編者薦語：

　　基于TTL技術的數(shù)字時鐘，曾飛過太空，讓人開了眼界漲了見識。

　　以下文章來源于芯片之家 ，作者曉宇

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　　最近獲得了一個飛過聯(lián)盟號太空任務的時鐘，該時鐘制造于1984年，在十個電路板上包含100多個集成電路，一個時鐘怎么這么復雜，本文給大家簡單解釋下。同時窺見下鮮為人知的蘇聯(lián)航空電子世界，以及與當年美國技術的比較。

　　聯(lián)盟號飛船系列是為蘇聯(lián)太空計劃設計的，是月球競賽的一部分。聯(lián)盟號(Soyuz)于1966年首次飛行，并且在過去50年中進行了140多次飛行。航天器(下圖)由三部分組成。左側的圓形部分是軌道或居住艙，容納貨物，設備和起居空間。中間的下降模塊是返回地球的唯一部分。在發(fā)射和重返期間，宇航員坐在下降模塊中。右側的服務模塊具有主機，太陽能電池板和其他系統(tǒng)。

　　2006年，NASA拍攝

　　下降模塊包含航天器的控制面板(如下圖)，注意左上方的數(shù)字時鐘。早期的聯(lián)盟號飛船使用了模擬時鐘，但從1996年到2002年，飛船使用了數(shù)字時鐘。和平號空間站也使用了數(shù)字時鐘。后來的聯(lián)盟號飛船取消了時鐘，該飛船使用控制面板上的兩個計算機屏幕代替了早期的控件。

　　數(shù)字時鐘在左上方，中間屏幕是監(jiān)視器

　　紅色字母就是俄語翻譯成的英文看到這個，我輩肯定想知道這個時鐘里面是什么，于是Marc擰開了蓋子，將它從鐘表上取下了，這表明內(nèi)部有密集的電路板。時鐘比預期的要復雜得多，十塊電路板塞滿了表面安裝的IC和其他組件。組件安裝在兩層印刷電路板上，這是一種常見的構造技術。這些板使用了通孔元件和表面安裝的元件，即通過將電阻器和電容器的引線穿過板上的孔來安裝它們。另一方面，將表面安裝集成電路焊接到板頂部的焊盤上，這比1984年的美國消費電子產(chǎn)品要先進得多，后者通常使用較大的通孔集成電路，直到1980年代后期才開始使用表面貼裝IC。(相比之下，美國航空計算機從1960年代就開始使用表面貼裝IC)

　　去掉了蓋子

　　一個有趣的特征是，電路板通過捆綁在線束中的獨立電線連接(如下圖)。這些板的側面有成排的引腳，并將導線焊接到這些引腳上。這些電線被捆成一捆，用塑料包裹，然后小心地綁扎到與電路板相連的線束中。

　　不同板之間的連線包裹在整齊的線束中

　　在上面的照片中，這些大多數(shù)是14引腳扁平封裝的集成電路，采用金屬封裝，與當代美國集成電路通常采用黑色環(huán)氧樹脂封裝的情況不同。還有一些用粉紅色陶瓷封裝16引腳的集成電路。

　　航天器通過該接口為時鐘提供24伏特電壓，以及外部定時脈沖和秒表控制信號。當達到警報時間時，時鐘可以通過繼電器觸點向航天器發(fā)出信號。

　　不同中19針連接器將時鐘連接到主控

　　時鐘后面的兩個電路板是電源，第一塊板下面是一個開關電源，它將航天器的24伏電源轉換為集成電路所需的5伏電源。圓形陶瓷組件是電感器，范圍從簡單的線圈到復雜的16引腳電感器。控制電路包括兩個金屬罐封裝的運算放大器。其他兩個看起來像集成電路的封裝，每個封裝都包含四個晶體管。在它們旁邊，有一個子彈形的齊納二極管設置輸出電壓電平。大的圓形開關功率晶體管在板的中間可見。我們可能希望電源是一個簡單的降壓轉換器。但是，電源使用更復雜的設計來提供航天器和時鐘之間的電隔離。

　　開關電源，為時鐘產(chǎn)生5V電壓

　　電源中的許多組件看起來與美國組件不同。美國電阻通常標有彩色帶，而蘇聯(lián)電阻是綠色的圓柱體，上面印有其值。與通常的圓柱形美國二極管不同，蘇聯(lián)二極管具有橙色矩形包裝(下圖)。電路板中間的功率晶體管是圓形的，缺少采用“ TO-3 ”封裝的美國功率晶體管。由此我們看到兩國的構成如何不同。

　　電壓電源使用長方形橙色的二極管，OC表示軍工級別的

　　第二塊板也是電源的一部分，但是要簡單得多。有用于對電源進行濾波的電感器和電容器，以及用于為第一塊板上的運算放大器IC產(chǎn)生15伏電壓的線性穩(wěn)壓器芯片(粉紅色)。穩(wěn)壓器芯片的底部有兩個大的金屬凸耳，這些凸耳被焊接到電路板上以散熱。奇怪的是，該板的右側有三個大孔。一種解釋是，這些孔為較高的組件提供了空間，這種情況在另一塊板上會出現(xiàn)。但是，沒有適合該板上孔的組件。因此，感覺該板最初是為其他設備設計的，并且可以在時鐘中重復使用。

　　右半部分是用于散熱的

　　其余板上裝有數(shù)字邏輯集成電路。板3(下面)和板5(類似)實現(xiàn)當前時間和警報時間功能。每個板包含六個BCD計數(shù)器芯片，用于表示六個數(shù)字(小時，分鐘和秒)。此外，每個數(shù)字計數(shù)器都需要一個邏輯芯片來控制其遞增的時間，并需要另一個芯片來控制何時對其進行復位，這取決于是設置時鐘還是運行時鐘。(這是需要這么多芯片的原因之一。)板上的粉紅色芯片控制在設置時鐘時修改哪個數(shù)字。

　　第4板(以下)具有兩個功能。首先，它控制時鐘是顯示當前時間還是顯示鬧鐘時間。這通過每個數(shù)字的選擇芯片來實現(xiàn)。其次，當當前時間到達警報時間時，該板會向航天器發(fā)出信號。這是由多個芯片實現(xiàn)的，以逐步遍歷每個數(shù)字，比較時間并確定它們是否匹配。因此，即使該板的功能看起來很簡單，它們也需要一整塊芯片。電路板的底部連接板4到板5。板子通過線束連接到板3。

　　當前時間和警報時間之間選擇，比較報警

　　一些板上的電路不僅僅是數(shù)字邏輯。例如，板6和7具有脈沖變壓器，通過19針連接器將輸入時鐘的控制信號電隔離。(在我們現(xiàn)在的電路中，此作用將由光隔離器來完成。)這些變壓器看上去有點像蘑菇或微型水塔，可以在下面的照片中看到。板7還具有石英晶體，即下面的金屬矩形。

　　三個圓形脈沖變壓器，可將控制信號與航天器隔離

　　板7(如下)的兩個功能是生成時鐘的定時脈沖并實現(xiàn)秒表。石英晶體產(chǎn)生精確的1兆赫茲脈沖。六個BCD計數(shù)器將這些脈沖減小為一秒的脈沖。每個計數(shù)器芯片將頻率除以10。這些定時脈沖由其余的時鐘使用。為了實現(xiàn)秒表，板上有四個BCD計數(shù)器，用于顯示四個數(shù)字。它還具有啟動，停止和重置秒表的控制邏輯。當發(fā)生某些事件時，三個脈沖變壓器使航天器能夠控制秒表。其他芯片可處理這些模式更改。

　　八號和九號板驅動LED顯示屏。每個LED位數(shù)都需要一個芯片，以根據(jù)BCD(二進制編碼的十進制)值來點亮7段LED的適當段。這些BCD至7段驅動器芯片是板上的粉紅色16引腳芯片。由于時鐘總共顯示10位，因此使用了10個驅動器芯片。板8上有八個驅動器芯片，而板9上有兩個芯片以及多個LED限流電阻。下圖也顯示了控制時鐘的開關。

　　最后，第10個板(如下)包含十個LED數(shù)字。每個數(shù)字都由一個七段LED以及一個逗號組成。我認為其中一個逗號表示某事，我們會發(fā)現(xiàn)時鐘上電時會發(fā)生什么。

　　蘇聯(lián)集成電路

　　接下來，我將討論時鐘中使用的集成電路。時鐘主要由TTL集成電路(一種在1970年代至1990年代很流行的數(shù)字邏輯)制成。(如果您做過業(yè)余數(shù)字電子產(chǎn)品，您可能知道7400系列TTL芯片。)TTL芯片快速，便宜且可靠。但是，它們的主要缺點是TTL芯片沒有太多功能。一個基本的TTL芯片僅包含幾個邏輯門，例如4個NAND門或6個反相器，而更復雜的TTL芯片實現(xiàn)了一個功能單元，例如4位計數(shù)器。最終，TTL輸給了CMOS芯片(現(xiàn)代計算機中的芯片)，而CMOS芯片功耗更低，密度更高。由于聯(lián)盟號時鐘中的每個芯片執(zhí)行得并不多，因此該時鐘需要許多芯片板才能執(zhí)行其功能。例如，時鐘的每個數(shù)字都需要一個計數(shù)器芯片，以及幾個邏輯芯片以根據(jù)需要遞增和清除該數(shù)字，還需要一個芯片來驅動相關的7段LED顯示器。由于時鐘顯示10位數(shù)字，因此已經(jīng)有40個芯片。其他芯片可處理按鈕和開關，實現(xiàn)警報，跟蹤秒表狀態(tài)，運行振蕩器等，從而使總數(shù)超過100個芯片。關于蘇聯(lián)集成電路的一件好的點是，零件號是根據(jù)一種合理的系統(tǒng)分配的，這與美國集成電路的本質上隨機編號不同。零件號中的兩個字母表示芯片的功能，例如邏輯門，計數(shù)器，觸發(fā)器或解碼器。例如，下面的IC被標記為“Δ134ΛБ2A”。序列號134表示該芯片是低功耗TTL芯片?！哀?L)表示邏輯芯片(Логические)，“ЛБ”表示NAND / NOR邏輯門。最后，“ 2”表示ЛБ類別中的特定芯片。(134ЛБ2芯片的功能是兩個4輸入與非門和一個反相器，該芯片沒有美國同類產(chǎn)品。)

　　時鐘內(nèi)部有兩個集成電路集成電路上的徽標表明它們是由多家公司生產(chǎn)的。下面顯示了時鐘中的某些芯片，以及制造商的名稱及其英文翻譯。

　　與美國技術的比較

　　聯(lián)盟號時鐘與美國技術相比如何?當我第一次看時鐘時，我會猜想它是在1969年而不是1984年制造的，這是基于其構造和大量簡單的扁平包裝芯片而定的。相比之下，1984年的美國技術生產(chǎn)了IBM PC / AT和Apple Macintosh。在美國生產(chǎn)單芯片數(shù)字手表十年后，時鐘使用裝滿TTL芯片的電路板似乎是荒謬的。然而，結果卻并非如此簡單。

　　為了將聯(lián)盟號時鐘與1980年代的當代美國太空電子產(chǎn)品進行比較，我查看了航天飛機AP-101S計算機的一塊板子。下圖顯示了聯(lián)盟號時鐘(左)和航天飛機計算機(右)的電路。盡管Shuttle計算機在技術上更先進，但差距比我預期的要小。兩種系統(tǒng)都是由TTL芯片構建的，盡管Shuttle計算機使用的芯片速度更快，許多Shuttle芯片稍微復雜一些。注意板子頂部較大的20針芯片。大白芯片要復雜得多。這是AMD Am2960內(nèi)存糾錯芯片。Shuttle的印刷電路板更先進，具有多層而不是兩層，從而使芯片的封裝密度提高了50%。當時，蘇聯(lián)的集成電路技術估計比西方落后大約8至9年。 這與我在兩塊板之間看到的差異是一致的。

　　相同比例下聯(lián)盟號時鐘版與航天飛機計算機版但是，令人驚訝的是，航天飛機計算機和蘇聯(lián)時鐘之間的相似之處。我期望Shuttle計算機使用1980年代的微處理器，并且比Soyuz時鐘領先一代，但是相反，兩個系統(tǒng)都使用TTL技術，并且在許多情況下使用的芯片具有幾乎相同的功能。例如，兩個板均使用實現(xiàn)四個NAND門的芯片。(看看是否可以在左側找到134ΛБ1A芯片，在右側找到54F00。)為什么聯(lián)盟號時鐘包含100多個芯片而不是用單個時鐘芯片實現(xiàn)?蘇聯(lián)集成電路技術比美國技術落后大約8年，而TTL芯片在當時是一個合理的選擇，即使在美國也是如此。由于每個TTL芯片的工作量都不大，因此需要一塊裝滿芯片的電路板來實現(xiàn)如此簡單的時鐘。