Desmontamos o relógio digital da sonda Soyuz

Relógio espacial a bordo. Mostrar a hora, ter um despertador ("sirene") e um cronômetro

Recentemente, colocamos em nossas mãos [ no Computer History Museum, em Mountain View, Califórnia ], um relógio voando no espaço com a missão Soyuz (Space Flight Clock, ou BCH). O relógio foi fabricado em 1984 e contém mais de 100 circuitos integrados (ICs) em dez placas de circuito impresso. Por que esse relógio é tão complicado? Neste artigo, estudarei o circuito do relógio e explicarei por que foram necessários tantos chips para eles. Além disso, o relógio nos dá a oportunidade de examinar mais de perto os eletrônicos aeroespaciais soviéticos e compará-los com a tecnologia americana.

A sonda Soyuz foi desenvolvida como parte do programa espacial soviético durante a corrida lunar. O primeiro Soyuz voou em 1966 e, no total, nos últimos 50 anos, mais de 140 vôos foram concluídos dentro do programa. A espaçonave (veja a foto abaixo) consiste em três partes. A seção redonda à esquerda é o módulo habitado, onde estão armazenados os compartimentos de carga, equipamentos e residências. No meio está o módulo de descida, e é tudo o que retorna à Terra; os astronautas estão no módulo de descida durante o lançamento e o retorno. No módulo de serviço à direita está o motor principal, painéis solares e outros sistemas.


Soyuz TMA-7 sai da ISS, 2006

No módulo de descida é o painel de controle da nave espacial (veja abaixo). O relógio digital está no canto superior esquerdo. Os primeiros navios da Soyuz usavam um relógio analógico, mas de 1996 a 2002, o navio já estava equipado com um relógio digital. Um relógio digital também foi usado na estação espacial Mir. Nos sindicatos posteriores, o relógio desapareceu e foram usadas duas telas de computador no painel de controle.


O painel de controle da União. Relógio digital - canto superior esquerdo. A tela no meio é a TV.

Detalhes do relógio

O relógio tinha três funções: exibir a hora, servir como despertador e cronômetro. No modo de relógio da hora atual (FWT), o relógio mostra a hora atual em Moscou usando seis dígitos no canto superior esquerdo, e o OP mostra a hora para definir o alarme. Um despertador (ou " sirene ", OP) pode ser definido por um certo tempo; neste momento, o relógio ativa o relé, iniciando um dos circuitos externos da nave (conclusões sobre todas as funções foram feitas até agora por mim com base na engenharia reversa. Quando ligarmos esse relógio, veremos onde eu estava errado). O relógio é ajustado no modo "Correção"; dígitos aumentam pressionando o botão "Enter". A parte inferior do relógio é um cronômetro. Quatro indicadores LED mostram os minutos e segundos decorridos. O botão abaixo inicia, para ou reinicia o cronômetro (a julgar pelas instruções do comando Soyuz, o relógio mede automaticamente o tempo decorrido desde a partida do motor até a parada, bem como o tempo durante a descida para entrar em contato com a superfície). O interruptor de alternância "On" inclui um relógio.



É claro que queríamos ver o que havia dentro deles, então Mark desapertou a tampa e a removeu. Sob ele, foi encontrado um pacote denso de placas de circuito impresso. O relógio acabou sendo muito mais complicado do que eu esperava - dez placas de circuito impresso estavam pontilhadas com CIs de montagem em superfície e outros componentes. Os componentes estão localizados em placas de circuito impresso de duas camadas - essa é uma tecnologia de montagem comum. Os componentes montados na superfície e de ponta a ponta são misturados na placa. Isso significa que componentes como resistores e capacitores foram montados passando as pernas pelos orifícios das placas. E os CIs de montagem em superfície foram soldados em plataformas localizadas na superfície da placa. Essa é uma abordagem mais avançada do que a usada nos produtos eletrônicos de consumo americanos em 1984: eles usavam grandes CIs de ponta a ponta e não mudaram para montagem em superfície até o final dos anos 80. Ao mesmo tempo, os computadores aeroespaciais dos EUA usam ICs montados na superfície desde a década de 1960.


Relógio com a tampa removida

Uma característica interessante do relógio é que as placas são conectadas por fios separados montados em feixes (eu esperava que as placas fossem inseridas na placa-mãe ou conectadas por cabos). As placas têm fileiras de contatos em torno do perímetro e os fios são soldados a elas. Em seguida, os fios foram montados em feixes, embrulhados em plástico e fixados em placas.



Inicialmente, pensamos que desmontar ainda mais o relógio sem soldar o fio não funcionaria, mas depois percebemos que os chicotes de fios estavam localizados de tal maneira que as placas podiam ser implantadas na forma de um livro. Isso nos permitiu estudar os conselhos mais detalhadamente. O inconveniente foi que algumas partes das placas foram soldadas na frente por fios curtos, portanto não conseguimos vê-las nos dois lados.



Você pode ver quanto IP há no relógio. Basicamente, estes são CIs com uma caixa de metal plano e 14 contatos, o que os diferencia dos CIs americanos da época, cuja caixa era feita de epóxi preto. Também existem CIs de 16 pinos em caixas de cerâmica rosa.

Layout do relógio

O próximo passo foi um estudo mais detalhado do circuito - vamos vê-lo a partir da parte de trás do relógio. Um conector com 19 contatos (padrão para a eletrônica militar soviética RS19TV - eu consegui encontrar um par para ele no eBay e vamos usá-lo para iniciar o relógio) conectou o relógio aos dispositivos do navio. Através desse conector, os instrumentos foram alimentados com o relógio de 24 V, além de todos os pulsos e sinais de controle necessários para o cronômetro. O relógio após um período especificado deu o comando ao navio através dos contatos do relé.



As duas placas na parte de trás do relógio são poderosas, e acabou sendo mais difícil do que eu esperava. A primeira placa é uma fonte de alimentação comutada que converte a tensão do navio de 24 V em 5 V, necessária para a operação do IC. Os cilindros de cerâmica são todos os tipos de indutores, desde bobinas simples a bobinas complexas de 16 pinos. O circuito de controle contém dois amplificadores operacionais em cilindros de metal. Os outros dois alojamentos, semelhantes ao IC, contêm quatro transistores. Ao lado deles está um diodo zener cilíndrico que regula a tensão de saída [ como no original - embora um dos leitores insista que “o diodo zener é uma fonte de tensão de referência e não regula nada por si só” / aprox. perev. ] No centro, você pode ver um transistor de potência de pulso redondo grande. Pode-se esperar encontrar um simples transformador abaixador lá. No entanto, a fonte de energia é construída de acordo com um esquema mais complexo, fornecendo isolamento elétrico do navio e do relógio ( isolamento galvânico ). Não sei exatamente por que era necessário.



Muitos componentes da fonte de alimentação diferem na aparência dos americanos. Os resistores americanos geralmente são marcados com listras coloridas, mas os resistores soviéticos são cilindros verdes com uma denominação impressa neles. Os diodos soviéticos são caixas retangulares alaranjadas, não cilíndricas, como nos EUA. O transistor de potência no centro é redondo, não possui uma borda de metal, como os transistores americanos nos casos TO-3. Não pretendo julgar se os componentes soviéticos são melhores ou piores que o caso - é apenas interessante estudar como eles diferem dos americanos.


A fonte de alimentação usa diodos 1 A em caixas retangulares laranja. OS significa alta qualidade militar.

A segunda placa também faz parte da fonte de alimentação, mas é muito mais simples. Possui indutores e capacitores de filtragem, além de um chip regulador de tensão linear (rosa), que produz 15 V para o IC do amplificador operacional da primeira placa. O chip do regulador de tensão possui dois grandes laços de metal soldados na placa e dissipando o calor. É estranho que a placa tenha três furos grandes no lado direito. Provavelmente, eles são necessários para liberar espaço para componentes de altura alta em uma placa adjacente - mas não existem componentes lá. Aparentemente, esta placa foi originalmente desenvolvida para outro dispositivo.


A segunda placa está meio vazia e seu lado direito aparentemente funciona como um radiador

As placas restantes são preenchidas com CIs de lógica digital. A placa 3 na foto abaixo e a placa 5 semelhante a ela são responsáveis ​​pelas funções da hora e sirene atuais. Em cada placa há contadores decimais binários com seis dígitos (horas, minutos, segundos). Além disso, cada contador requer um chip lógico para aumentar e mais um chip para redefinir, dependendo se o relógio funciona no modo normal ou está configurado (portanto, existem tantos chips). O chip rosa controla a seleção de números durante a instalação.



O quadro 4 (abaixo) tem duas funções. Em primeiro lugar, controla se o relógio mostra a hora atual ou a hora do alerta. Cada dígito possui um chip separado para esse fim. Em segundo lugar, a diretoria emite um sinal para o navio quando o horário atual coincide com o horário de notificação especificado. Isso é implementado usando vários chips que verificam todos os números, determinando se há uma correspondência. Portanto, embora os recursos desta placa pareçam simples, eles exigem uma placa de chip completa. Os contatos na parte inferior da placa conectam a placa 4 à placa 5. Ele se conecta à placa 3 através de uma fiação.



Algumas placas têm mais componentes do que apenas lógica digital. Por exemplo, nas placas 6 e 7, existem transformadores de pulso, sinais de controle de isolamento elétrico que entram no relógio através de um conector de 19 pinos (em circuitos modernos, esse papel é desempenhado pelo acoplador óptico ). Esses transformadores são um pouco como cogumelos ou pequenas torres de água e podem ser vistos na foto abaixo. A sétima placa também possui um cristal de quartzo - um retângulo de metal na parte inferior (as instruções da Soyuz afirmam que a precisão deste relógio é de até 30 segundos por dia, o que não é muito bom - relógios eletrônicos baratos da Timex da década de 1970 deram precisão de até 15 segundos por mês; as instruções indicam que o relógio pode ser sincronizado por pulsos externos).


Na sétima placa, há um cristal de 1 MHz, que define a freqüência do relógio.

Duas funções da sétima placa são a geração de pulsos de relógio e a implementação de um cronômetro. Um cristal de quartzo produz pulsos de 1 MHz. Eles diminuem para pulsos uma vez por segundo usando seis contadores decimais binários; cada um deles divide a frequência por 10. Em seguida, esses pulsos são usados ​​pelo restante dos padrões de relógio. Para o cronômetro funcionar, o quadro possui quatro contadores com quatro dígitos. Também existe uma lógica de controle para iniciar, parar e zerar o cronômetro. Três transformadores de pulso permitem que o navio controle o cronômetro quando certos eventos ocorrem.



As placas 8 e 9 controlam os displays de LED. Cada dígito requer um chip que acenda segmentos específicos de uma tela de 7 segmentos com base em um valor decimal binário. Os chips que convertem valores decimais binários em 7 segmentos são chips cor-de-rosa de 16 pinos. Como existem 10 dígitos no relógio, 10 chips de controle são usados. Oito deles estão localizados na 8ª placa, e na 9ª placa existem dois chips e vários resistores limitadores de corrente para displays de LED. Os interruptores para acertar o relógio também são visíveis na foto abaixo.



E finalmente, na 10ª placa, existem dez displays de LED. Cada dígito consiste em uma exibição com sete segmentos e um ponto. Acho que um dos pontos deve indicar algo - descobriremos o que exatamente fornecendo energia ao relógio.

Circuitos integrados soviéticos

Considere ainda mais o IC do relógio. O relógio contém principalmente chips de lógica transistor-transistor (TTL), populares entre as décadas de 1970 e 1990 (se você estava envolvido na eletrônica digital como hobby, provavelmente está familiarizado com os chips TTL da série 7400 ). Os chips TTL eram rápidos, baratos e confiáveis. No entanto, sua principal desvantagem foi a falta de funcionalidade. O chip TTL mais simples possui apenas algumas portas lógicas, como 4 inversores NAND ou 6, e um TTL mais complexo pode conter algo como um contador de 4 bits. Como resultado, os TTLs deram lugar ao CMOS (os chips usados ​​em computadores modernos), que usam muito menos energia e têm uma densidade mais alta.

Como cada chip individual no relógio fazia pouco, o relógio exigia muitas placas com chips para desempenhar suas funções. Por exemplo, cada dígito do relógio requer um contador, além de um par de chips lógicos para aumentar ou limpar esse valor conforme necessário, além de um chip que controla o display LED de 7 segmentos correspondente. Como o relógio mostra 10 dígitos, isso já nos dá 40 chips. Chips adicionais manipulam botões e interruptores, implementam uma sirene, monitoram o status de um cronômetro, controlam um oscilador e assim por diante, o que eleva o número total de chips para 100.

O que eu gostei nos CIs soviéticos é que a numeração dos chips está sujeita a um sistema racional , diferentemente da numeração aleatória e geral dos CIs americanos (mais informações podem ser encontradas no livro de referência " Circuitos integrados e seus análogos estrangeiros "). Duas letras no número de peça indicam a função do chip - porta lógica, contador, gatilho, decodificador. Por exemplo, o microcircuito abaixo está marcado como "Δ134 LB2A". O número de série 134 indica que é um chip TTL de baixa potência. A letra "L" representa o chip lógico e "LB" representa os portões lógicos NAND / NOR. "2" indica um chip específico da categoria "LB" (a funcionalidade do chip 134LB2 inclui válvulas NAND e um inversor com 4 entradas e não possui um analógico americano; "Δ" é usado em chips pequenos em vez de "L" para não confundi-lo com "P").



Os logotipos no IP dizem que tinham fabricantes diferentes. Abaixo estão vários chips, junto com o nome dos fabricantes e uma tradução para o inglês. Mais informações sobre os logotipos dos semicondutores soviéticos podem ser encontradas aqui e aqui .

Comparação com a tecnologia dos EUA

Como é um relógio da Soyuz em comparação com a tecnologia americana? Pela primeira vez, olhando para eles, eu diria que eles foram fabricados em 1969, e não em 1984 - se você olhar para o dispositivo e um grande número de chips simples em caixas planas. A tecnologia americana em 1984 produziu o IBM PC / AT e Apple Macintosh. Parece absurdo que um relógio use várias placas com um grande número de chips TTL dez anos depois que os Estados Unidos começaram a produzir relógios de pulso digitais em um único chip. No entanto, descobriu-se que comparar a tecnologia não é tão simples.

Para comparar o relógio da Soyuz com a moderna eletrônica espacial americana dos anos 80, peguei uma placa no computador do ônibus espacial AP-101S. A foto abaixo mostra um diagrama do relógio Soyuz (à esquerda) e do computador Shuttle (à direita). Embora o computador Shuttle seja mais avançado em termos de tecnologia, a diferença entre eles não é tão grande quanto eu esperava. Ambos os sistemas são baseados em chips TTL, embora os chips Shuttle sejam de uma geração mais rápida. Muitos dos chips do Shuttle são um pouco mais sofisticados; Preste atenção aos chips com 20 pinos na parte superior. O grande chip branco é muito mais complexo - é o chip de correção de erros de memória AMD Am2960. A placa de circuito Shuttle é mais avançada, possui mais de duas camadas, razão pela qual os chips podem ser colocados 50% mais densos. Naquela época, acreditava-se que a URSS estava 8-9 anos atrás do Ocidente em tecnologia IP; isso coincide com o que é visto com base na comparação de duas placas.



No entanto, o que me surpreendeu foi a semelhança entre o computador Shuttle e o relógio Soyuz. Eu esperava que o computador Shuttle usasse microprocessadores da década de 1980 e levaria uma geração inteira à frente do relógio da Soyuz, mas verificou-se que ambos os sistemas usam a tecnologia TTL e, em muitos casos, os chips têm quase a mesma funcionalidade. Por exemplo, em ambas as placas, chips que implementam 4 válvulas NAND são usados ​​(procure à esquerda por 134Λ1A e à direita - 54F00).

Conclusão

Por que, então, o relógio Soyuz usa mais de 100 chips em vez de um sistema de chip único? A tecnologia SS soviética estava 8 anos atrás da tecnologia americana, e os chips TTL naquela época pareciam uma escolha inteligente, mesmo nos Estados Unidos. Como os chips TTL não possuem uma funcionalidade abrangente, mesmo para a implementação de coisas simples como um relógio, foi necessário usar várias placas cheias de chips.

Da próxima vez, tentaremos aplicar energia ao relógio e ver como ele funciona. Estudei essa questão especificamente. Pretendo descrever com mais detalhes sua nutrição e suas outras partes, mas, por enquanto, assista ao vídeo em que Mark desmonta o relógio.