联盟号飞船数字时钟拆卸

我们最近获得了执行联盟号太空飞行任务的时钟。 1时钟制造于1984年，在十个电路板上包含100多个集成电路。为什么时钟这么复杂？在这篇博客文章中，我研究了时钟的电路并解释了为什么需要那么多芯片的问题，时钟还让我们瞥见了鲜为人知的苏联航空电子世界以及它与美国技术的比较。

＆＃34;机载空间时钟＆＃34;来自联盟号任务。时钟提供时间，闹钟和秒表。

联盟号系列飞船是为苏联太空计划而设计的，是登月竞赛的一部分。联盟号于1966年首次飞行，在过去50年中已进行了140多次飞行，航天器（下）包括三个部分。左侧的圆形部分是轨道或居住模块，容纳着货物，设备和居住空间。中间的下降模块是返回地球的唯一部分。最后，在右侧的维修模块包括主机，太阳能电池板和其他系统。

下降模块包含航天器的控制面板（如下）。 2请注意左上角的数字时钟。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。 3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该时钟，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。

联盟号飞船的控制面板。数字时钟在面板的左上方。中间的屏幕是电视监视器。图片来自Stanislav Kozlovskiy，CC BY-SA 4.0。

下图显示了翻译成英语的时钟标签。该时钟具有三个功能：时间，闹钟和秒表。 5模式在前六个LED数字上显示当前莫斯科时间，而“公告”。显示闹钟时间。可以将闹钟设置为特定时间。那时，时钟触发了继电器，激活了航天器中的外部电路。 4使用＆＃34; Correction＆＃34;设置时钟模式;使用＆＃34; Enter＆＃34;递增数字。按钮的下半部分是秒表;底部的四个LED显示经过的分钟和秒;下部的按钮停止，启动或重置秒表。 6最后，右侧的电源开关打开时钟。

时钟的前面。红色文字是俄语标签翻译成英文的翻译。

当然，我们想看看时钟里有什么东西，所以Marc拧开了盖子并将其从时钟上取下，这表明里面有密集的电路板堆栈，时钟比我想象的要复杂得多，十个电路板塞满了组件安装在两层印刷电路板上，这是一种常见的构造技术，这些板使用通孔组件和表面安装组件的混合物，即电阻器等组件电容器是通过将引脚的引线穿过板上的孔来安装的，而表面安装集成电路则被焊接到板上的焊盘上，这比1984年的美国消费电子产品要先进得多。使用较大的通孔集成电路，直到1980年代后期才开始对表面贴装IC进行安装。 （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。）

时钟的一个有趣特征是，这些板通过捆绑成线束的单个电线连接（如下）（我希望这些板插入底板或通过带状电缆连接）。这些板具有成排的引脚沿着侧面，将电线焊接到这些引脚上。这些电线被捆成一束，用塑料包裹，然后小心地绑扎到与电路板相连的线束中。

最初，我们认为不拆开所有电线就不可能进一步拆卸时钟，但后来我们意识到线束的设计使其可以像一本书一样打开（参见下文），这使我们能够检查电路板更不方便的是，在前面用短导线将几对板焊接在一起，因此我们看不到这些板的两面。

在上面的照片中，您可以看到时钟中无数的集成电路，这些集成电路大多是14针扁平封装的。金属封装的集成电路，不同于当代美国的集成电路通常采用黑色环氧树脂封装，也有一些16针集成电路封装在粉红色陶瓷中。

下一步是更详细地检查电路，我将在时钟的背面开始进行讨论.19针连接器7将时钟连接到航天器的其余部分，航天器为时钟提供了28通过这个连接器的电压，以及外部定时脉冲和秒表控制信号。到达警报时间时，时钟可以通过继电器触点向航天器发出信号。

时钟后面的两个电路板是电源，它比我预期的要复杂。第一块板（下面）是一个开关电源，它将航天器的28伏电源转换为所需的5伏电源圆形陶瓷元件是电感器，范围从简单的线圈到复杂的16引脚电感器。控制电路包括两个以金属罐封装的运算放大器，另外两个看起来像集成电路的封装则每个都包含四个晶体管。它们由一个子弹形的齐纳二极管来设定输出电压电平。在板的中间可以看到一个大的圆形开关功率晶体管。您可能希望电源是一个简单的降压转换器，但是电源使用了更多的降压转换器。复杂的设计可以在航天器和时钟之间提供电气隔离。不过，我不确定为什么需要隔离。 8

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，而苏联电阻则是绿色的圆柱体，上面印有其值;苏联二极管采用橙色矩形封装（下图），与通常的圆柱形美国二极管不同。圆形，缺少美国功率晶体管的金属法兰TO-3＆＃34;我不认为苏联的包装是好是坏，但有趣的是看到这两个国家的组件是如何分化的。

电源使用橙色矩形包装的1安培二极管。 ＆＃34; OC＆＃34;表示较高质量的军事部分。

第二块板也是电源的一部分，但是要简单得多。它具有用于过滤电源的电感器和电容器，以及用于在第一块板上为运算放大器IC产生15伏电压的线性稳压器芯片（粉红色）。稳压器芯片的底部具有两个大的金属片，这些片子已焊接奇怪的是，该板的右侧有3个大孔，明显的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，但是没有组件因此，我怀疑该板最初是为其他设备设计的，可在时钟中重复使用。

电源板2的一半是空的，右半部分显然是用作散热器。

其余板卡中装有数字逻辑集成电路.3号板（下）和5号板（类似）实现当前时间和警报时间功能，每个板均包含六个BCD计数器芯片，用于显示六位数字（小时，分钟和秒）。秒）。 9此外，每个数字计数器都需要一个逻辑芯片来控制何时递增，并需要另一个芯片来控制何时复位，这取决于时钟是被设置还是正在运行（这就是需要那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。 10

板3装有数字逻辑集成电路。两侧的引脚都将板连接到线束。

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，这是通过每个位数的选择芯片来实现的;其次，当当前时间到达闹钟时间时，该板会向航天器发出信号;这是通过多个芯片来实现的逐个数字地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，板底部的连接将板4链接到板5。该板通过线束连接至板3。

电路板4在当前时间和警报时间之间进行选择。它还会比较两个值，以确定何时达到警报时间。

有些电路板的电路不仅仅是数字逻辑电路，例如，电路板6和7具有脉冲变压器，以通过19针连接器将输入到时钟的控制信号电隔离（在现代电路中，此作用将由这些变压器看起来有点像蘑菇或微型水塔，可以在下面的照片中看到.7号板还具有石英晶体，下面是金属矩形。 11

电路板7具有一个1 MHz的晶体，可为时钟提供时序信号。它还具有三个圆形脉冲变压器，用于隔离航天器的控制信号。

板子7（下面）的两个功能是产生时钟的计时脉冲和执行秒表。石英晶体产生精确的1兆赫兹脉冲，这些脉冲被六个BCD计数器减小到一秒脉冲;每个计数器芯片将频率除以10，这些计时脉冲由时钟的其余部分使用。为实现秒表，该板上有四个用于四位数字的BCD计数器，还具有用于启动，停止和重置秒表的控制逻辑。三个脉冲变压器使航天器可以在某些事件发生时控制秒表，其他芯片可以处理这些模式变化。

电路板7包含秒表电路，以及产生整个时钟时序的石英晶体。正面的导线将电路板连接至电路板6。

八块板和九块板驱动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）值照亮7段LED的适当段。这些BCD至7段的驱动器芯片是板上的粉红色16针芯片。 12由于时钟总共显示10位数字，因此使用了10个驱动器芯片.8个驱动器芯片位于8号板上，而9号板具有两个芯片以及用于LED的多个限流电阻器。下面的照片。

板8是一个LED驱动板，其中包含八个7段驱动器芯片。第9板（下方）还有两个驱动器芯片和多个电阻器。

最后，第10个电路板（下面）保留了十个LED数字，每个数字包括一个七段LED和一个逗号。我认为其中一个逗号表示某事；我们将在接通时钟电源后找出原因。

接下来，我将讨论时钟中使用的集成电路。时钟主要由TTL集成电路构建，TTL集成电路是一种数字逻辑，在1970年代至1990年代很流行。电子产品，您可能知道7400系列的TTL芯片。）TTL芯片快速，廉价且可靠，但是它们的主要缺点是TTL芯片功能不多，基本的TTL芯片仅包含一个逻辑门极少，例如4个NAND门或6个反相器，而更复杂的TTL芯片实现了功能单元，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芯片使用更少力量和力量。

由于联盟号时钟中的每个芯片都做得并不多，因此时钟需要许多芯片板来执行其功能，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来完成工作。根据需要增加并清除该数字，并使用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。另外的芯片可以处理按钮和开关，执行警报，保持跟踪秒表状态，运行振荡器等，将总数推到100多个筹码。

苏联IC的一个优点是，零件号是根据有理系统分配的，这与美国集成电路的本质上随机编号不同。 13零件号中的两个字母表示芯片的功能，例如逻辑门，计数器，触发器或解码器。例如，下面的IC标记为＆＃34;Δ134ΛБ2A＆＃34 ;.序列号134 ，表示该芯片是低功耗TTL芯片。＆＃34;Л＆＃34; （L）表示逻辑芯片（Логические），带有＆＃34;ЛБ＆＃34;最后，＆＃34; 2＆＃34;表示NAND / NOR逻辑门。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。）14

集成电路上的徽标表明它们是由多家公司制造的。时钟中的一些芯片如下所示，以及制造商的名称及其英文翻译。有关苏联半导体徽标的更多信息，请参见此处和这里。

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，这是基于构造和大量简单的扁平包装芯片而得出的。 1984年生产了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芯片的板似乎是荒谬的。 16然而，结果却并非如此简单。

为了将联盟号时钟与当代1980年代的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。 17下图显示了Soyuz时钟（左）和Shuttle计算机（右）的电路。虽然Shuttle计算机在技术上更先进，但差距比我预期的要小。两个系统都是由TTL芯片构建的，尽管Shuttle计算机使用了更快的切屑生成。许多Shuttle切屑稍微复杂些；注意板子顶部的较大的20针芯片。较大的白芯片要复杂得多。它是AMD Am2960内存错误校正芯片。Shuttle的印刷电路板更先进，多层而不是两层，使芯片的封装密度提高了50％。估计在集成电路技术方面比西方落后大约8至9年； 15这与我在两块板之间看到的差异是一致的。

联盟号时钟板（左）和航天飞机计算机板（右）的比例相同。两者都使用表面贴装TTL芯片。

但是让我感到惊讶的是，航天飞机计算机和苏联时钟之间的相似之处。我希望航天飞机计算机使用1980年代的微处理器，并且比联盟号时钟还早一代，但是相反，两个系统都使用TTL技术，在许多情况下功能几乎相同的芯片，例如，两个板都使用实现四个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Soyuz时钟包含100多个芯片而不是用单个时钟芯片实现？苏联的集成电路技术比美国的技术落后大约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。并没有做太多，它需要充满芯片的电路板才能实现甚至简单的时钟。

下一步是给时钟加电并查看时钟是否在运行。我一直在研究电源，因此我们可以做到这一点。我计划写更多有关电源和时钟其他部分的信息，请关注我@kenshirriff以获取详细信息。也有一个RSS feed。在此之前，您可以观看Marc的视频，其中显示了空间时钟的拆卸：

CuriousMarc从拍卖中获得了这只钟，并被广告宣传是飞上太空，但我不知道它执行了哪个任务。钟内零件的日期代码大多是1983年开始的，其中的日期代码是1984年的，所以时钟可能是在1984年制造的。时钟的俄语名称是＆＃34;БортовыеЧасыКосмические＆＃34; （机载太空时钟），缩写为＆＃34;БЧК＆＃34;。 ↩

Soyuz控制台的照片被误贴为Soyuz 7K-VI中的标签，但是该任务是在1960年代，而Soyuz-7K控制台却大不相同.Soyuz-7K控制台的照片在这篇俄罗斯文章中。 ↩

数字时钟用于航天器的Soyuz-TM版本，该版本的控制台被称为Neptune（Нептун），有关Soyuz控制台的详细信息，请参见Soyuz-TMA的集成信息显示系统，其中有两个俄语文档：可以在此处的Scott Manley视频和Steve Jurvetson的一些照片中看到模拟时钟。

关于时钟工作原理的大多数描述都是基于我的逆向工程，因此，我不保证本文中的所有内容都是准确的。当我们给时钟加电时，我会找出我出了什么问题:-)↩

时钟的标签是＆＃34;ЧТВ＆＃34 ;，是＆＃34;ЧасыТекущегоВремени＆＃34;的缩写。SoyuzCrew Ops Manuals将其翻译为＆＃34; CTime of Current Time＆＃34;。 ↩

Soyuz Crew Ops手册在第35页的时钟上有一些信息，根据该手册，秒表在推进系统发动机燃烧正时期间被自动控制，以测量从Engine Fire命令到Engine Cut Off命令之间的时间，并且还自动测量下降直到接触的时间。 ↩

19针连接器是RS19TV型的标准苏联军用连接器（在西里尔语中为РС19ТВ）。我能够在eBay上找到匹配的连接器，我们将使用该连接器为时钟供电。 ↩

例如，手机充电器使用安全的隔离电源来保护用户免受危险的120伏线路电压的影响，但是时钟采用28伏电源供电，因此没有明显的电气原因（（例如，Apollo指导计算机的电源使用了非隔离的开关电源。）

除了某些例外，时钟的每个数字都使用BCD计数器芯片。营业时间最高的数字只会转到＆＃34; 2＆＃34; （用于24小时制），因此使用了两个触发器而不是计数器。分和秒的高位数字需要以6（即60秒/分钟）翻转，因此时钟使用类似于7492芯片的12分频芯片。（该芯片可以配置为以6翻转而不是12.）↩

3号板上的粉红色芯片是К134ИД6十进制解码器，它根据输入的4位BCD值从10个输出中选择一个（零件号ИД表示解码器Дешифраторы。） 74L42芯片。出于某种原因，16引脚集成电路采用粉红色陶瓷封装，而更常见的14引脚集成电路采用金属封装。 ↩

Soyuz Crew Ops手册（第35页）将时钟的精度指定为每天30秒，这不是很好。相比之下，1970年代早期的低成本Timex石英表每个月仅需15秒即可准确显示;根据手册，时钟可以与外部时间脉冲同步;在发射/注入和自主轨道飞行阶段，时钟可以与程序定时控制E

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