绝密!拆解联盟号宇宙飞船内部时钟电路

电子工程世界 2022-11-26 10:00

最近有幸获得了一个飞过联盟号太空任务的时钟,该时钟制造于1984年,在10个电路板上包含100多个集成电路……


一个时钟怎么这么复杂?本文给大家简单解释一下,同时窥见下鲜为人知的苏联航空电子世界,以及与当年美国技术的比较。


联盟号飞船系列是为苏联太空计划设计的,是月球竞赛的一部分。联盟号(Soyuz)于1966年首次飞行,并且在过去50年中进行了140多次飞行。

如下图所示,航天器由三部分组成:左侧的圆形部分是轨道或居住舱,容纳货物,设备和起居空间;中间的下降模块是返回地球的唯一部分,在发射和重返期间,宇航员坐在下降模块中;右侧的服务模块具有主机,太阳能电池板和其他系统。

▲2006年NASA拍摄

如下图所示,下降模块包含航天器的控制面板,注意左上方的数字时钟。早期的联盟号飞船使用了模拟时钟,但从1996年到2002年,飞船使用了数字时钟。和平号空间站也使用了数字时钟。后来的联盟号飞船取消了时钟,该飞船使用控制面板上的两个计算机屏幕代替了早期的控件。

数字时钟在左上方,中间屏幕是监视器

红色字母就是俄语翻译成的英文

看到这里,我辈肯定想知道这个时钟里面是什么?于是Marc拧开了盖子,将它从钟表上取下了,这表明内部有密集的电路板。

时钟比预期的要复杂得多,10块电路板塞满了表面安装的IC和其他组件。组件安装在两层印刷电路板上,这是一种常见的构造技术。

这些板使用了通孔元件和表面安装的元件,即,通过将电阻器和电容器的引线穿过板上的孔来安装它们。

另一方面,将表面安装集成电路焊接到板顶部的焊盘上,这比1984年的美国消费电子产品要先进得多。后者通常使用较大的通孔集成电路,直到1980年代后期才开始使用表面贴装IC(相比之下,美国航空计算机从1960年代就开始使用表面贴装IC)。

▲去掉了盖子

一个有趣的特征是,电路板通过捆绑在线束中的独立电线连接(如下图所示)。这些板的侧面有成排的引脚,并将导线焊接到这些引脚上。这些电线被捆成一捆,用塑料包裹,然后小心地绑扎到与电路板相连的线束中。

▲不同板之间的连线包裹在整齐的线束中


在上面的照片中,这些大多数是14引脚扁平封装的集成电路,采用金属封装,与当代美国集成电路通常采用黑色环氧树脂封装的情况不同。还有一些用粉红色陶瓷封装16引脚的集成电路。

航天器通过该接口为时钟提供24伏特电压,以及外部定时脉冲和秒表控制信号。当达到警报时间时,时钟可以通过继电器触点向航天器发出信号。

▲不同中19针连接器将时钟连接到主控

时钟后面的两个电路板是电源,第一块板下面是一个开关电源,它将航天器的24伏电源转换为集成电路所需的5伏电源。圆形陶瓷组件是电感器,范围从简单的线圈到复杂的16引脚电感器。控制电路包括两个金属罐封装的运算放大器。其他两个看起来像集成电路的封装,每个封装都包含四个晶体管。

在它们旁边,有一个子弹形的齐纳二极管设置输出电压电平。大的圆形开关功率晶体管在板的中间可见。我们可能希望电源是一个简单的降压转换器。但是,电源使用更复杂的设计来提供航天器和时钟之间的电隔离。

▲不开关电源,为时钟产生5V电压

电源中的许多组件看起来与美国组件不同。美国电阻通常标有彩色带,而苏联电阻是绿色的圆柱体,上面印有其值。与通常的圆柱形美国二极管不同,苏联二极管具有橙色矩形包装,如下图所示。

电路板中间的功率晶体管是圆形的,缺少采用“ TO-3 ”封装的美国功率晶体管。由此我们看到两国的构成如何不同。

电压电源使用长方形橙色二极管,OC表示军工级别的

第二块板也是电源的一部分,但是要简单得多。有用于对电源进行滤波的电感器和电容器,以及用于为第一块板上的运算放大器IC产生15伏电压的线性稳压器芯片(粉红色)。稳压器芯片的底部有两个大的金属凸耳,这些凸耳被焊接到电路板上以散热。

然而奇怪的是,该板的右侧有三个大孔。一种解释是,这些孔为较高的组件提供了空间,这种情况在另一块板上会出现。但是,没有适合该板上孔的组件。因此,感觉该板最初是为其他设备设计的,并且可以在时钟中重复使用。

右半部分是用于散热的

其余板上装有数字逻辑集成电路。板3(下面)和板5(类似)实现当前时间和警报时间功能。每个板包含六个BCD计数器芯片,用于表示六个数字(小时,分钟和秒)。

此外,每个数字计数器都需要一个逻辑芯片来控制其递增的时间,并需要另一个芯片来控制何时对其进行复位,这取决于是设置时钟还是运行时钟(这是需要这么多芯片的原因之一),板上的粉红色芯片控制在设置时钟时修改哪个数字。


第4板(以下)具有两个功能:首先,它控制时钟是显示当前时间还是显示闹钟时间。这通过每个数字的选择芯片来实现。

其次,在当前时间到达警报时间时,该板会向航天器发出信号。这是由多个芯片实现的,以逐步遍历每个数字,比较时间并确定它们是否匹配。

因此,即使该板的功能看起来很简单,它们也需要一整块芯片。电路板的底部连接板4到板5。板子通过线束连接到板3。

当前时间和警报时间之间选择,比较报警

一些板上的电路不仅仅是数字逻辑。例如,板6和7具有脉冲变压器,通过19针连接器将输入时钟的控制信号电隔离(在我们现在的电路中,此作用将由光隔离器来完成),这些变压器看上去有点像蘑菇或微型水塔,可以在下面的照片中看到。板7还具有石英晶体,即下面的金属矩形。

▲三个圆形脉冲变压器,可将控制信号与航天器隔离

板7(如下)的两个功能是生成时钟的定时脉冲并实现秒表。石英晶体产生精确的1兆赫兹脉冲。六个BCD计数器将这些脉冲减小为一秒的脉冲。每个计数器芯片将频率除以10。这些定时脉冲由其余的时钟使用。为了实现秒表,板上有四个BCD计数器,用于显示四个数字。

此外,它还具有启动,停止和重置秒表的控制逻辑。当发生某些事件时,三个脉冲变压器使航天器能够控制秒表。其他芯片可处理这些模式更改。


八号和九号板驱动LED显示屏。每个LED位数都需要一个芯片,以根据BCD(二进制编码的十进制)值来点亮7段LED的适当段。这些BCD至7段驱动器芯片是板上的粉红色16引脚芯片。由于时钟总共显示10位,因此使用了10个驱动器芯片。

板8上有八个驱动器芯片,而板9上有两个芯片以及多个LED限流电阻。下图也显示了控制时钟的开关。


最后,第10个板(如下)包含十个LED数字。每个数字都由一个七段LED以及一个逗号组成。我认为,其中一个逗号表示某事,我们会发现时钟上电时会发生什么。


苏联集成电路

接下来,我们将讨论时钟中使用的集成电路。

时钟主要由TTL集成电路(一种在1970年代至1990年代很流行的数字逻辑)制成。如果您做过业余数字电子产品,您可能知道7400系列TTL芯片。TTL芯片快速,便宜且可靠。但是,它们的缺点是TTL芯片没有太多功能。

一个基本的TTL芯片仅包含几个逻辑门,例如4个NAND门或6个反相器,而更复杂的TTL芯片实现了一个功能单元,例如4位计数器。最终,TTL输给了CMOS芯片(现代计算机中的芯片),而CMOS芯片功耗更低,密度更高。

由于联盟号时钟中的每个芯片执行得并不多,因此该时钟需要许多芯片板才能执行其功能。例如,时钟的每个数字都需要一个计数器芯片,以及几个逻辑芯片以根据需要递增和清除该数字,还需要一个芯片来驱动相关的7段LED显示器。由于时钟显示10位数字,因此已经有40个芯片。其他芯片可处理按钮和开关,实现警报,跟踪秒表状态,运行振荡器等,从而使总数超过100个芯片。

关于苏联集成电路的一件好的点是,零件号是根据一种合理的系统分配的,这与美国集成电路的本质上随机编号不同。零件号中的两个字母表示芯片的功能,比如逻辑门、计数器、触发器或解码器。

举例来说,下面的IC被标记为“Δ134ΛБ2A”。序列号134表示该芯片是低功耗TTL芯片。“Л”(L)表示逻辑芯片(Логические),“ЛБ”表示NAND / NOR逻辑门。最后,“ 2”表示ЛБ类别中的特定芯片(134ЛБ2芯片的功能是两个4输入与非门和一个反相器,该芯片没有美国同类产品)。

时钟内部有两个集成电路

集成电路上的徽标表明它们是由多家公司生产的。下面显示了时钟中的某些芯片,以及制造商的名称及其英文翻译。


与美国技术的比较

联盟号时钟与美国技术相比如何?当我第一次看时钟时,我会猜想它是在1969年而不是1984年制造的,这是基于其构造和大量简单的扁平包装芯片而定的。相比之下,1984年的美国技术生产了IBM PC / AT和Apple Macintosh。在美国生产单芯片数字手表十年后,时钟使用装满TTL芯片的电路板似乎是荒谬的。然而,结果却并非如此简单。

为了将联盟号时钟与1980年代的当代美国太空电子产品进行比较,我查看了航天飞机AP-101S计算机的一块板子。下图显示了联盟号时钟(左)和航天飞机计算机(右)的电路。尽管Shuttle计算机在技术上更先进,但差距比我预期的要小。两种系统都是由TTL芯片构建的,尽管Shuttle计算机使用的芯片速度更快,许多Shuttle芯片稍微复杂一些。

注意,板子顶部较大的20针芯片。大白芯片要复杂得多。这是AMD Am2960内存纠错芯片。Shuttle的印刷电路板更先进,具有多层而不是两层,从而使芯片的封装密度提高了50%。当时,苏联的集成电路技术估计比西方落后大约8至9年。 这与我在两块板之间看到的差异是一致的。

▲相同比例下联盟号时钟版与航天飞机计算机版

但令人惊讶的是,航天飞机计算机和苏联时钟之间的相似之处。我期望Shuttle计算机使用1980年代的微处理器,并且比Soyuz时钟领先一代,但是相反,两个系统都使用TTL技术,并且在许多情况下使用的芯片具有几乎相同的功能。例如,两个板均使用实现四个NAND门的芯片(看看是否可以在左侧找到134ΛБ1A芯片,在右侧找到54F00)。

为什么联盟号时钟包含100多个芯片而不是用单个时钟芯片实现?苏联集成电路技术比美国技术落后大约8年,而TTL芯片在当时是一个合理的选择,即使在美国也是如此。由于每个TTL芯片的工作量都不大,因此需要一块装满芯片的电路板来实现如此简单的时钟。

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