Kami membongkar jam digital dari pesawat ruang angkasa Soyuz

Jam Ruang Onboard. Tunjukkan waktu, miliki jam alarm ("sirene") dan stopwatch

Baru-baru ini, kami sampai di tangan kami [ di Museum Sejarah Komputer di Mountain View, California ] sebuah jam terbang ke luar angkasa dengan misi Soyuz (Space Flight Clock, atau BCH). Arloji ini dibuat pada tahun 1984 dan berisi lebih dari 100 sirkuit terpadu (IC) pada sepuluh papan sirkuit tercetak. Mengapa arloji ini begitu rumit? Pada artikel ini, saya akan mempelajari sirkuit jam dan menjelaskan mengapa butuh begitu banyak chip untuk mereka. Juga, arloji ini memberi kita kesempatan untuk melihat lebih dekat pada elektronik luar angkasa Soviet dan membandingkannya dengan teknologi Amerika.

Pesawat ruang angkasa Soyuz dikembangkan sebagai bagian dari program luar angkasa Soviet selama perlombaan bulan. Soyuz pertama terbang pada tahun 1966, dan secara total, selama 50 tahun terakhir, lebih dari 140 penerbangan telah selesai dalam program ini. Wahana antariksa (lihat foto di bawah) terdiri dari tiga bagian. Bagian bundar di sebelah kiri adalah modul yang dihuni, di mana kompartemen kargo, peralatan, dan perumahan disimpan. Di tengah adalah modul keturunan, dan hanya itu yang kembali ke Bumi; astronot berada dalam modul turunan selama peluncuran dan kembali. Dalam modul layanan di sebelah kanan adalah mesin utama, panel surya dan sistem lainnya.


Soyuz TMA-7 berangkat dari ISS, 2006

Dalam modul keturunan adalah panel kontrol pesawat ruang angkasa (lihat di bawah). Jam digital ada di kiri atas. Kapal-kapal awal Soyuz menggunakan jam analog, tetapi dari tahun 1996 hingga 2002, kapal itu sudah dilengkapi dengan jam digital. Jam digital juga digunakan di stasiun ruang angkasa Mir. Dari Serikat pekerja kemudian, jamnya menghilang, dan ada dua layar komputer yang digunakan pada panel kontrol.


Panel kontrol Perhimpunan. Jam digital - kiri atas. Layar di tengah adalah TV.

Detail tontonan

Arloji memiliki tiga fungsi: waktu tampilan, berfungsi sebagai jam alarm, dan stopwatch. Dalam mode Current Time Clock (FWT), jam menunjukkan waktu saat ini di Moskow menggunakan enam digit di kiri atas, dan OP menunjukkan waktu untuk mengatur alarm. Jam alarm (atau " sirene ", OP) dapat diatur untuk waktu tertentu; pada saat ini, jam mengaktifkan relai, memulai salah satu sirkuit eksternal kapal (kesimpulan pada semua fungsi telah dibuat sejauh ini oleh saya berdasarkan teknik terbalik. Ketika kita menyalakan jam ini, kita akan melihat di mana saya salah). Jam diatur dalam mode "Koreksi"; digit bertambah dengan menekan tombol "Enter". Bagian bawah arloji adalah stopwatch. Empat indikator LED menunjukkan menit dan detik yang telah berlalu. Tombol di bawah ini mulai, berhenti atau me-reset stopwatch (dilihat dari instruksi untuk perintah Soyuz, jam secara otomatis mengukur waktu yang telah berlalu sejak menyalakan mesin hingga berhenti, serta waktu turun untuk kontak dengan permukaan). Sakelar sakelar "Aktif" termasuk jam.



Tentu saja, kami ingin melihat apa yang ada di dalamnya, jadi Mark membuka tutupnya dan melepasnya. Di bawahnya ditemukan paket padat papan sirkuit tercetak. Arloji itu ternyata jauh lebih rumit dari yang saya perkirakan - sepuluh papan sirkuit tercetak dihiasi IC permukaan dan komponen lainnya. Komponen-komponennya terletak pada papan sirkuit cetak dua lapis - ini adalah teknologi perakitan umum. Komponen yang dipasang di permukaan dan ujung ke ujung dicampur di papan tulis. Ini berarti bahwa komponen seperti resistor dan kapasitor dipasang dengan memasukkan kaki mereka melalui lubang di papan. Dan IC mount permukaan disolder ke platform yang terletak di permukaan papan. Ini adalah pendekatan yang lebih maju daripada yang digunakan dalam elektronik konsumen Amerika pada tahun 1984: mereka menggunakan IC end-to-end yang besar di sana, dan tidak beralih ke pemasangan di permukaan sampai akhir 1980-an. Pada saat yang sama, komputer dirgantara A.S. telah menggunakan IC pemasangan permukaan sejak 1960-an.


Tonton dengan penutup dilepas

Salah satu fitur yang menarik dari arloji adalah bahwa papan dihubungkan oleh kabel terpisah yang dirangkai menjadi bundel (saya berharap papan akan dimasukkan ke motherboard atau dihubungkan dengan kabel). Papan memiliki deretan kontak di sekeliling, dan kabel disolder kepada mereka. Kemudian kabel-kabel itu dirakit menjadi bundel, dibungkus dengan plastik dan dipasang di papan.



Pada awalnya, kami berpikir bahwa membongkar jam lebih lanjut tanpa menyolder kawat tidak akan berhasil, tetapi kemudian kami menyadari bahwa kawat harness terletak sedemikian rupa sehingga papan dapat digunakan dengan cara buku. Ini memungkinkan kami untuk mempelajari papan lebih menyeluruh. Ketidaknyamanannya adalah beberapa bagian papan disolder di depan dengan kabel pendek, jadi kami tidak dapat melihat papan ini di kedua sisi.



Anda dapat melihat berapa banyak IP yang ada di arloji. Pada dasarnya, ini adalah IC dengan kasing logam datar dan 14 kontak, yang membedakannya dengan IC Amerika pada waktu itu, yang kasingnya terbuat dari epoksi hitam. Ada juga IC 16-pin dalam kasing keramik warna merah muda.

Perhatikan tata letak

Langkah selanjutnya adalah studi yang lebih rinci tentang rangkaian - mari kita lihat mulai dari belakang arloji. Sebuah konektor dengan 19 kontak (standar untuk elektronik militer Soviet RS19TV - Saya berhasil menemukan pasangan untuk itu di eBay, dan kami akan menggunakannya untuk memulai jam) menghubungkan jam ke perangkat kapal. Melalui konektor ini, instrumen dimasukkan ke jam 24 V, serta semua pulsa jam yang diperlukan dan sinyal kontrol untuk stopwatch. Jam setelah periode waktu tertentu memberikan perintah kepada kapal melalui kontak relai.



Dua papan di bagian belakang arloji adalah kekuatan, dan ternyata lebih sulit dari yang saya harapkan. Papan pertama adalah catu daya switching yang mengubah tegangan kapal 24 V menjadi 5 V, yang diperlukan untuk pengoperasian IC. Silinder keramik adalah semua jenis induktor, dari kumparan sederhana hingga rumit 16-pin. Sirkuit kontrol berisi dua amplifier operasional dalam silinder logam. Dua rumah lainnya, mirip dengan IC, berisi empat transistor. Di sebelah mereka adalah dioda zener silinder yang mengatur tegangan output [ seperti pada aslinya - meskipun salah satu pembaca bersikeras bahwa "dioda zener adalah sumber tegangan referensi dan tidak mengatur apa pun dengan sendirinya" / kira-kira. perev. ] Di tengah-tengah Anda dapat melihat transistor daya pulsa bulat besar. Orang bisa berharap untuk menemukan transformator step-down sederhana di sana. Namun, sumber daya dibangun sesuai dengan skema yang lebih kompleks, menyediakan isolasi listrik kapal dan arloji ( isolasi galvanik ). Saya tidak tahu persis mengapa itu diperlukan.



Banyak komponen catu daya berbeda dalam penampilan dari Amerika. Resistor Amerika biasanya ditandai dengan garis-garis berwarna, tetapi resistor Soviet adalah silinder hijau dengan denominasi yang tercetak di atasnya. Dioda Soviet adalah kasus persegi panjang oranye, bukan silinder, seperti di AS. Transistor daya di tengah bulat, tidak memiliki tepi logam, seperti transistor Amerika dalam kasus TO-3. Saya tidak berasumsi untuk menilai apakah komponen Soviet lebih baik atau lebih buruk daripada kasus ini - hanya menarik untuk mempelajari bagaimana mereka berbeda dari yang Amerika.


Catu daya menggunakan 1 A dioda dalam kasus oranye persegi panjang. OS berarti kualitas militer yang tinggi.

Papan kedua juga merupakan bagian dari catu daya, tetapi jauh lebih sederhana. Ini memiliki penyaringan induktor dan kapasitor, serta chip regulator tegangan linier (merah muda), yang menghasilkan 15 V untuk IC dari penguat operasional papan pertama. Chip regulator tegangan memiliki dua loop logam besar yang disolder ke papan dan membuang panas. Sungguh aneh bahwa papan memiliki tiga lubang besar di sisi kanan. Mereka mungkin diperlukan untuk membebaskan ruang untuk komponen-komponen tinggi pada papan yang berdekatan - tetapi tidak ada komponen seperti itu di sana. Rupanya, papan ini awalnya dikembangkan untuk perangkat lain.


Papan kedua setengah kosong, dan sisi kanannya tampaknya berfungsi seperti radiator

Papan yang tersisa diisi dengan IC logika digital. Papan 3 pada foto di bawah dan papan 5 serupa dengan itu bertanggung jawab atas fungsi waktu dan sirene saat ini. Di setiap papan adalah penghitung desimal biner selama enam digit (jam, menit, detik). Selain itu, setiap penghitung membutuhkan chip logika untuk meningkat dan satu chip lagi untuk diatur ulang, tergantung pada apakah jam bekerja dalam mode normal atau dikonfigurasi (oleh karena itu ada banyak chip) Chip pink mengontrol pemilihan angka selama pengaturan.



Papan 4 (di bawah) memiliki dua fungsi. Pertama, ini mengontrol apakah jam menunjukkan waktu saat ini atau waktu peringatan. Setiap digit memiliki chip terpisah untuk tujuan ini. Kedua, papan memberikan sinyal kepada kapal ketika waktu saat ini bertepatan dengan waktu pemberitahuan yang ditentukan. Ini diimplementasikan menggunakan beberapa chip yang memverifikasi semua angka pada gilirannya, menentukan apakah ada kecocokan. Jadi, meskipun fitur papan ini tampak sederhana, mereka membutuhkan papan chip penuh. Kontak di bagian bawah papan papan penghubung 4 ke papan 5. Ini menghubungkan ke papan 3 melalui harness kabel.



Beberapa papan memiliki komponen lebih dari sekadar logika digital. Misalnya, pada papan 6 dan 7 terdapat transformer pulsa, sinyal kontrol isolasi listrik yang memasuki jam melalui konektor 19-pin (di sirkuit modern, peran ini dimainkan oleh optocoupler ). Transformer ini agak mirip jamur atau menara air kecil, dan dapat dilihat pada foto di bawah ini. Papan 7 juga memiliki kristal kuarsa - persegi panjang logam di bagian bawah ( instruksi untuk Soyuz mengklaim bahwa keakuratan arloji ini hingga 30 detik per hari, yang tidak terlalu bagus - arloji elektronik murah dari Timex tahun 1970an memberikan akurasi hingga 15 detik per bulan; instruksi mengatakan bahwa jam dapat disinkronkan dengan pulsa eksternal).


Di papan 7 ada kristal 1 MHz, yang mengatur frekuensi jam untuk jam

Dua fungsi papan 7 adalah generasi pulsa jam dan implementasi stopwatch. Kristal kuarsa menghasilkan pulsa 1 MHz. Mereka melambat ke pulsa sekali per detik menggunakan enam penghitung desimal biner; masing-masing membagi frekuensi dengan 10. Kemudian pulsa ini digunakan oleh sisa pola jam. Agar stopwatch berfungsi, papan memiliki empat penghitung untuk empat digit. Juga ada logika kontrol untuk memulai, menghentikan dan memusatkan perhatian pada stopwatch. Tiga transformator pulsa memungkinkan kapal untuk mengontrol stopwatch ketika peristiwa tertentu terjadi.



Papan 8 dan 9 mengontrol tampilan LED. Setiap digit membutuhkan chip yang menyalakan segmen tertentu dari tampilan 7-segmen berdasarkan nilai desimal biner. Chip yang mengkonversi nilai desimal biner ke 7 segmen adalah chip 16-pin berwarna merah muda. Karena ada 10 digit pada arloji, 10 chip kontrol digunakan. Delapan di antaranya terletak di papan 8, dan di papan 9 ada dua chip dan berbagai resistor pembatas arus untuk tampilan LED. Switch untuk mengatur jam juga terlihat pada foto di bawah ini.



Dan akhirnya, pada papan 10 ada sepuluh tampilan LED. Setiap digit terdiri dari tampilan dengan tujuh segmen dan satu titik. Saya pikir salah satu poin harus menunjukkan sesuatu - kita akan menemukan apa tepatnya dengan memasok daya ke arloji.

Sirkuit terpadu Soviet

Pertimbangkan lebih jauh jam IC. Jam terutama berisi chip transistor-transistor logic (TTL), populer dari tahun 1970-an hingga 1990-an (jika Anda terlibat dalam elektronik digital sebagai hobi, Anda mungkin akrab dengan chip TTL dari seri 7400 ). Chip TTL cepat, murah, dan dapat diandalkan. Namun, kelemahan utama mereka adalah kurangnya fungsionalitas. Chip TTL paling sederhana hanya memiliki beberapa gerbang logika, seperti 4 NAND atau 6 inverter, dan TTL yang lebih kompleks dapat berisi sesuatu seperti penghitung 4-bit. Akibatnya, TTL memberi jalan kepada CMOS (chip yang digunakan pada komputer modern), yang menggunakan energi jauh lebih sedikit dan memiliki kepadatan yang lebih tinggi.

Karena masing-masing chip di arloji melakukan sedikit, arloji membutuhkan banyak papan dengan chip untuk menjalankan fungsinya. Misalnya, setiap digit jam memerlukan penghitung, serta sepasang chip logika untuk menambah atau menghapus angka ini seperlunya, serta chip yang mengontrol tampilan LED 7-segmen yang sesuai. Karena jam menunjukkan 10 digit, ini sudah memberi kita 40 chip. Chip tambahan menangani tombol dan sakelar, menerapkan sirene, memantau status stopwatch, mengontrol osilator, dan sebagainya, yang menjadikan jumlah total chip menjadi 100.

Yang saya sukai tentang IC Soviet adalah bahwa penomoran chip mengikuti sistem rasional , berbeda dengan, pada umumnya, penomoran acak IC Amerika (informasi lebih lanjut dapat ditemukan dalam buku referensi " Sirkuit Terpadu dan Analog Asing Mereka "). Dua huruf dalam nomor bagian menunjukkan fungsi chip - gerbang logika, penghitung, pemicu, decoder. Misalnya, rangkaian mikro di bawah ini ditandai sebagai "Δ134 LB2A". Nomor seri 134 menunjukkan bahwa itu adalah chip TTL berdaya rendah. Huruf "L" berarti chip logika, dan "LB" adalah singkatan dari gerbang logika NAND / NOR. "2" menunjukkan chip spesifik dari kategori "LB" (fungsionalitas chip 134LB2 termasuk katup NAND dan inverter dengan 4 input, dan itu tidak memiliki analog Amerika; "Δ" digunakan pada chip kecil, bukan "L" agar tidak membingungkan dengan "P").



Logo pada IP mengatakan bahwa mereka memiliki produsen yang berbeda. Di bawah ini adalah beberapa chip, bersama dengan nama pabrikan dan terjemahan ke dalam bahasa Inggris. Informasi lebih lanjut tentang logo semikonduktor Soviet dapat ditemukan di sini dan di sini .

Perbandingan dengan teknologi AS

Seperti apa tampilan jam tangan Soyuz dibandingkan dengan teknologi Amerika? Untuk pertama kalinya melihat mereka, saya akan mengatakan bahwa mereka dibuat pada tahun 1969, dan bukan pada tahun 1984 - jika Anda melihat perangkat mereka dan sejumlah besar chip sederhana dalam kasing datar. Teknologi Amerika pada tahun 1984 menghasilkan IBM PC / AT dan Apple Macintosh. Tampaknya absurd bahwa beberapa jam tangan dengan sejumlah besar chip TTL digunakan dalam arloji sepuluh tahun setelah Amerika Serikat mulai memproduksi jam tangan digital pada satu chip. Namun, ternyata membandingkan teknologi tidak sesederhana itu.

Untuk membandingkan jam Soyuz dengan elektronik antariksa Amerika modern tahun 1980-an, saya mengambil papan dari pesawat ulang-alik AP-101S. Foto di bawah ini menunjukkan diagram dari jam Soyuz (kiri) dan komputer Shuttle (kanan). Meskipun komputer Shuttle lebih maju dalam hal teknologi, perbedaan di antara mereka tidak sebesar yang saya harapkan. Kedua sistem didasarkan pada chip TTL, meskipun chip Shuttle berasal dari generasi yang lebih cepat. Banyak chip Shuttle sedikit lebih canggih; Perhatikan keripik dengan 20 pin di bagian atas. Chip putih besar jauh lebih kompleks - itu adalah chip koreksi kesalahan memori AMD Am2960. Papan sirkuit Shuttle lebih maju, ia memiliki lebih dari dua lapisan, itulah sebabnya chip dapat ditempatkan 50% lebih padat. Pada saat itu, diyakini bahwa Uni Soviet adalah 8-9 tahun di belakang Barat dalam teknologi IP; ini bertepatan dengan apa yang dilihat berdasarkan perbandingan dua papan.



Namun, yang mengejutkan saya adalah kesamaan antara komputer Shuttle dan jam Soyuz. Saya berharap bahwa komputer Shuttle akan menggunakan mikroprosesor tahun 1980-an dan itu akan menjadi seluruh generasi di depan jam Soyuz, tetapi ternyata kedua sistem menggunakan teknologi TTL, dan dalam banyak kasus chip memiliki fungsi yang hampir sama. Misalnya, pada kedua papan chip yang menerapkan 4 katup NAND digunakan (lihat di sebelah kiri untuk chip 134Λ1A, dan di sebelah kanan - 54F00).

Kesimpulan

Mengapa, kemudian, apakah arloji Soyuz menggunakan lebih dari 100 chip daripada sistem satu-chip? Teknologi SS Soviet 8 tahun di belakang teknologi Amerika, dan chip TTL pada waktu itu tampak seperti pilihan cerdas, bahkan di Amerika Serikat. Karena chip TTL tidak memiliki fungsi yang luas, bahkan untuk implementasi hal-hal sederhana seperti jam, perlu untuk menggunakan beberapa papan yang diisi dengan chip.

Lain kali kami akan mencoba menerapkan daya ke arloji dan melihat cara kerjanya. Saya mempelajari pertanyaan ini secara khusus. Saya berencana untuk menjelaskan secara lebih rinci tentang nutrisi mereka dan bagian-bagian lainnya, tetapi untuk sekarang, tonton video di mana Mark memisahkan jam.