Радио-86РК
Общие сведения
После сборки ZX-Spectrum-совместимых компьютеров Ленинград-3.1 и ZXM-Phoenix, а так же компьютера Орион-128, захотелось собрать и легендарный компьютер Радио-86РК. Схема компьютера была описана в 1986 году в журнале «Радио» и стала отправной точкой для сборки радиолюбителями тех времён своего первого домашнего компьютера.
Компьютер построен на базе микропроцессора КР580ВМ80А (КР580ИК80А) — советском аналоге микропроцессора i8080. В качестве оперативной памяти используются микросхемы К565РУ3 ёмкостью 16кбит (2кБ). На плате компьютера установлены 8 микросхем памяти общим объемом 16кБ.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) реализовано на микросхеме К573РФ2 объемом 2кБ. В ПЗУ располагается «Монитор» — программа, которая запускается сразу после включения компьютера и позволяет просматривать и изменять содержимое ОЗУ, регистров процессора, а так же выполнять базовые операции ввода-вывода. Адресное пространство ПЗУ отображается на общее адресное пространство памяти компьютера, начиная с адреса 0xF800. Поэтому, любая запущенная на компьютере программа всегда имеет доступ к стандартному набору подпрограмм ввода-вывода монитора.
Радио-86РК имеет только текстовый режим отображения информации. Формированием видеосигнала занимается специализированная микросхема КР580ВГ75 (аналог i8275), предназначенная для построения алфавитно-цифровых дисплеев. Её верным и незаменимым спутником является микросхема контроллера прямого доступа к памяти КР580ВТ57 (аналог i8257), используемая для выборки выводимых данных из экранной области адресного пространства ОЗУ компьютера. К микросхеме КР580ВГ75, кроме контроллера ПДП, так же подключается микросхема ПЗУ типа К573РФ1 на 1кБ, в которой хранятся данные для формирования символов знакогенератором.
Связь компьютера с внешними периферийными устройствами, клавиатурой и магнитофоном реализована через микросхемы портов ввода-вывода К580ВВ55А (аналог i8255). Интерфейс связи с магнитофоном содержит так же и аналоговую часть, построенную на базе операционного усилителя К140УД6, выполняющего роль компаратора.
Подготовка
Для питания компьютера Радио-86РК необходим источник с тремя питающими напряжениями: +5В, +12В и -5В. Это вызвано конструктивными особенностями микросхем центрального процессора КР580ВМ80А и памяти К565РУ3. Напряжение -5В так же используется для питания операционного усилителя в аналоговой части магнитофонного интерфейса, а напряжение +12В — генератором тактовых импульсов КР580ГФ24.
Получение указанных питающих напряжений не составляет какого-либо труда, так как они присутствуют на выходе любого компьютерного блока питания как стандарта AT, так и ATX.
Однако, возникают определенные трудности с использованием микросхем памяти К565РУ3. Во-первых, их цена крайне не демократична, так как микросхемы выпускались в основном в керамических корпусах с позолоченными выводами. Во-вторых их крайне тяжело найти в продаже. В-третьих, судя по отзывам в Интернете, микросхема настолько нежная, что может выйти из строя буквально от всего: начиная с недоброжелательного взгляда в полнолуние и заканчивая пропаданием питающего напряжения -5В более чем на 20мс.
Поэтому, в качестве замены были выбраны микросхемы памяти К565РУ6, имеющие ту же внутреннюю организацию и ёмкость. Эти микросхемы намного более дешевле и доступнее, а так же имелись у меня в необходимом количестве абсолютно бесплатно. Преимуществом использования микросхем К565РУ6 является и то, что для питания необходимо всего лишь одно питающее напряжение +5В.
Еще один момент — использование в качестве ПЗУ знакогенератора микросхемы К573РФ1. Искать её на тайных тропах радиорынка путем множественных итераций перепахивания разнообразного мусора и старых плат, особого желания не было, особенно на фоне наличия в запасах достаточного количества К573РФ2. Так что от идеи использования К573РФ1 я быстро отказался.
В Интернете была найдена готовая разводка печатной платы для программы SprintLayout с уже внесенными исправлениями для установки микросхем К565РУ6 в качестве оперативной памяти и К573РФ2 в качестве ПЗУ знакогенератора. За давностью лет я не могу найти первоначальный источник и указать на него ссылку, но при поиске по именам файлов я нашел торрент с такой же раздачей (возможно это и есть тот самый источник).
В случае невозможности загрузки архива через торрент, выкладываю сокращенную версию, содержащую схемы и lay-файлы разных вариантов платы. Скачать архив можно по следующей ссылке.
В дальнейшем плата подверглась небольшим изменениям. Изменения, в основном, коснулись толщины дорожек и расстояния между ними. При заводском производстве это значения не имеет, а вот при домашнем производстве печатной платы — да.
Из последних приготовлений стала «добыча» недостающих радиокомпонентов. Большинство микросхем было найдено дома по сусекам. Даже КР580ВГ75 была в наличии. Правда в неизвестно каком состоянии и паяная.
Для большей аутентичности, на радиорынке был найден абсолютно новый соединительный разъем типа ГРПМ1-61 (розетка и вилка), используемый в оригинальном Радио-86РК.
Создание печатной платы
Создание платы начал с разметки и вырезания заготовки необходимого размера из листа двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Большая ножовка по металлу была вывезена, а в наличии имелась только маленькая. Так что пришлось корячиться и пилить под углом.
Для изготовления платы было решено использовать лазерно-утюжную технологию (ЛУТ).
На фотобумаге лазерным принтером распечатываются шаблоны с изображениями дорожек и контактных площадок каждой из сторон печатной платы. После обезжиривания заготовки будущей платы, с помощью горячего утюга на фольгу «переносится» распечатанное изображение одной из сторон.
Утюг необходим для разогрева медной фольги и тонера, используемого в лазерной печати для формирования изображение. При нагреве и давлении тонер расплавляется и прилипает к разогретой медной фольге, закрепляясь на её поверхности.
После «перевода» рисунка и удаления бумаги в тёплой воде, необходимо просверлить отверстия для совмещения шаблона с противоположной стороны платы. В качестве центровочных отверстий выбираются отверстия более-менее максимально разнесенные друг от друга по всей площади платы.
Отверстия сверлятся сверлом небольшого диаметра, достаточного для прохода булавки-«невидимки» в форме гвоздика. Я использую булавки от упаковки рубашек.
На вставленные в центровочные отверстия булавки нанизывается распечатка обратной стороны платы через центры соответствующих отверстий. После разравнивания листа, с помощью утюга производится процесс «переноса» шаблона на медную фольгу второй стороны печатной платы с последующим удалением бумаги в тёплой воде.
Как видно, нижняя сторона платы вышла менее качественной, особенно к краям платы. Возможно, сказался меньший прогрев заготовки или менее качественное разглаживание распечатки утюгом. Особенно брак виден в области установки центрирующих отверстий.
В любом случае, после высыхания платы, необходимо с помощью перманентного маркера внести необходимые исправления для восстановления поврежденных дорожек на участках платы.
Травление печатной платы
После того как шаблон нанесен на обе стороны заготовки будущей платы, наступает время травления платы в растворе хлорного железа. Хлорное железо стравливает незащищенные участки медной фольги со стеклотекстолита, оставляя медь лишь под слоем тонера или краски маркера. Завершающие этапы травления изображены на следующих фотографиях.
Снятие тонера
Если рассматривать промышленную технологию производства печатных плат, то там практически всё делается с точностью до наоборот. Первым делом сверлятся отверстия в огромном листе фольгированного стеклотекстолита, затем наносится фоторезист и экспонируются шаблоны плат. Далее стравливается фоторезист и вытравливается медь, производится металлизация отверстий, нанесение маски, шелкографии и конечного покрытия контактных площадок.
Но это где-то там. А мы идём своей дорогой. И следующим после травления и промывки платы в воде, наступает процесс удаления шаблона. Для снятия тонера и перманентного красителя я использую проверенный вариант — кусок ваты, смоченный в жидкости для снятия лака «Ноготок». После смачивания, снимаю с участка платы остатки тонера или красителя, пока вата не станет чёрной и не перестанет удалять тонер. Повторяю процесс, пока вся медь на плате не будет чистой.
После очистки, зачищаю плату наждачной бумагой с мелкой абразивной фракцией и удаляю образовавшийся мусор. В итоге, получается вот такая картина.
Лужение дорожек
Лужение дорожек необходимо для защиты меди от окисления. При промышленном изготовлении плата покрывается специальным лаком — паяльной маской. В моем же случае можно было применить подобный затвердевающий под действием ультрафиолета краситель, но не было ни желания ни опыта его использования. Да и без паяльной маски выглядит оно куда более аутентично.
Некоторые кооперативы в конце 1980х — начале 1990х годов, а так же радиолюбители, для лужения плат применяли и применяют сплав Розе. Сплав Розе представляет из себя легкоплавкий сплав из олова, свинца и висмута с температурой плавления +94°C.
Процедура лужения выглядит следующим незамысловатым образом. В ёмкость с кипящей водой, приправленной лимонной кислотой, помещаются шарики сплава и печатная плата. Затем плата елозится по дну ёмкости, на которой уложены шарики сплава. А в более прогрессивном варианте, резиновым или каким-либо другим неметаллическим шпателем сплав разгоняется по медным проводникам печатной платы. Излишки удаляются тем же предметом. В итоге, получаются полностью покрытые сплавом Розе печатные дорожки и контактные площадки платы.
Лично мне не нравятся подобное лужение. Во-первых, это выглядит некрасиво. Сам сплав имеет матовую зернистую структуру как у дешевого китайского припоя. Во-вторых, при смешивании с припоем резко снижается температура плавления и качество пайки компонента. Возможно, бессвинцовый припой ещё можно немного разбавить сплавом Розе, но обычный — не стоит.
Поэтому, сплав Розе хорошо использовать в случае демонтажа компонентов. Особенно это актуально при отсутствии паяльного фена или нижнего подогрева платы. Очень удобно с помощью одного лишь паяльника снять какую-нибудь SMD микросхему, нанеся сплав на все выводы и кратковременно разогреть. Конечно же, после этой процедуры, необходимо хорошо очищать от сплава как контактные площадки на плате, так и ножки радиокомпонента.
В случае с платой компьютера Радио-86РК, как и со всеми остальными платами, я предпочитаю лужение дорожек обычным припоем. В качестве флюса использую самую обычную канифоль. Для этого крошу ее мелкой пылью на плату с помощью ножа, набираю на жало немного припоя и провожу по дорожкам. Дыма при данной процедуре стоит ого-го. Возможно, лучше было бы использовать для этого процесса спиртоканифоль.
Остатки канифоли смываются ватой, смоченной в спирте. После чего плата приобретает следующий вид.
Сверление отверстий
После лужения дорожек на плате, можно переходить к сверлению отверстий. Наверное, при использовании хороших и качественных кобальтовых свёрл, можно бы было сверлить отверстия и на более раннем этапе. Но на тот момент я использовал обычные дешевые сверла, купленные на радиорынке.
Другим фактором в пользу сверления после лужения является и то, что отверстия не будут залиты канифолью в процессе лужения. Следовательно, не будет необходимости их прочищать перед установкой каждого электронного компонента.
Для сверления отверстий я использовал небольшой настольный сверлильный станок ROYCE TJ-180. Его патрон позволяет зажимать сверла с диаметром от 0.3мм до 4мм.
При использовании обычных дешевых сверл происходит загибание меди на краях отверстия. Это отчетливо видно на фотографии. Наилучшим способом сверления отверстий было бы применение твердосплавных свёрл. Но они очень хрупкие.
Завершающим этапом является проверка платы на просвет. При этом можно увидеть все ли отверстия просверлены. Заодно можно проконтролировать целостность дорожек и отсутствие замыканий между ними.
После изготовления печатной платы время переходить к непосредственной сборке компьютера Радио-86РК.
Сборка компьютера
Первым делом были пропаяны переходные отверстия между сторонами платы и установлен интерфейсный разъём. В качестве перемычек для переходных отверстий применены обрезки ножек от выводных компонентов.
Иногда на платах времен начала 1990х вместо химической металлизации отверстий использовались металлические пистоны. Я лично ни разу такого не встречал, но часто об этом читал и слышал. Как оказалось, сейчас подобные медные заклёпки можно приобрести на известной китайской торговой площадке. Там же продаются и заклёпочники.
Следующим делом на плату устанавливаются панельки и микросхемы. В самодельных платах подобной конструкции можно использовать только цанговые панельки для возможности выводы их с обеих сторон. Но из-за отсутствия в продаже цанговых панелек было решено использовать цанговые гребенки-мамы.
Микросхемы мелкой логики (кроме ОЗУ и тактового генератора КР580ГФ24) перед запайкой проверялись тестером мелкой логики на исправность. Центральный процессор КР580ИК80А и микросхема портов ввода-вывода КР580ИК55 проверялись в компьютере Орион-128.
Из недостающих элементов на плате — операционный усилитель К140УД6. Не было в наличии, но были подобные. Решил на тот момент не ставить до полноценного запуска компьютера.
В завершении сборки основная плата компьютера стала выглядеть так:
Первое включение
Первое включение показало, что компьютер не запускается. На экран телевизора ничего не выводится. Видеосигнала нет. Тактовый генератор работает, тактовые сигналы обеих фаз формируются и присутствуют на входах процессора.
Точно уже не могу сказать, что я ещё проверял и смотрел. Но в большинстве включений на адресной шине, шине данных и управляющих сигналах не наблюдалось какой-либо активности. Иногда, при очередном включении, пробегали сигналы на короткое время и снова все останавливалось.
Были проверены все соединения на плате путём «прозвонки» дорожек непосредственно между выводами микросхем, а так же проверка соответствия этих соединений схеме. Помнится, что около двух или трех соединений отсутствовали на плате и их пришлось добавить навесным монтажём. Какие именно сейчас уже сказать сложно, так как было это давно и всё было записано на бумаге и до сих пор хранится вместе с платой компьютера в недоступной локации.
На момент сборки плату запустить так и не удалось, а потом из-за жизненных обстоятельств было уже не до неё. В то же время вывозить плату на новое место жительства было весьма рискованно.
Выводы
Отсутствие нормального осциллографа и запайка в плату микросхем большой степени интеграции (КР580ВГ75 и КР580ВТ57), взятых из непроверенного источника да еще и со следами пайки, сильно усложнило процесс запуска и отладки. Не стоило экономить на панельках.
Но, сделано то, что сделано. А сделано не мало. Это и двухсторонняя печатная плата достаточно большого размера. И проверка всех соединений этой печатной платы. И проверка микросхем низкой степени интеграции на тестере мелкой логики перед запаиванием в плату.
Я не думаю, что будет тяжело запустить эту плату. Достаточно найти новые микросхемы контроллера КР580ВГ75 и КР580ВТ57 и установить их на панельки. А используя осциллограф и восстановив в голове всю информацию о работе компьютера, будет возможно локализовать и устранить неисправность. Возможно, нужно будет собрать «пошагиватель» — узел для пошаговой работы и компьютера.
Так же стоит обратить внимание и на то, что в схему компьютера необходимо внести некоторые изменения, упомянутые тут. Продублирую изображение из форума:
Если появится доступ и возможность вывоза платы, то статья будет дописана, а компьютер доделан и запущен.
Конечно, можно купить готовый радиоконструктор с заводской платой и проверенными микросхемами. Но весь смысл состоял именно в самостоятельном производстве всего компьютера Радио-86РК от начала и до конца. Создание маленького произведения искусства своими руками. Отчасти это удалось.