編者薦語：

　　基于TTL技術(shù)的數(shù)字時(shí)鐘，曾飛過太空，讓人開了眼界漲了見識(shí)。

　　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(gè)飛過聯(lián)盟號(hào)太空任務(wù)的時(shí)鐘，該時(shí)鐘制造于1984年，在十個(gè)電路板上包含100多個(gè)集成電路，一個(gè)時(shí)鐘怎么這么復(fù)雜，本文給大家簡(jiǎn)單解釋下。同時(shí)窺見下鮮為人知的蘇聯(lián)航空電子世界，以及與當(dāng)年美國技術(shù)的比較。

　　聯(lián)盟號(hào)飛船系列是為蘇聯(lián)太空計(jì)劃設(shè)計(jì)的，是月球競(jìng)賽的一部分。聯(lián)盟號(hào)(Soyuz)于1966年首次飛行，并且在過去50年中進(jìn)行了140多次飛行。航天器(下圖)由三部分組成。左側(cè)的圓形部分是軌道或居住艙，容納貨物，設(shè)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(cè)的服務(wù)模塊具有主機(jī)，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(shí)鐘。早期的聯(lián)盟號(hào)飛船使用了模擬時(shí)鐘，但從1996年到2002年，飛船使用了數(shù)字時(shí)鐘。和平號(hào)空間站也使用了數(shù)字時(shí)鐘。后來的聯(lián)盟號(hào)飛船取消了時(shí)鐘，該飛船使用控制面板上的兩個(gè)計(jì)算機(jī)屏幕代替了早期的控件。

　　數(shù)字時(shí)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(gè)，我輩肯定想知道這個(gè)時(shí)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(shí)鐘比預(yù)期的要復(fù)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(gòu)造技術(shù)。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(fèi)電子產(chǎn)品要先進(jìn)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(jì)算機(jī)從1960年代就開始使用表面貼裝IC)

　　去掉了蓋子

　　一個(gè)有趣的特征是，電路板通過捆綁在線束中的獨(dú)立電線連接(如下圖)。這些板的側(cè)面有成排的引腳，并將導(dǎo)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(dāng)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(shí)鐘提供24伏特電壓，以及外部定時(shí)脈沖和秒表控制信號(hào)。當(dāng)達(dá)到警報(bào)時(shí)間時(shí)，時(shí)鐘可以通過繼電器觸點(diǎn)向航天器發(fā)出信號(hào)。

　　不同中19針連接器將時(shí)鐘連接到主控

　　時(shí)鐘后面的兩個(gè)電路板是電源，第一塊板下面是一個(gè)開關(guān)電源，它將航天器的24伏電源轉(zhuǎn)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(jiǎn)單的線圈到復(fù)雜的16引腳電感器?？刂齐娐钒▋蓚€(gè)金屬罐封裝的運(yùn)算放大器。其他兩個(gè)看起來像集成電路的封裝，每個(gè)封裝都包含四個(gè)晶體管。在它們旁邊，有一個(gè)子彈形的齊納二極管設(shè)置輸出電壓電平。大的圓形開關(guān)功率晶體管在板的中間可見。我們可能希望電源是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器。但是，電源使用更復(fù)雜的設(shè)計(jì)來提供航天器和時(shí)鐘之間的電隔離。

　　開關(guān)電源，為時(shí)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(biāo)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(gòu)成如何不同。

　　電壓電源使用長(zhǎng)方形橙色的二極管，OC表示軍工級(jí)別的

　　第二塊板也是電源的一部分，但是要簡(jiǎn)單得多。有用于對(duì)電源進(jìn)行濾波的電感器和電容器，以及用于為第一塊板上的運(yùn)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(gè)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(cè)有三個(gè)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(huì)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(shè)備設(shè)計(jì)的，并且可以在時(shí)鐘中重復(fù)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(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)間和警報(bào)時(shí)間功能。每個(gè)板包含六個(gè)BCD計(jì)數(shù)器芯片，用于表示六個(gè)數(shù)字(小時(shí)，分鐘和秒)。此外，每個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器都需要一個(gè)邏輯芯片來控制其遞增的時(shí)間，并需要另一個(gè)芯片來控制何時(shí)對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，這取決于是設(shè)置時(shí)鐘還是運(yùn)行時(shí)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(shè)置時(shí)鐘時(shí)修改哪個(gè)數(shù)字。

　　第4板(以下)具有兩個(gè)功能。首先，它控制時(shí)鐘是顯示當(dāng)前時(shí)間還是顯示鬧鐘時(shí)間。這通過每個(gè)數(shù)字的選擇芯片來實(shí)現(xiàn)。其次，當(dāng)當(dāng)前時(shí)間到達(dá)警報(bào)時(shí)間時(shí)，該板會(huì)向航天器發(fā)出信號(hào)。這是由多個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)的，以逐步遍歷每個(gè)數(shù)字，比較時(shí)間并確定它們是否匹配。因此，即使該板的功能看起來很簡(jiǎn)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(dāng)前時(shí)間和警報(bào)時(shí)間之間選擇，比較報(bào)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(shí)鐘的控制信號(hào)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(diǎn)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(gè)圓形脈沖變壓器，可將控制信號(hào)與航天器隔離

　　板7(如下)的兩個(gè)功能是生成時(shí)鐘的定時(shí)脈沖并實(shí)現(xiàn)秒表。石英晶體產(chǎn)生精確的1兆赫茲脈沖。六個(gè)BCD計(jì)數(shù)器將這些脈沖減小為一秒的脈沖。每個(gè)計(jì)數(shù)器芯片將頻率除以10。這些定時(shí)脈沖由其余的時(shí)鐘使用。為了實(shí)現(xiàn)秒表，板上有四個(gè)BCD計(jì)數(shù)器，用于顯示四個(gè)數(shù)字。它還具有啟動(dòng)，停止和重置秒表的控制邏輯。當(dāng)發(fā)生某些事件時(shí)，三個(gè)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(hào)和九號(hào)板驅(qū)動(dòng)LED顯示屏。每個(gè)LED位數(shù)都需要一個(gè)芯片，以根據(jù)BCD(二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制)值來點(diǎn)亮7段LED的適當(dāng)段。這些BCD至7段驅(qū)動(dòng)器芯片是板上的粉紅色16引腳芯片。由于時(shí)鐘總共顯示10位，因此使用了10個(gè)驅(qū)動(dòng)器芯片。板8上有八個(gè)驅(qū)動(dòng)器芯片，而板9上有兩個(gè)芯片以及多個(gè)LED限流電阻。下圖也顯示了控制時(shí)鐘的開關(guān)。

　　最后，第10個(gè)板(如下)包含十個(gè)LED數(shù)字。每個(gè)數(shù)字都由一個(gè)七段LED以及一個(gè)逗號(hào)組成。我認(rèn)為其中一個(gè)逗號(hào)表示某事，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘上電時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

　　蘇聯(lián)集成電路

　　接下來，我將討論時(shí)鐘中使用的集成電路。時(shí)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(diǎn)是TTL芯片沒有太多功能。一個(gè)基本的TTL芯片僅包含幾個(gè)邏輯門，例如4個(gè)NAND門或6個(gè)反相器，而更復(fù)雜的TTL芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能單元，例如4位計(jì)數(shù)器。最終，TTL輸給了CMOS芯片(現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的芯片)，而CMOS芯片功耗更低，密度更高。由于聯(lián)盟號(hào)時(shí)鐘中的每個(gè)芯片執(zhí)行得并不多，因此該時(shí)鐘需要許多芯片板才能執(zhí)行其功能。例如，時(shí)鐘的每個(gè)數(shù)字都需要一個(gè)計(jì)數(shù)器芯片，以及幾個(gè)邏輯芯片以根據(jù)需要遞增和清除該數(shù)字，還需要一個(gè)芯片來驅(qū)動(dòng)相關(guān)的7段LED顯示器。由于時(shí)鐘顯示10位數(shù)字，因此已經(jīng)有40個(gè)芯片。其他芯片可處理按鈕和開關(guān)，實(shí)現(xiàn)警報(bào)，跟蹤秒表狀態(tài)，運(yùn)行振蕩器等，從而使總數(shù)超過100個(gè)芯片。關(guān)于蘇聯(lián)集成電路的一件好的點(diǎn)是，零件號(hào)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(zhì)上隨機(jī)編號(hào)不同。零件號(hào)中的兩個(gè)字母表示芯片的功能，例如邏輯門，計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器或解碼器。例如，下面的IC被標(biāo)記為“Δ134ΛБ2A”。序列號(hào)134表示該芯片是低功耗TTL芯片。“Л”(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(gè)4輸入與非門和一個(gè)反相器，該芯片沒有美國同類產(chǎn)品。)

　　時(shí)鐘內(nèi)部有兩個(gè)集成電路集成電路上的徽標(biāo)表明它們是由多家公司生產(chǎn)的。下面顯示了時(shí)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(shù)的比較

　　聯(lián)盟號(hào)時(shí)鐘與美國技術(shù)相比如何?當(dāng)我第一次看時(shí)鐘時(shí)，我會(huì)猜想它是在1969年而不是1984年制造的，這是基于其構(gòu)造和大量簡(jiǎn)單的扁平包裝芯片而定的。相比之下，1984年的美國技術(shù)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(shí)鐘使用裝滿TTL芯片的電路板似乎是荒謬的。然而，結(jié)果卻并非如此簡(jiǎn)單。

　　為了將聯(lián)盟號(hào)時(shí)鐘與1980年代的當(dāng)代美國太空電子產(chǎn)品進(jìn)行比較，我查看了航天飛機(jī)AP-101S計(jì)算機(jī)的一塊板子。下圖顯示了聯(lián)盟號(hào)時(shí)鐘(左)和航天飛機(jī)計(jì)算機(jī)(右)的電路。盡管Shuttle計(jì)算機(jī)在技術(shù)上更先進(jìn)，但差距比我預(yù)期的要小。兩種系統(tǒng)都是由TTL芯片構(gòu)建的，盡管Shuttle計(jì)算機(jī)使用的芯片速度更快，許多Shuttle芯片稍微復(fù)雜一些。注意板子頂部較大的20針芯片。大白芯片要復(fù)雜得多。這是AMD Am2960內(nèi)存糾錯(cuò)芯片。Shuttle的印刷電路板更先進(jìn)，具有多層而不是兩層，從而使芯片的封裝密度提高了50%。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)的集成電路技術(shù)估計(jì)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(hào)時(shí)鐘版與航天飛機(jī)計(jì)算機(jī)版但是，令人驚訝的是，航天飛機(jī)計(jì)算機(jī)和蘇聯(lián)時(shí)鐘之間的相似之處。我期望Shuttle計(jì)算機(jī)使用1980年代的微處理器，并且比Soyuz時(shí)鐘領(lǐng)先一代，但是相反，兩個(gè)系統(tǒng)都使用TTL技術(shù)，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(gè)板均使用實(shí)現(xiàn)四個(gè)NAND門的芯片。(看看是否可以在左側(cè)找到134ΛБ1A芯片，在右側(cè)找到54F00。)為什么聯(lián)盟號(hào)時(shí)鐘包含100多個(gè)芯片而不是用單個(gè)時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)?蘇聯(lián)集成電路技術(shù)比美國技術(shù)落后大約8年，而TTL芯片在當(dāng)時(shí)是一個(gè)合理的選擇，即使在美國也是如此。由于每個(gè)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(shí)現(xiàn)如此簡(jiǎn)單的時(shí)鐘。