Desmontamos el reloj digital de la nave espacial Soyuz

Reloj espacial a bordo. Mostrar hora, tener un reloj despertador ("sirena") y un cronómetro

Recientemente, pusimos en nuestras manos [ en el Museo de Historia de la Computadora en Mountain View, California ] un reloj que volaba al espacio con la misión Soyuz (Reloj de Vuelo Espacial, o BCH). El reloj se fabricó en 1984 y contiene más de 100 circuitos integrados (IC) en diez placas de circuito impreso. ¿Por qué es este reloj tan complicado? En este artículo, estudiaré el circuito del reloj y explicaré por qué tomó tantos chips para ellos. Además, el reloj nos da la oportunidad de observar más de cerca la electrónica aeroespacial soviética y compararla con la tecnología estadounidense.

Las naves espaciales Soyuz se desarrollaron como parte del programa espacial soviético durante la carrera lunar. El primer Soyuz voló en 1966, y en total, en los últimos 50 años, se han completado más de 140 vuelos dentro del programa. La nave espacial (ver foto a continuación) consta de tres partes. La sección redonda a la izquierda es el módulo habitado, donde se almacenan la carga, el equipo y los compartimentos residenciales. En el medio está el módulo de descenso, y eso es todo lo que regresa a la Tierra; Los astronautas están en el módulo de descenso durante el lanzamiento y el regreso. En el módulo de servicio a la derecha se encuentra el motor principal, los paneles solares y otros sistemas.


Soyuz TMA-7 parte de la EEI, 2006

En el módulo de descenso se encuentra el panel de control de la nave espacial (ver más abajo). El reloj digital está en la esquina superior izquierda. Los primeros barcos de Soyuz usaron un reloj analógico, pero desde 1996 hasta 2002, el barco ya estaba equipado con un reloj digital. También se utilizó un reloj digital en la estación espacial Mir. De las Uniones posteriores, el reloj desapareció y se utilizaron dos pantallas de computadora en el panel de control.


El panel de control de la Unión. Reloj digital - arriba a la izquierda. La pantalla en el medio es la televisión.

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El reloj tenía tres funciones: mostrar la hora, servir como despertador y cronómetro. En el modo Reloj de hora actual (FWT), el reloj muestra la hora actual en Moscú con seis dígitos en la esquina superior izquierda, y el OP muestra la hora para configurar la alarma. Se puede configurar un reloj de alarma (o " sirena ", OP) para un tiempo determinado; en este momento, el reloj activa el relé, iniciando uno de los circuitos externos de la nave (hasta ahora he llegado a conclusiones sobre todas las funciones basadas en ingeniería inversa. Cuando activemos este reloj, veremos dónde estaba equivocado). El reloj está configurado en el modo "Corrección"; los dígitos aumentan presionando el botón "Enter". La parte inferior del reloj es un cronómetro. Cuatro indicadores LED muestran los minutos y segundos transcurridos. El siguiente botón inicia, detiene o reinicia el cronómetro (a juzgar por las instrucciones para el comando Soyuz, el reloj mide automáticamente el tiempo transcurrido desde el arranque del motor hasta la parada, así como el tiempo durante el descenso para contactar con la superficie). El interruptor de palanca "On" incluye un reloj.



Por supuesto, queríamos ver qué había dentro de ellos, así que Mark desenroscó la tapa y la quitó. Debajo se encontró un paquete denso de placas de circuito impreso. El reloj resultó ser mucho más complicado de lo que esperaba: diez placas de circuito impreso estaban salpicadas de circuitos integrados de montaje en superficie y otros componentes. Los componentes se encuentran en placas de circuito impreso de dos capas: esta es una tecnología de ensamblaje común. Tanto los componentes montados en la superficie como los de extremo a extremo se mezclan en el tablero. Esto significa que los componentes tales como resistencias y condensadores se montaron pasando sus patas a través de los agujeros en los tableros. Y los circuitos integrados de montaje en superficie se soldaron a plataformas ubicadas en la superficie de la placa. Este es un enfoque más avanzado que el utilizado en la electrónica de consumo estadounidense en 1984: utilizaron grandes circuitos integrados de extremo a extremo allí, y no cambiaron al montaje en superficie hasta finales de la década de 1980. Al mismo tiempo, las computadoras aeroespaciales de EE. UU. Han utilizado circuitos integrados de superficie desde la década de 1960.


Reloj sin tapa

Una característica interesante del reloj es que las placas están conectadas por cables separados ensamblados en paquetes (esperaba que las placas se insertaran en la placa base o se conectaran por cables). Los tableros tienen filas de contactos alrededor del perímetro, y los cables están soldados a ellos. Luego, los cables se ensamblaron en paquetes, se envolvieron con plástico y se fijaron en tablas.



Al principio, pensamos que desmontar aún más el reloj sin soldar el cable no funcionaría, pero luego nos dimos cuenta de que los mazos de cables estaban ubicados de tal manera que los tableros podrían desplegarse como un libro. Esto nos permitió estudiar las tablas más a fondo. El inconveniente era que algunas partes de los tableros estaban soldadas al frente por cables cortos, por lo que no podíamos ver estos tableros en ambos lados.



Puedes ver cuánta IP hay en el reloj. Básicamente, se trata de circuitos integrados con una carcasa de metal plana y 14 contactos, lo que los distingue de los circuitos integrados estadounidenses de la época, cuya carcasa estaba hecha de epoxi negro. También hay circuitos integrados de 16 pines en cajas de cerámica rosa.

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El siguiente paso fue un estudio más detallado del circuito: echemos un vistazo desde la parte posterior del reloj. Un conector con 19 contactos (estándar para la electrónica militar soviética RS19TV: logré encontrar un compañero para él en eBay, y lo usaremos para iniciar el reloj) conectó el reloj a los dispositivos del barco. A través de este conector, los instrumentos se alimentaron al reloj de 24 V, así como a todos los pulsos de reloj y señales de control necesarios para el cronómetro. El reloj después de un período de tiempo especificado dio la orden a la nave a través de los contactos del relé.



Las dos tablas en la parte posterior del reloj son eléctricas, y resultó ser más difícil de lo que esperaba. La primera placa es una fuente de alimentación conmutada que convierte el voltaje de envío de 24 V a 5 V, necesario para el funcionamiento del IC. Los cilindros de cerámica son todo tipo de inductores, desde bobinas simples hasta complejos de 16 pines. El circuito de control contiene dos amplificadores operacionales en cilindros metálicos. Las otras dos carcasas, similares al IC, contienen cuatro transistores. Junto a ellos hay un diodo zener cilíndrico que regula el voltaje de salida [ como en el original, aunque uno de los lectores insiste en que "el diodo zener es una fuente de voltaje de referencia y no regula nada por sí mismo" / aprox. perev. ] En el centro puede ver un gran transistor de potencia de pulso redondo. Uno podría esperar encontrar un transformador reductor simple allí. Sin embargo, la fuente de energía se construye de acuerdo con un esquema más complejo, proporcionando aislamiento eléctrico del barco y la vigilancia ( aislamiento galvánico ). No sé exactamente por qué era necesario.



Muchos componentes de la fuente de alimentación difieren en apariencia del estadounidense. Las resistencias estadounidenses generalmente están marcadas con franjas de colores, pero las resistencias soviéticas son cilindros verdes con una denominación impresa en ellas. Los diodos soviéticos son cajas rectangulares de color naranja, no cilíndricas, como en los Estados Unidos. El transistor de potencia en el centro es redondo, no tiene un borde de metal, como los transistores estadounidenses en cajas TO-3. No pretendo juzgar si los componentes soviéticos son mejores o peores que el caso: es interesante estudiar cómo difieren de los estadounidenses.


La fuente de alimentación utiliza diodos de 1 A en cajas rectangulares de color naranja. OS significa alta calidad militar.

La segunda placa también es parte de la fuente de alimentación, pero es mucho más simple. Tiene inductores y condensadores de filtrado, así como un chip regulador de voltaje lineal (rosa), que produce 15 V para el CI del amplificador operacional de la primera placa. El chip regulador de voltaje tiene dos grandes lazos de metal soldados a la placa y que disipan el calor. Es extraño que el tablero tenga tres agujeros grandes en el lado derecho. Probablemente sean necesarios para liberar espacio para componentes de gran altura en una placa adyacente, pero no hay tales componentes allí. Aparentemente, esta placa se desarrolló originalmente para otro dispositivo.


La segunda placa está medio vacía, y su lado derecho aparentemente funciona como un radiador.

Las placas restantes están llenas de circuitos integrados de lógica digital. El tablero 3 en la foto de abajo y el tablero 5 similar son responsables de las funciones de la hora actual y la sirena. En cada tablero hay contadores decimales binarios de seis dígitos (horas, minutos, segundos). Además, cada contador requiere un chip lógico para aumentar y un chip más para restablecer, dependiendo de si el reloj funciona en modo normal o está configurado (por lo tanto, hay tantos chips). El chip rosa controla la selección de números durante la configuración.



El tablero 4 (abajo) tiene dos funciones. En primer lugar, controla si el reloj muestra la hora actual o la hora de alerta. Cada dígito tiene un chip separado para este propósito. En segundo lugar, el tablero da una señal al barco cuando la hora actual coincide con la hora de notificación especificada. Esto se implementa usando varios chips que verifican todos los números a su vez, determinando si hay una coincidencia. Entonces, aunque las características de esta placa parecen simples, requieren una placa de chip completa. Los contactos en la parte inferior de la placa conectan la placa 4 a la placa 5. Se conecta a la placa 3 a través de un mazo de cables.



Algunas placas tienen más componentes que solo lógica digital. Por ejemplo, en las placas 6 y 7 hay transformadores de pulso, señales de control de aislamiento eléctrico que ingresan al reloj a través de un conector de 19 pines (en los circuitos modernos, este papel es desempeñado por el optoacoplador ). Estos transformadores son un poco como hongos o pequeñas torres de agua, y se pueden ver en la foto a continuación. La séptima placa también tiene un cristal de cuarzo, un rectángulo de metal en la parte inferior (las instrucciones para Soyuz afirman que la precisión de este reloj es de hasta 30 segundos por día, lo que no es muy bueno: los relojes electrónicos baratos de Timex de la década de 1970 dieron una precisión de hasta 15 segundos por mes; las instrucciones dicen que el reloj puede sincronizarse por pulsos externos).


En la séptima placa hay un cristal de 1 MHz, que establece la frecuencia de reloj para el reloj

Dos funciones de la séptima placa son la generación de pulsos de reloj y la implementación de un cronómetro. Un cristal de cuarzo produce pulsos de 1 MHz. Disminuyen la velocidad a pulsos una vez por segundo usando seis contadores decimales binarios; cada uno de ellos divide la frecuencia por 10. Luego, estos pulsos son utilizados por el resto de los patrones de reloj. Para que el cronómetro funcione, el tablero tiene cuatro contadores para cuatro dígitos. También hay una lógica de control para iniciar, detener y poner a cero el cronómetro. Tres transformadores de pulso permiten que el barco controle el cronómetro cuando ocurren ciertos eventos.



Las placas 8 y 9 controlan las pantallas LED. Cada dígito requiere un chip que enciende segmentos específicos de una pantalla de 7 segmentos en función de un valor decimal binario. Los chips que convierten valores decimales binarios en 7 segmentos son chips rosados ​​de 16 pines. Como hay 10 dígitos en el reloj, se utilizan 10 chips de control. Ocho de ellos se encuentran en la octava placa, y en la novena placa hay dos chips y varias resistencias limitadoras de corriente para pantallas LED. Los interruptores para ajustar el reloj también son visibles en la foto a continuación.



Y finalmente, en la décima placa hay diez pantallas LED. Cada dígito consiste en una pantalla con siete segmentos y un punto. Creo que uno de los puntos debería indicar algo: descubriremos qué es exactamente suministrando energía al reloj.

Circuitos integrados soviéticos

Considere más el reloj IC. El reloj contiene principalmente chips de lógica transistor-transistor (TTL), populares desde la década de 1970 hasta la década de 1990 (si estuvo involucrado en la electrónica digital como hobby, probablemente esté familiarizado con los chips TTL de la serie 7400 ). Los chips TTL fueron rápidos, baratos y confiables. Sin embargo, su principal inconveniente era la falta de funcionalidad. El chip TTL más simple tiene solo unas pocas puertas lógicas, como 4 NAND o 6 inversores, y un TTL más complejo podría contener algo así como un contador de 4 bits. Como resultado, los TTL dieron paso a CMOS (los chips que se usan en las computadoras modernas), que usan mucha menos energía y tienen una mayor densidad.

Dado que cada chip individual en el reloj hizo poco, el reloj requirió muchas placas con chips para realizar sus funciones. Por ejemplo, cada dígito del reloj requiere un contador, así como un par de chips lógicos para aumentar o borrar esta cifra según sea necesario, así como un chip que controla la pantalla LED de 7 segmentos correspondiente. Como el reloj muestra 10 dígitos, esto ya nos da 40 chips. Los chips adicionales manejan presionar botones e interruptores, implementan una sirena, monitorean el estado de un cronómetro, controlan un oscilador, etc., lo que eleva el número total de chips a 100.

Lo que me gustó de los circuitos integrados soviéticos es que la numeración de los chips está sujeta a un sistema racional , a diferencia, en general, de la numeración aleatoria de circuitos integrados estadounidenses (se puede encontrar más información en el libro de referencia " Circuitos integrados y sus análogos extranjeros "). Dos letras en el número de parte indican la función del chip: puerta lógica, contador, disparador, decodificador. Por ejemplo, el microcircuito a continuación está marcado como "Δ134 LB2A". El número de serie 134 indica que es un chip TTL de baja potencia. La letra "L" representa el chip lógico y "LB" representa las puertas lógicas NAND / NOR. "2" indica un chip específico de la categoría "LB" (la funcionalidad del chip 134LB2 incluye válvulas NAND y un inversor con 4 entradas, y no tiene un análogo americano; "Δ" se usa en chips pequeños en lugar de "L" para no confundirlo con "P").



Los logotipos en la IP dicen que tenían diferentes fabricantes. A continuación hay algunos chips, junto con el nombre del fabricante y una traducción al inglés. Puede encontrar más información sobre los logotipos de semiconductores soviéticos aquí y aquí .

Comparación con la tecnología estadounidense.

¿Cómo se ve un reloj de Soyuz en comparación con la tecnología estadounidense? Por primera vez al mirarlos, diría que se hicieron en 1969, y no en 1984, si se observa su dispositivo y una gran cantidad de chips simples en cajas planas. La tecnología estadounidense en 1984 produjo IBM PC / AT y Apple Macintosh. Parece absurdo que un reloj use varias placas con una gran cantidad de chips TTL diez años después de que Estados Unidos comenzó a producir relojes digitales en un solo chip. Sin embargo, resultó que comparar tecnología no es tan simple.

Para comparar el reloj Soyuz con la moderna electrónica espacial estadounidense de la década de 1980, tomé una placa de la computadora del transbordador espacial AP-101S. La foto a continuación muestra un diagrama del reloj Soyuz (izquierda) y la computadora Shuttle (derecha). Aunque la computadora Shuttle es más avanzada en términos de tecnología, la diferencia entre ellas no es tan grande como esperaba. Ambos sistemas se basan en chips TTL, aunque los chips Shuttle son de una generación más rápida. Muchas de las fichas del Shuttle son un poco más sofisticadas; Presta atención a las fichas con 20 pines en la parte superior. El chip blanco grande es mucho más complejo: es el chip de corrección de errores de memoria AMD Am2960. La placa de circuito Shuttle es más avanzada, tiene más de dos capas, por lo que los chips se pueden colocar un 50% más denso. En ese momento, se creía que la URSS estaba 8-9 años detrás de Occidente en tecnología IP; Esto coincide con lo que se ve basado en una comparación de dos tableros.



Sin embargo, lo que me sorprendió fue la similitud entre la computadora Shuttle y el reloj Soyuz. Esperaba que la computadora Shuttle utilizara microprocesadores de la década de 1980 y será una generación completa antes del reloj Soyuz, pero resultó que ambos sistemas usan tecnología TTL y, en muchos casos, los chips tienen casi la misma funcionalidad. Por ejemplo, en ambas placas se usan chips que implementan 4 válvulas NAND (busque a la izquierda un chip de 134ΛB1A y a la derecha - 54F00).

Conclusión

¿Por qué, entonces, el reloj Soyuz usa más de 100 chips en lugar de un sistema de un solo chip? La tecnología SS soviética estaba 8 años por detrás de la tecnología estadounidense, y los chips TTL en ese momento parecían una elección inteligente, incluso en los Estados Unidos. Dado que los chips TTL no tienen una amplia funcionalidad, incluso para la implementación de cosas tan simples como un reloj, fue necesario utilizar varias placas llenas de chips.

La próxima vez intentaremos aplicar energía al reloj y ver cómo funciona. Estudié esta pregunta específicamente. Planeo describir con más detalle acerca de su nutrición y sus otras partes, pero por ahora, mire el video en el que Mark desarma el reloj.