点表示后,数据将自动变成科学计数法,显示数据位和10次幂数



这是编程模式,此模式下计算器会记录用户按下的每一个键。HP9100不仅支持数字输入和数学运算,还包含了条件跳转功能,因此算得上是一台完整的可编程计算机了。此时显示其左边显示的1c代表当前程序步数,右边的31则表示这一步用户程序对应的按键编码。





这台机器来的时候自然是没有带程序存储磁卡,原装的磁卡也非常难找,即使在ebay上偶尔出现卖的也是天价。不过幸运的是,这种磁卡很容易就可以用磁带和普通的硬纸板自制。我做了几张磁卡,并且按照说明书中的程序表,给一张卡写了完整的自检程序。最终测试结果是1  2  3,表明机器已经完全通过了检验,各项功能都运行正常。








就此拆机和修理过程全部结束~
因为这台机器的意义非凡,复杂程度也远超之前拆过的所有机器,所以本帖破天荒用了240多张图,各位看官也辛苦了哈~
让我们再一次向前辈科学家和工程师致敬吧。。。

[全文完~]
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关键词: 惠普计算器
离线cptw2006

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破成这样也能修好?牛
离线smzjlucky

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看了半天才发现是编辑一半的,赶快前排围观,可惜今天没M了,先顶下吧
离线eric2369

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只看该作者 3楼 发表于: 2016-04-03
今天早上看了全文   天哪太震撼了  这种文章不精能行      楼主也是艺高人胆大  对我这样一个中学生而言要这样去分析电路几乎不可能  更别提一个一个去测量各种原件这种费时的事


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[ 此帖被eric2369在2016-04-04 09:46重新编辑 ]
离线hicool
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必须记号啊,佩服楼主
离线rsdtiger

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只看该作者 5楼 发表于: 2016-04-03
認真發帖,謝謝分享。
离线seedling

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留个脚印,精华帖妥妥的。楼主修复水平了得
离线wznanan

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只看该作者 7楼 发表于: 2016-04-03
不知道可否能修复?以资鼓励
离线snowrose2000

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只看该作者 8楼 发表于: 2016-04-03
密集恐惧症。。。
那一片键盘开关啊。。。
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q版虎斑猫 M币 +5 - 2016-04-04
离线guanger

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只看该作者 9楼 发表于: 2016-04-03
等着看,等着看呢..
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