L’horloge de bord de la station MIR et des Soyouz TM
Cette horloge numérique БЧК (« Бортовые Часы Космические », horloge spatiale embarquée) était celle de la station MIR. Ce modèle allait aussi être utilisé dans la nouvelle génération des Soyouz TM en remplacement de leur horloge analogique.
L’horloge a trois fonctions : l’heure, une alarme et un chronomètre. Le mode « horloge de l’heure courante » (Часы Текущего Времени, en abrégé ЧТВ) affiche l’heure de Moscou sur les six chiffres LED supérieurs, tandis que « Annonce » affiche l’heure de l’alarme. L’alarme peut être réglée à une heure particulière ; à ce moment, l’horloge déclenche un relais activant un circuit externe dans l’engin spatial. L’horloge est réglée en utilisant le mode « Correction » ; les chiffres sont incrémentés à l’aide du bouton « Enter ». La moitié inférieure de l’unité est le chronomètre ; les quatre LED inférieures affichent les minutes et les secondes écoulées. Le bouton-poussoir inférieur arrête, démarre ou réinitialise le chronomètre. Enfin, l’interrupteur d’alimentation à droite met l’horloge en marche.
L’horloge comprend dix circuits imprimés remplis de circuits intégrés à montage en surface et d’autres composants. Les composants sont montés sur des cartes de circuits imprimés à deux couches, une technique de construction courante. Les cartes utilisent un mélange de composants traversants et de composants à montage en surface. C’est-à-dire que des composants tels que des résistances et des condensateurs ont été montés en insérant leurs fils à travers des trous dans les cartes. Les circuits intégrés à montage en surface, quant à eux, ont été soudés à des plots sur le dessus de la carte. C’est plus avancé que l’électronique grand public américaine de 1984, qui utilisait généralement des circuits intégrés à trous traversants plus grands et n’est passé aux circuits intégrés à montage en surface qu’à la fin des années 1980. (Les ordinateurs aérospatiaux américains, en revanche, utilisaient des circuits intégrés montés en surface depuis les années 1960)
Les cartes sont connectées par des fils individuels qui sont regroupés dans des faisceaux de câbles. Les cartes ont des rangées de broches sur les côtés, avec des fils soudés à ces broches. Ces fils étaient rassemblés en faisceaux, enveloppés dans du plastique, puis soigneusement lacés dans des faisceaux de câbles qui étaient attachés aux cartes.
Ces faisceaux de câbles sont conçus pour que les cartes puissent être ouvertes comme un livre.
Ce sont principalement des circuits intégrés « flat pack » à 14 broches dans des boîtiers métalliques. Il existe également des circuits intégrés à 16 broches, enrobés de céramique rose.
A l’arrière de l’horloge. Un connecteur à 19 broches reliait l’horloge au reste de l’engin spatial. Le vaisseau spatial a fourni à l’horloge 28 volts via ce connecteur, ainsi que des impulsions de synchronisation externes et des signaux de contrôle du chronomètre.
Les deux circuits imprimés à l’arrière de l’horloge sont l’alimentation.
La première carte est une alimentation à découpage qui convertit la puissance de 28 volts du vaisseau spatial en 5 volts requis par les circuits intégrés. Les composants céramiques ronds sont des inducteurs, allant de simples bobines à des inducteurs complexes à 16 broches. Le circuit de commande comprend deux amplificateurs opérationnels dans des boîtiers métalliques. Deux autres boîtiers qui ressemblent à des circuits intégrés contiennent chacun quatre transistors. À côté d’eux, une diode Zener en forme de balle définit le niveau de tension de sortie. Le grand transistor de puissance à découpage rond est visible au milieu de la carte.
La deuxième carte fait également partie de l’alimentation, mais est beaucoup plus simple. Elle possède des inductances et des condensateurs pour filtrer la puissance, ainsi qu’une puce de régulateur de tension linéaire (rose) pour produire 15 volts pour les circuits intégrés de l’amplificateur opérationnel de la première carte. La puce du régulateur de tension a deux grandes languettes métalliques sur le fond qui ont été soudées au circuit imprimé pour dissiper la chaleur. Curieusement, la carte a trois gros trous sur le côté droit sans composants correspondant, ce qui permet de croire que cette carte a été conçue à l’origine pour un appareil différent et réutilisée dans l’horloge.
Les autres cartes sont remplies de circuits intégrés logiques numériques.
La troisième carte et la cinquième (qui est similaire) implémentent les fonctions d’heure actuelle et d’heure d’alarme. Chaque carte contient six puces de compteur BCD pour les six chiffres (heures, minutes et secondes). De plus, chaque compteur de chiffres nécessite une puce logique pour contrôler quand il est incrémenté et une autre puce pour contrôler quand il est réinitialisé, selon que l’horloge est en train d’être réglée ou en marche. (C’est l’une des raisons pour lesquelles tant de puces sont nécessaires.) La puce rose sur la carte contrôle quel chiffre est modifié lors du réglage de l’horloge.
La quatrième carte a deux fonctions. Tout d’abord, elle contrôle si l’horloge affiche l’heure actuelle ou l’heure de l’alarme. Ceci est mis en œuvre avec une puce de sélection pour chaque chiffre. Deuxièmement, la carte signale au vaisseau spatial lorsque l’heure actuelle atteint l’heure d’alarme. Ceci est implémenté avec plusieurs puces pour parcourir chaque chiffre, comparer les heures et déterminer si elles correspondent. Ainsi, même si les fonctions de cette carte semblent simples, elles nécessitent tout un plateau de puces. Les connexions en bas de la carte relient la carte 4 à la carte 5. La carte est connectée à la carte 3 via le faisceau de câbles.
Certaines cartes ont plus de circuits qu’une simple logique numérique. Par exemple, les cartes 6 et 7 ont des transformateurs d’impulsions pour isoler électriquement les signaux de commande introduits dans l’horloge via le connecteur à 19 broches.
Les deux fonctions de la septième carte sont de générer les impulsions de synchronisation de l’horloge et de mettre en œuvre le chronomètre. Le cristal de quartz génère des impulsions précises de 1 mégahertz. Ces impulsions sont réduites à des impulsions d’une seconde par six compteurs BCD ; chaque puce de compteur divise la fréquence par 10. Ces impulsions de synchronisation sont utilisées par le reste de l’horloge. Pour mettre en œuvre le chronomètre, la carte dispose de quatre compteurs BCD pour les quatre chiffres. Il dispose également d’une logique de contrôle pour démarrer, arrêter et réinitialiser le chronomètre. Les trois transformateurs d’impulsions permettent au vaisseau spatial de contrôler le chronomètre lorsque certains événements se produisent. Des puces supplémentaires gèrent ces changements de mode.
Les huitième et neuvième cartes pilotent les affichages LED. Chaque chiffre LED nécessite une puce pour éclairer les segments appropriés de la LED à 7 segments en fonction de la valeur BCD (décimale codée binaire). Ces puces de pilote BCD à 7 segments sont les puces roses à 16 broches de la carte.12 Étant donné que l’horloge affiche 10 chiffres au total, 10 puces de pilote sont utilisées. Huit puces de commande se trouvent sur la carte 8, tandis que la carte 9 possède deux puces ainsi que de nombreuses résistances de limitation de courant pour les LED. Les interrupteurs pour contrôler l’horloge sont également visibles sur la photo ci-dessous.
Enfin, la dixième carte contient les dix chiffres LED. Chaque chiffre se compose d’une LED à sept segments, avec une virgule.
L’horloge est construite principalement à partir de circuits intégrés TTL, un type de logique numérique qui était populaire dans les années 1970 à 1990. Les puces TTL étaient rapides, peu coûteuses et fiables. Leur principal inconvénient, cependant, était qu’une puce TTL ne contenait pas beaucoup de fonctionnalités. Une puce TTL de base ne contenait que quelques portes logiques, telles que 4 portes NAND ou 6 inverseurs, tandis qu’une puce TTL plus complexe implémentait une unité fonctionnelle telle qu’un compteur 4 bits. Finalement, TTL a perdu face aux puces CMOS (les puces des ordinateurs modernes), qui consomment beaucoup moins d’énergie et sont beaucoup plus denses.
La technologie des circuits intégrés soviétiques avait environ 8 ans de retard sur la technologie américaine et les puces TTL étaient un choix raisonnable à l’époque, même aux États-Unis. Étant donné que chaque puce TTL ne fait pas grand-chose, il faut des cartes pleines de puces pour implémenter même quelque chose de simple comme une horloge. Les logos sur les circuits intégrés révèlent que ces puces ont été fabriquées par diverses entreprises.
Source: le blog de Ken Shirriff