自從拆解了一臺新款數字萬用表后，終于發現了Keysight成功的大秘密
幾個月前我們對 Keysight 數字萬用表團隊做了一次郵件專訪。在這個源自惠普時代的明星團隊里誕生過很多經典產品，比如3458A，34401A 和 34970A。對這個團隊，我們最關心的問題是：34401A 為什么能如此成功，以及在獲得如此巨大的成功之后，他們還能干點兒什么？
這次接受我們采訪的是 Wayne H. Willis，他是萬用表團隊的產品經理。這哥們 1979 年就加入惠普，最早負責生產線的管理工作，在 1992 年的 HP Journal 中有一篇他的文章介紹如何在自動化測試產線上使用 VXI 平臺。據說是個狂熱的計算機發燒友。
HP Journal 上 Wayne Willis 的照片
采訪非常有意思，為了配合采訪內容，我們還偷偷拆了一臺他們的新款 34461A 數字萬用表。拆解部分的內容在文章后半段，大家可以配合問答部分對照查看。
是的，在采訪完 Wayne 之后，我們還把他們的一臺 34461A 給拆成這樣了
* 在下面的文章中
EEN 表示 EENuts，WW 表示 Wayne Willis
EEN：請跟我們大家介紹一下您在 Keysight 萬用表團隊的工作內容，另外能給我們看看團隊的的照片么？
WW：大家好，我是 Wayne Willis，34461A 研發經理，也是個電子工程師，我是在 1979 年加入 HP 的（38年！）。每天的工作就是和研發工程師以及產品市場工程師一起，設計和開發新產品。因為這次采訪的重點是我們的數字萬用表，我覺得我應該公布一張設計團隊的合影。這張照片你們可以看到，我們的團隊里既有年輕工程師，也有一些 40 年以上工作經驗的高齡（或者說資深吧）工程師組成。甚至還有好幾位工程師是參與過 34401A 項目。當然你可以很容易的識別出這些大佬人物，因為他們頭發都比較少了...
3446X 萬用表研發團隊合影，頭發少的工程師都參與過 34401A 項目...這是電子工程師的宿命么？？？
EEN：既然 34401A 是 HP-Agilent-Keysight 歷史上最成功的產品，當它正式宣布停產的時候，你們有沒有特別的慶祝一下？
WW：當然有啊。其實我們辦了一個特別大的慶祝活動，為 34401A 舉行了隆重的“退休”儀式，時間就在它停產的那天（2016 年12 月 1 日）。我們仔細查找了當年在 34401A 項目中工作過的所有人員（包括研發，市場和訂單管理），邀請了盡可能多的人前來參加。當然這其中有很多人都退休了，所以這場活動最終變成了老朋友們的重逢聚會。活動的主持人是原來負責 34401A 市場宣傳工作的老兄，他在現場講了很多好玩的段子，與大家一起重溫了那段時光。（有點感動啊，很濃的人情味）
EEN：作為一個參與者，從你的角度看，哪些因素讓 34401A 如此成功，能否幫我們列舉三個最重要的原因？
WW：在我們那個年代，34401A 是一個真正不一樣的產品。它用五位半的價格，提供了六位半的測量精度和分辨率，它的耐用性和可靠性在行業中從未被超越。所以它的成功是低價格，高性能，以及堅固耐用三方面平衡的結果，這些也正是用戶所真正需要的。
EEN：你們當時用了什么超能力，才能讓 34401A 如此成功而且經久不衰？如果想設計一款如此成功的產品，難度在哪些地方？
WW：我覺得這可能要歸結于34401A是 HP 第一款在研發前進行過海量市場調查的產品。所有的市場調查結果都被匯總到一種被稱為“質量屋”（House of Quallity, HOQ，這是80年代由日本公司最早提出的一套產品研發決策體系）的分析工具中，我們將所有的客戶反饋詳細記錄并排列優先級。“質量屋”體系在當時是一個新東西，但最終被證明是一個非常有效的方法，尤其是在那些需要做出取舍的關鍵時刻，我們首先想到的就是一定要把用戶的要求放在第一位。
比如我們舉個有意思的例子：我們都知道，對用戶來講，他們都希望我們的產品特別堅固可靠。我們一方面要想方設法的提高產品質量，滿足他們的要求。另一方面，我們還應該想辦法讓他們能非常直觀的感受到我們的產品特別可靠。這就是為什么在 34401A 的最終設計中，加了一層橡膠保護套（bumper，在 HP 之前的產品中是沒有這個保護套的）。直到今天，我們所有的臺式儀器還在繼續包裹這層橡膠套，甚至影響到其他廠家也都在這樣做，因為這種外觀強烈的滿足了客戶的心理預期。（感覺被套路了...）
沒有 bumper 的 34401A，看起來確實顯得孱弱許多
Bumper 的設計在今天的臺式儀器上仍然廣泛使用
設計一款成功的產品，最困難的地方就是需要投入巨大的精力來平衡成本，性能，和可靠性。要滿足這三個要求而不作其他犧牲，需要對產品細節投入大量的精力，還需要研發團隊，訂單管理團隊和關鍵供應商之間進行大量的創新、協同工作和相互支持。我很高興我們一直干的還不錯。
EEN：作為34401A的項目成員，是否有一點點讓你覺得遺憾的地方呢？
WW：不，完全沒有，它是完美的。（傲嬌臉...）
EEN：我們看到多斜積分技術（Multi-slope ADC）在 34461A 上已經發展到第四代，這一代技術有哪些改進。新的 ADC 系統仍然使用多塊芯片組合完成，未來是否有可能制作單一芯片實現這一功能。
WW：我們在萬用表中持續不斷的改進 A/D 算法和技術。最早期的多斜積分技術后來逐漸演化為第二代（ 3458A 和 34401A ）和第三代（ 34410/11A ）。在新產品中為了平衡分辨率和速度，ADC 的設計中使用了 delta-sigma 算法，同時也使測試結果得到了更好的線性度。精密 ADC 設計需要使用到很多器件（包括參考電平和高穩定性器件，匹配電阻網絡，高阻抗和與之相匹配的低泄漏開關器件，A/D 控制電路等）。高層的芯片整合雖然一直在不斷發生，但是我們發現單一的芯片設計還是無法滿足我們需要的所有精度要求。因此，目前的設計仍然基于多個芯片和器件。我相信技術會不斷發展，也許沒多久，一塊獨立的芯片就能實現我們所有的性能要求（那時候價格就會更便宜啦）。
34461A 的第四代多斜積分 ADC 電路部分，仍然使用了多塊芯片組合實現
EEN：我們注意到近年來，許多電子測試測量公司開始更多的談論應用和方案。對于通用電子儀器比如萬用表，應該如何適應這一潮流？
WW：確實是這樣，對于我們的許多產品，市場都會要求我們去適應更多的特殊應用，數字萬用表也是這樣。對此我們也選擇了多種應對方法。 首先，就是可以通過升級 firmware 加入更多功能，這是非常容易的方式。另外許多產品可以通過安裝 license，打開某一項特殊的應用功能（有點像手機里的 Apps）。最后，我們還一直致力于開發更多的軟件配合儀器使用，以滿足更多獨特的應用要求。
EEN：相對于過去的產品，這次 3446X 系列萬用表有哪些關鍵的技術創新？
WW：新的數字萬用表采用改良的 ADC 設計，使我們能夠在較低的成本和較小的體積中，實現七位半的精度和分辨率。新一代的 ADC 設計也使我們能夠實現更快的讀數速度。另外，我們還將自動校準功能（Auto Calibration，ACAL）添加到我們的設備中（34465A 與 34470A），以便在溫度環境影響下，仍能保持較高的測量精度。
我們在更早的評測中提到過，34461A，34465A，和 34470A 除了極少數核心器件不同外，主電路的設計幾乎完全相同，有效果的降低了研發和生產成本
除此之外，得益于過去 25 年里數字技術的發展，我們能更好地利用那些過剩的運算能力，做到在 34401A 上無法實現的事情。我們將過去很多通過模擬電路實現的功能移植到數字電路上（比如有效值的計算），得到了更高的可靠性和穩定性，價格還便宜了不少。比如 FPGA 使用，它承擔了很多過去需要專用芯片來完成的事情。
LATTICE 的 FPGA 芯片完成了多斜積分中大量的運算工作
EEN：3446X 系列萬用表在操作界面上發生了很大變化，大家的反應如何？新的 UI 能給用戶帶來哪些好處？
WW：大家對新的操作界面反饋非常好，感覺直觀而且能很快上手，基本上不用翻說明書。導航菜單可以很容易找到各種功能（34401A面板按鍵很少，所以需要復雜的組合按鍵深入層層菜單，才能找到需要的功能）。測量結果可以在更大的彩屏上顯示，我們現在不光能提供讀數，還可以圖形化顯示統計結果。在 UI 設計中，我們希望不僅提供準確的讀數，還能用更直觀的方式展示結果，提升他們對測量結果的洞察力。你現在可以看到趨勢圖，直方圖，統計信息等數據，而不僅是顯示讀數，可以更全面地分析數據，從而更好地了解測量結果。
在彩色大屏幕上以直方圖的形式顯示測試結果，了解分布特性
EEN：我們這次在 3446x 系列上看到了巨大的彩色屏幕和新的操作界面，在未來，你們是否還打算把更多消費類電子產品技術，比如觸摸屏或者無線連接運用在臺式儀器上？
WW：我們將繼續研究新的技術，只要它們可靠，價格合理，安全，并且對客戶的使用有價值，我們就會考慮將它們添加到我們的產品設計中。最近的一個例子是，我們在儀器背面的 USB 通信接口上實現了 MTP 協議，這樣你就可以像使用 U 盤一樣，把儀器中的數據文件直接拖拽到 PC 上，完全不用編寫程序。
MTP 功能可以通過 USB 直接讀取萬用表內存中的測試結果
EEN：34401A 的可靠性是它成功的一個重要因素，對于新的數字萬用表，你們都對它進行了那些折磨？
WW：真的很難列舉出開發過程中我們的產品所遭受到的認證測試和“濫用”測試，我只能比較寬泛的說一下。它包括了溫度/濕度極限測試，溫度循環測試，機械濫用測試，輸入信號濫用測試，ESD測試，輸入瞬變和斬波測試等。這些都是必要的安規測試。比如我們建議的工作環境溫度在 0~55°C 之間，但實際測試時用到的環境溫度要遠超過這個范圍。
另外你還必須需要考慮到一些誤操作的可能，比如一個前一天晚上沒睡好的工程師，意外的把 1000V 大電壓直接加載在電阻測試功能上，雖然這是個挺危險的操作，但是我們得保證它不會損害儀表。
在電阻測試時加載了 1000V 大電壓，并不會毀掉 34461A，但是也不鼓勵你這么做...
另外，我們還擁有前代產品積累的經驗，這是個豐富的寶庫，讓我們參考和學習，這些信息對我們的最終的設計決策有巨大的貢獻，可以確保我們為客戶提供可靠的設計。
EEN：最后，你們團隊的下一個產品是什么？是否會有34480A（傳說中的八位半萬用表），或者是新的 34970A?
WW：關注我們吧，我覺得你肯定會喜歡的
╮( ￣ ▽ ￣' )╭
采訪到此結束
接下來我們來一起看看 34461A 的拆解情況
看看它到底靠不靠譜
上圖是 34461A 的完全拆解圖片，過程還挺酸爽的。印象最深的是整個產品中使用的螺絲非常少（一共只有 6 顆螺絲，其中有三顆還是用來固定風扇和 GPIB 接口的），電路與外殼之間的連接固定主要是依靠各種卡扣相互鎖死，所以在拆機的時候非常燒腦。喜歡玩樂高玩具的朋友可以用 34461A 挑戰一下自己。這樣的設計對后期的安裝維修非常方便，另外也能降低螺絲滾入機器內部造成短路的幾率。
看過我們之前介紹 34401A 文章的讀者會發現，34461A 保持了與 34401A 一樣的設計風格，硬件的布局甚至更簡潔。
34401A 的頂視圖
34461A 的頂視圖
我們在拆解過程中，首先卡殼的地方就是怎么把主板與前面板分開，我們在這里足足憋了一個小時。最后發現在紅色表筆接頭上面有一個 T 字形的黑卡扣（下圖），它是前后面板與主板進行連接固定的唯一固定件。只要用力把它撬出來，就可以輕松的取下前后面板。而如果不取下這個卡子，前面板與主板就牢固的鎖死在一起。
主板和前后面板的連接沒有螺絲，而是使用了一個卡子將兩者鎖死在一起
終于被剝離開的主板和前面板，中間就是那個卡扣
另外值得注意的是，34461A 主板與前面板之間是通過上圖黃圈里面的接插件連接的，而在 34401A 上，還另外使用了一條灰色的數據線。34461A 的裝配顯然更加方便，直接懟上就行了。
另外一次被卡住，是因為想看看 34461A 的屏幕控制電路，但發現被擋在兩層塑料結構之間取不出來，周圍也沒有任何螺絲。后來發現內襯的一層塑料件可以平行滑動然后抬起抽出。
將上面的一層塑料模具向左滑動后就可以整個掀起來
拆下來之后有一種大仇得報的快感！
而對比下圖中 34401A 的前面板，看起來覺得略顯單薄。另外取下前面板的時候還需要摘下兩顆螺絲。
34401A 的前面板
●我們再來看一下好不容易取下來的 34461A 主電路板！
與 34401A 相似，34461A 的整個多斜積分電路被完整的包裹在金屬屏蔽罩下
金屬屏蔽罩下方有一行警告：別把屏蔽罩摘下來，否則要重新校準！
我們當然是不會被嚇住的，取下屏蔽罩可以看到完整的多斜積分電路，右下角白色的圓形器件是 LM399 參考電平，34461A 與其他更高精度型號之間的主要區別也就在這個器件。
取下屏蔽罩后看到的多斜積分電路
盡管六位半萬用表已經很常見，但它的 ADC 真的非常靈敏，尤其是在環境溫度發生變化時，會對測量產生明顯影響。這也就是為什么要在屏蔽罩下面寫上警告的話。這里我們做了一個小實驗，在拆掉屏蔽罩的情況下測量短路電壓。測量過程中，我們用了 USB 風扇對準側面開始吹風。
●將正負端短接，用萬用表測量短路電壓值
可以看到最開始的短路測量的結果是 5.1uV ，經過一段時間的風扇狂吹，測試結果翻了一倍，達到10uV。其實就連人手從電路上方劃過都會對讀數產生影響，這種靈敏度真的很神奇，所以輕易還是不要取下屏蔽罩。
最后一張是負傷圖，手被螺絲刀戳破了，
算是虐待 34461A 后得到的報復
過完癮，還得把 34461A 重新裝回去，自檢通過后大家長出一口氣，運氣還不錯啦。因為 34401A 過去的成功，相信 34461A 團隊也肩負了巨大的壓力。不過看到新萬用表從工藝到設計都保持了一貫的水準，我們也就放心了。圖形化 UI 也很不錯，既有新技術的運用，同時也保持了相對的克制，照顧了老工程師的感受。即使對最挑剔的老司機來說，上手也非常容易，幾乎不用翻操作手冊。這對工作繁重的工程師來講，算是非常貼心了。這套 UI 到底有多成功呢？從下面這張圖可以看出來：
所以這套 UI 也迅速被國內廠商借鑒
這個這個...撞臉撞得有點尷尬...
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原文標題：我們采訪了神秘的 Keysight 萬用表團隊…還拆了他們一臺機器
文章出處：【微信號：Keysight2014，微信公眾號：是德科技KeysightTechnologies】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。
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