绝密！拆解联盟号宇宙飞船内部时钟电路

来源:电子工程世界发布时间:2022-11-26642浏览

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。

绝密！拆解联盟号宇宙飞船内部时钟电路

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