编者荐语：

　　基于TTL技术的数字时钟，曾飞过太空，让人开了眼界涨了见识。

　　以下文章来源于芯片之家 ，作者晓宇

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　　最近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，在十个电路板上包含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。航天器(下图)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

　　下降模块包含航天器的控制面板(如下图)，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个，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，十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)。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。

　　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(下图)。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的二极管，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。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，当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。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，它们的主要缺点是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，例如逻辑门，计数器，触发器或解码器。例如，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是，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。