Wir zerlegen die Digitaluhr vom Sojus-Raumschiff

Raumuhr an Bord. Zeigen Sie Zeit, haben Sie einen Wecker ("Sirene") und eine Stoppuhr

Kürzlich haben wir [ im Computer History Museum in Mountain View, Kalifornien ] eine Uhr in die Hände bekommen, die mit der Sojus-Mission (Space Flight Clock oder BCH) ins All flog. Die Uhr wurde 1984 hergestellt und enthält mehr als 100 integrierte Schaltkreise (ICs) auf zehn Leiterplatten. Warum ist diese Uhr so ​​kompliziert? In diesem Artikel werde ich die Taktschaltung studieren und erklären, warum so viele Chips für sie benötigt wurden. Die Uhr gibt uns auch die Möglichkeit, die sowjetische Luft- und Raumfahrtelektronik näher zu betrachten und mit der amerikanischen Technologie zu vergleichen.

Sojus-Raumschiffe wurden im Rahmen des sowjetischen Weltraumprogramms während des Mondrennens entwickelt. Die erste Sojus flog 1966, und in den letzten 50 Jahren wurden insgesamt mehr als 140 Flüge im Rahmen des Programms durchgeführt. Das Raumschiff (siehe Foto unten) besteht aus drei Teilen. Der runde Abschnitt auf der linken Seite ist das bewohnte Modul, in dem die Fracht-, Ausrüstungs- und Wohnabteile aufbewahrt werden. In der Mitte befindet sich das Abstiegsmodul, und das ist alles, was zur Erde zurückkehrt. Während des Starts und der Rückkehr befinden sich Astronauten im Abstiegsmodul. Im Servicemodul auf der rechten Seite befinden sich der Hauptmotor, Sonnenkollektoren und andere Systeme.


Sojus TMA-7 fährt von der ISS ab, 2006

Im Abstiegsmodul befindet sich das Bedienfeld des Raumfahrzeugs (siehe unten). Die Digitaluhr befindet sich oben links. Die frühen Schiffe der Sojus verwendeten eine analoge Uhr, aber von 1996 bis 2002 war das Schiff bereits mit einer digitalen Uhr ausgestattet. An der Raumstation Mir wurde ebenfalls eine Digitaluhr eingesetzt. Von den späteren Gewerkschaften verschwand die Uhr und es wurden zwei Computerbildschirme auf dem Bedienfeld verwendet.


Das Kontrollpanel der Union. Digitaluhr - oben links. Der Bildschirm in der Mitte ist der Fernseher.

Details ansehen

Die Uhr hatte drei Funktionen: Anzeige der Uhrzeit, Wecker und Stoppuhr. Im FWT-Modus (Current Time Clock) zeigt die Uhr die aktuelle Uhrzeit in Moskau mit sechs Ziffern oben links an und das OP zeigt die Uhrzeit zum Einstellen des Alarms an. Ein Wecker (oder " Sirene ", OP) kann für eine bestimmte Zeit eingestellt werden; Zu diesem Zeitpunkt aktiviert die Uhr das Relais und startet einen der externen Stromkreise des Schiffes (meine Schlussfolgerungen zu allen Funktionen basieren auf der Rückentwicklung. Wenn wir diese Uhr einschalten, werden wir sehen, wo ich mich geirrt habe). Die Uhr befindet sich im "Korrektur" -Modus. Ziffern erhöhen sich durch Drücken der "Enter" -Taste. Der Boden der Uhr ist eine Stoppuhr. Vier LED-Anzeigen zeigen die verstrichenen Minuten und Sekunden an. Die Taste unten startet, stoppt oder setzt die Stoppuhr zurück (die Uhr misst nach den Anweisungen für den Befehl Sojus automatisch die Zeit vom Starten des Motors bis zum Stoppen sowie die Zeit während des Abstiegs bis zum Kontakt mit der Oberfläche). Der Kippschalter "On" enthält eine Uhr.



Natürlich wollten wir sehen, was in ihnen war, also schraubte Mark den Deckel ab und entfernte ihn. Darunter befand sich eine dichte Packung Leiterplatten. Die Uhr erwies sich als viel komplizierter als erwartet - zehn Leiterplatten waren mit oberflächenmontierbaren ICs und anderen Bauteilen bestückt. Die Bauteile befinden sich auf zweilagigen Leiterplatten - dies ist eine gängige Bestückungstechnik. Sowohl oberflächenmontierte als auch durchgehende Komponenten sind auf der Platine gemischt. Dies bedeutet, dass Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren montiert wurden, indem ihre Beine durch die Löcher in den Platinen geschraubt wurden. Die oberflächenmontierbaren ICs wurden an Plattformen auf der Oberfläche der Platine gelötet. Dies ist ein weiter entwickelter Ansatz als 1984 in der amerikanischen Unterhaltungselektronik: Sie verwendeten dort große End-to-End-ICs und wechselten erst Ende der achtziger Jahre zur Oberflächenmontage. Gleichzeitig verwenden US-amerikanische Computer für die Luft- und Raumfahrt seit den 1960er Jahren oberflächenmontierte ICs.


Uhr mit abgenommenem Deckel

Ein interessantes Merkmal der Uhr ist, dass die Platinen durch separate Drähte verbunden sind, die zu Bündeln zusammengefasst sind (ich hatte erwartet, dass die Platinen in die Hauptplatine eingeführt oder durch Kabel verbunden werden). Die Platinen haben um den Umfang Reihen von Kontakten und die Drähte sind mit ihnen verlötet. Dann wurden die Drähte zu Bündeln zusammengefasst, mit Kunststoff umwickelt und auf Brettern befestigt.



Zuerst dachten wir, dass ein weiteres Zerlegen der Uhr ohne Löten des Drahtes nicht funktionieren würde, aber dann stellten wir fest, dass die Kabelbäume so angeordnet waren, dass die Platinen wie ein Buch eingesetzt werden konnten. Dies ermöglichte es uns, die Tafeln genauer zu studieren. Die Unannehmlichkeit bestand darin, dass einige Teile der Platinen durch kurze Drähte vorgelötet waren, sodass wir diese Platinen nicht auf beiden Seiten sehen konnten.



Sie können sehen, wie viel IP in der Uhr ist. Grundsätzlich handelt es sich um ICs mit flachem Metallgehäuse und 14 Kontakten, was sie von den amerikanischen ICs jener Zeit unterscheidet, deren Gehäuse aus schwarzem Epoxid gefertigt war. Es gibt auch 16-polige ICs in rosa Keramikgehäusen.

Uhrenlayout

Der nächste Schritt war eine detailliertere Untersuchung der Schaltung - schauen wir sie uns von der Rückseite der Uhr aus an. Ein Stecker mit 19 Kontakten (Standard für die sowjetische Militärelektronik RS19TV - ich habe bei eBay einen Partner dafür gefunden und wir werden ihn zum Starten der Uhr verwenden) verband die Uhr mit den Geräten des Schiffes. Über diesen Anschluss wurden die Instrumente mit der 24-V-Uhr sowie allen notwendigen Takten und Steuersignalen für die Stoppuhr versorgt. Die Uhr gab nach einer bestimmten Zeitspanne über die Relaiskontakte den Befehl an das Schiff.



Die beiden Bretter auf der Rückseite der Uhr sind mit Strom versorgt, und es stellte sich heraus, dass es schwieriger war, als ich erwartet hatte. Die erste Karte ist ein Schaltnetzteil, das die für den Betrieb des ICs erforderliche Schiffsspannung von 24 V auf 5 V umwandelt. Keramikzylinder sind alle Arten von Induktoren, von einfachen Spulen bis zu komplexen 16-poligen. Der Regelkreis enthält zwei Operationsverstärker in Metallzylindern. Die beiden anderen Gehäuse enthalten ähnlich wie der IC vier Transistoren. Daneben befindet sich eine zylindrische Zenerdiode, die die Ausgangsspannung regelt [ wie im Original], obwohl einer der Leser darauf besteht, dass „die Zenerdiode eine Bezugsspannungsquelle ist und nichts von sich aus regelt“ / ca. perev. ]. In der Mitte sehen Sie einen großen Rundimpuls-Leistungstransistor. Man könnte erwarten, dort einen einfachen Abwärtstransformator zu finden. Die Stromquelle ist jedoch nach einem komplexeren Schema aufgebaut und sorgt für eine galvanische Trennung von Schiff und Uhr ( galvanische Trennung ). Ich weiß nicht genau, warum es gebraucht wurde.



Viele Komponenten des Netzteils unterscheiden sich optisch vom amerikanischen. Amerikanische Widerstände sind normalerweise mit farbigen Streifen markiert, aber sowjetische Widerstände sind grüne Zylinder mit einer aufgedruckten Bezeichnung. Sowjetdioden sind orange rechteckige Gehäuse, nicht zylindrisch wie in den USA. Der Leistungstransistor in der Mitte ist rund, er hat keine Metallkante, wie die amerikanischen Transistoren in TO-3-Fällen. Ich nehme nicht an, zu beurteilen, ob die sowjetischen Komponenten besser oder schlechter sind als der Fall - es ist nur interessant zu untersuchen, wie sie sich von den amerikanischen unterscheiden.


Das Netzteil verwendet 1-A-Dioden in rechteckigen orangefarbenen Gehäusen. OS bedeutet hohe militärische Qualität.

Die zweite Karte gehört ebenfalls zur Stromversorgung, ist aber viel einfacher. Es verfügt über Filterinduktivitäten und Kondensatoren sowie einen linearen Spannungsregler-Chip (pink), der 15 V für den IC des Operationsverstärkers der ersten Karte erzeugt. Der Spannungsregler-Chip hat zwei große Metallschleifen, die an die Platine gelötet sind und Wärme ableiten. Es ist seltsam, dass das Board auf der rechten Seite drei große Löcher hat. Sie werden wahrscheinlich benötigt, um auf einer angrenzenden Platine Platz für Bauteile mit großer Bauhöhe freizugeben - dort gibt es jedoch keine derartigen Bauteile. Anscheinend wurde dieses Board ursprünglich für ein anderes Gerät entwickelt.


Das zweite Brett ist halb leer und seine rechte Seite wirkt anscheinend wie ein Kühler

Die restlichen Karten sind mit digitalen Logik-ICs gefüllt. Tafel 3 auf dem Foto und Tafel 5 auf dem Foto sind für die Funktionen der aktuellen Uhrzeit und der Sirene verantwortlich. Auf jeder Karte befinden sich binäre Dezimalzähler für sechs Stellen (Stunden, Minuten, Sekunden). Außerdem muss für jeden Zähler ein Logikchip erhöht und ein weiterer Chip zurückgesetzt werden, je nachdem, ob die Uhr im normalen Modus arbeitet oder konfiguriert ist (daher gibt es so viele Chips). Der pinkfarbene Chip steuert die Auswahl der Nummern während des Setups.



Karte 4 (unten) hat zwei Funktionen. Erstens wird gesteuert, ob die Uhr die aktuelle Zeit oder die Alarmzeit anzeigt. Jede Ziffer hat zu diesem Zweck einen eigenen Chip. Zweitens gibt das Board ein Signal an das Schiff, wenn die aktuelle Zeit mit der angegebenen Benachrichtigungszeit übereinstimmt. Dies wird mithilfe mehrerer Chips implementiert, die nacheinander alle Zahlen überprüfen und feststellen, ob eine Übereinstimmung vorliegt. Obwohl die Funktionen dieser Platine einfach zu sein scheinen, benötigen sie eine vollständige Spanplatte. Die Kontakte an der Unterseite der Platine verbinden Platine 4 mit Platine 5. Sie werden über einen Kabelbaum mit Platine 3 verbunden.



Einige Karten enthalten mehr Komponenten als nur digitale Logik. Auf den Platinen 6 und 7 befinden sich beispielsweise Impulstransformatoren, elektrisch isolierende Steuersignale, die über einen 19-poligen Stecker in die Uhr gelangen (in modernen Schaltungen wird diese Rolle vom Optokoppler übernommen ). Diese Transformatoren ähneln Pilzen oder kleinen Wassertürmen und sind auf dem Foto unten zu sehen. Die 7. Tafel hat auch einen Quarzkristall - ein Metallrechteck unten (die Anweisung für Sojus besagt, dass die Genauigkeit dieser Uhr bis zu 30 Sekunden pro Tag beträgt, was nicht sehr gut ist - billige elektronische Uhren von Timex der 1970er Jahre ergaben eine Genauigkeit von bis zu 15 Sekunden Sekunden pro Monat; die Anweisung besagt, dass die Uhr durch externe Impulse synchronisiert werden kann).


Auf der 7. Platine befindet sich ein 1-MHz-Quarz, der die Taktfrequenz für die Uhr einstellt

Zwei Funktionen der 7. Karte sind die Erzeugung von Takten und die Implementierung einer Stoppuhr. Ein Quarzkristall erzeugt 1-MHz-Impulse. Sie werden mit sechs binären Dezimalzählern einmal pro Sekunde auf Impulse verlangsamt. Jeder von ihnen teilt die Frequenz durch 10. Diese Impulse werden dann von den übrigen Taktmustern verwendet. Damit die Stoppuhr funktioniert, verfügt die Tafel über vier Zähler für vier Ziffern. Es gibt auch eine Steuerlogik zum Starten, Stoppen und Nullsetzen der Stoppuhr. Drei Impulstransformatoren ermöglichen es dem Schiff, die Stoppuhr zu steuern, wenn bestimmte Ereignisse eintreten.



Die Karten 8 und 9 steuern die LED-Anzeigen. Jede Ziffer erfordert einen Chip, der bestimmte Segmente einer 7-Segment-Anzeige basierend auf einem binären Dezimalwert zündet. Chips, die binäre Dezimalwerte in 7 Segmente konvertieren, sind rosa 16-Pin-Chips. Da die Uhr 10 Ziffern enthält, werden 10 Steuerchips verwendet. Acht davon befinden sich auf der 8. Platine, und auf der 9. Platine befinden sich zwei Chips und verschiedene Strombegrenzungswiderstände für LED-Anzeigen. Schalter zum Einstellen der Uhr sind auch auf dem Foto unten sichtbar.



Und schließlich gibt es auf der 10. Platine zehn LED-Anzeigen. Jede Ziffer besteht aus einer Anzeige mit sieben Segmenten und einem Punkt. Ich denke, einer der Punkte sollte auf etwas hinweisen - wir werden herausfinden, was genau ist, wenn wir die Uhr mit Strom versorgen.

Sowjetische integrierte Schaltkreise

Betrachten Sie weiter den Takt-IC. Die Uhr enthält hauptsächlich Transistor-Transistor-Logik- Chips (TTL-Chips), die in den 1970er bis 1990er Jahren populär waren (wenn Sie sich als Hobby mit digitaler Elektronik beschäftigten, sind Sie wahrscheinlich mit den TTL-Chips der Serie 7400 vertraut). TTL-Chips waren schnell, billig und zuverlässig. Ihr Hauptnachteil war jedoch ein Mangel an Funktionalität. Der einfachste TTL-Chip hat nur wenige logische Gatter, wie 4 NAND- oder 6 Inverter, und eine komplexere TTL könnte so etwas wie einen 4-Bit-Zähler enthalten. Infolgedessen wichen TTLs CMOS (den in modernen Computern verwendeten Chips), die viel weniger Energie verbrauchen und eine höhere Dichte aufweisen.

Da jeder einzelne Chip in der Uhr wenig leistete, erforderte die Uhr viele Platinen mit Chips, um ihre Funktionen auszuführen. Zum Beispiel benötigt jede Ziffer der Uhr einen Zähler sowie ein Paar Logikchips, um diese Zahl zu erhöhen oder zu löschen, sowie einen Chip, der die entsprechende 7-Segment-LED-Anzeige steuert. Da die Uhr 10 Stellen anzeigt, ergibt dies bereits 40 Chips. Zusätzliche Chips verwalten das Drücken von Tasten und Schaltern, implementieren eine Sirene, überwachen den Status einer Stoppuhr, steuern einen Oszillator usw., wodurch die Gesamtanzahl der Chips auf 100 steigt.

Was mir an den sowjetischen ICs gefallen hat, ist, dass die Nummerierung der Chips einem rationalen System folgt , im Gegensatz zur im Großen und Ganzen zufälligen Nummerierung der amerikanischen ICs (weitere Informationen finden Sie im Nachschlagewerk " Integrierte Schaltungen und ihre ausländischen Analoga "). Zwei Buchstaben in der Teilenummer geben die Funktion des Chips an - Logikgatter, Zähler, Trigger, Decoder. Beispielsweise ist die Mikroschaltung unten als "Δ134 LB2A" markiert. Die Seriennummer 134 zeigt an, dass es sich um einen TTL-Chip mit niedriger Leistung handelt. Der Buchstabe "L" steht für den Logikchip und "LB" steht für die NAND / NOR-Logikgatter. "2" gibt einen bestimmten Chip der Kategorie "LB" an (die Funktionalität des 134LB2-Chips umfasst NAND-Ventile und einen Wechselrichter mit 4 Eingängen, und er hat kein amerikanisches Analogon; "Δ" wird bei kleinen Chips anstelle von "L" verwendet, um ihn nicht zu verwechseln "P").



Logos auf der IP besagen, dass sie verschiedene Hersteller hatten. Nachfolgend finden Sie einige Chips, den Namen des Herstellers und eine Übersetzung ins Englische. Weitere Informationen zu den Logos der sowjetischen Halbleiter finden Sie hier und hier .

Vergleich mit US-Technologie

Wie sieht eine Uhr von Sojus im Vergleich zur amerikanischen Technologie aus? Zum ersten Mal würde ich sagen, dass sie im Jahr 1969 hergestellt wurden und nicht im Jahr 1984 - wenn man sich ihr Gerät und eine große Anzahl einfacher Chips in flachen Hüllen ansieht. Die amerikanische Technologie produzierte 1984 den IBM PC / AT und Apple Macintosh. Es scheint absurd, dass eine Uhr zehn Jahre, nachdem die USA begonnen hatten, digitale Armbanduhren auf einem einzigen Chip herzustellen, mehrere Platinen mit einer großen Anzahl von TTL-Chips verwendet. Es stellte sich jedoch heraus, dass der Vergleich von Technologie nicht so einfach ist.

Um die Sojus-Uhr mit der modernen amerikanischen Raumfahrtelektronik der 1980er Jahre zu vergleichen, nahm ich eine Platine aus dem Raumfähre AP-101S. Das Foto unten zeigt ein Diagramm der Sojus-Uhr (links) und des Shuttle-Computers (rechts). Obwohl der Shuttle-Computer hinsichtlich der Technologie weiter fortgeschritten ist, ist der Unterschied zwischen ihnen nicht so groß, wie ich erwartet hatte. Beide Systeme basieren auf TTL-Chips, obwohl die Shuttle-Chips von einer schnelleren Generation sind. Viele Chips des Shuttles sind etwas raffinierter. Achten Sie auf die Chips mit 20 Pins oben. Der große weiße Chip ist viel komplexer - es ist der AMD Am2960 Speicherfehlerkorrektur-Chip. Die Shuttle-Leiterplatte ist weiter fortgeschritten, sie hat mehr als zwei Schichten, weshalb die Chips 50% dichter platziert werden können. Damals glaubte man, dass die UdSSR in der IP-Technologie 8-9 Jahre hinter dem Westen zurückblieb; dies stimmt mit dem überein, was anhand eines Vergleichs von zwei Brettern gesehen wird.



Was mich jedoch überraschte, war die Ähnlichkeit zwischen dem Shuttle-Computer und der Sojus-Uhr. Ich hatte erwartet, dass der Shuttle-Computer in den 1980er Jahren Mikroprozessoren verwenden und der Sojus-Uhr eine ganze Generation voraus sein wird, aber es stellte sich heraus, dass beide Systeme die TTL-Technologie verwenden und die Chips in vielen Fällen fast die gleiche Funktionalität haben. Beispielsweise werden auf beiden Platinen Chips verwendet, die 4 NAND-Ventile implementieren (siehe links für den 134 × B1A-Chip und rechts für den 54F00).

Fazit

Warum verwendet die Sojus-Uhr dann mehr als 100 Chips anstelle eines Ein-Chip-Systems? Die sowjetische SS-Technologie war 8 Jahre hinter der amerikanischen Technologie zurück, und TTL-Chips schienen zu dieser Zeit selbst in den USA eine kluge Wahl zu sein. Da TTL-Chips auch für die Implementierung so einfacher Dinge wie einer Uhr keine umfassende Funktionalität haben, mussten mehrere mit Chips gefüllte Platinen verwendet werden.

Das nächste Mal werden wir versuchen, die Uhr mit Strom zu versorgen und zu sehen, wie es funktioniert. Ich habe diese Frage speziell untersucht. Ich habe vor, ihre Ernährung und ihre anderen Bestandteile detaillierter zu beschreiben, schaue mir aber vorerst das Video an, in dem Mark die Uhr auseinander nimmt.