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[70年代]国产老“超算”~纯分立元件磁芯计算器南华√161修复记 [复制链接]

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— 本帖被 香瑶 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2017-03-23) —
国产老“超算”——纯分立元件的磁芯计算器“南华161”修复记

楔子

离周五下班还有0.007秒,果断的摆出纸和笔,摊出一桌子文件,泡上一杯香浓的咖啡,一副领导不走我加班到底,同事不走我革命到底的心态。

“嗨,Peter,你们都在啊”(您可能说了,好好的中文名字不叫,老叫我的英文名干嘛,我们单位说了,叫英文名,显得逼格比较高,人生可以上一定的“凳次”)

这是我们敬爱的VP大人找我们,啰啰嗦嗦讲了十分钟,其实就是问谁周六有空帮他办事。我又一次荣幸的毛遂自荐了。望着同事们祝福的笑脸,我真是默默无语双眼泪啊——+{}:“”《》!~?

言归正传,周一早上,VP一个大礼包就砸在我桌上了,“谢谢你,不请你吃饭了,送你个计算机。
要好好珍惜啊

——酷睿的,16:1屏,电子管显示的,黑轴机械键盘,一体台式机。

就是老点,好几十年了,你喜欢电子,就送给你了。对了,没电源线,不包好坏啊!”(这里有没有咸鱼卖家的既视感)

我的妈啊,这就是幸福从天降啊。

心想,领导是个电脑盲,这年代估计是搞错了,有那么老么,酷睿才哪年出的啊。16:1估计是16:9的屏吧,不过显像管的机器哪有宽屏,但应该是老机器无疑了,值得拥有。
怀着种种疑问,把领导送出办公室。

我们也要吃兔兔,我们也要去搬家,看着那些没得到机器的同事:

比我资历老的,那真是十里桃花,三生三世再无爱了。
比我资历浅的,那也是大唐荣耀,为啥成王的就是你。

哎,不说你们了
默默送走这些一个个恨得你若安好,便是晴天霹雳的样子同事,呵……

(注:以上文字纯属膜拜maopian214,我是看了他的文章才慢慢入了计算器的坑,嘿)



机器简介:

先把机器简单介绍一下,后面会随维修过程详细介绍。



感兴趣的童鞋可先观看含各种运算的视频。


这是一台使用磁芯作为存储器的国产老计算器,那时也叫它计算机,里面没有使用一个集成电路,只有国产的三极管、二极管、电阻、电容,纯手工打造的。




看到时感觉非常不可思议,怎么可以不用芯片就能计算加减乘除;只有简单的晶体管阻容元件怎么就能计算开方。








拥有一颗“CORE”酷睿的芯
难得一见的磁芯存储器
它拥有256位,注意是256位的“超大内存”。
您对比边上的二极管就可以估算出磁芯的大小了。
256位是这样划分的,即屏幕上的16位数,每位用4个二进制BCD码表示的十进制数;一共4组这样的16位数,三组用于计算,一组用于M+M-辅助计算存储


这是目前国产里面细节做工最细致的,每个圈圈绕都像艺术品一样。
一体化内存,上电就是RAM,断电就是ROM,永久保存数据,至少40年,除非你遇到核磁暴。


磁芯很小只有1毫米大,中间穿的铜线也很细,还绕了好几圈,真不知道当时工人是怎么穿的线。




16:1的屏幕,注意是16:1不是16:9。
右边16位显示数字,最左边1位是负数和溢出显示。
也就是说可以计算16位的计算,就是在今天,也是很大的位数和精度。



屏幕180度无死角,全高亮,上看下看左看右看右都清清楚楚。




风光牌的VFD管子





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可动“浮点”运算操作
小数点不像当时其他的计算器用个拨盘,你只能定位到有0,4,6几位小数点,你可以通过左右箭头键移动小数点,自由设置0-16位,非常方便,这也更方便科学计算的精度要求。


黑轴纯机器键盘
弹簧,垫片,磁铁,干簧管——手感极强,按上吱吱妞妞的,磁条接近,干簧管吸合。这主要是考虑机器显示一部分是高压电路,键盘和电路是绝缘分离的,更安全。





另外,按当时的理论,普通开关按下,信号在开关之间的瞬间震荡很多,用干簧管可以有效抑制这种干扰。
所以说,如果你看到那台老计算器是干簧管的,那他基本是有收藏价值的。


全金属汽车烤漆外壳,货真价实的铁家伙




纯国货精品
从最小的螺丝钉,到最大的显示屏,纯粹国产货,没有一个外来货。当时国家为每个元件的生产都建立的对应的生产企业和体系。







可插拔电路结构易于维护



  
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复杂的手工编织线路。密密麻麻,小辫一样精致。





70年代的国货精品。1973年研制出来的。


这种计算器在当时算比较高端的了,而且做工也是比较好的,(当然您不能和国外的电路对比),毕竟当时国家解决的是有没有的问题,在当时的器件水平下,能鼓捣出如此复杂的分立元件感觉也是没谁了。



问了老妈,当时一个好些的晶体管收音机要20多元(当时也叫半导体),基本上折合1个晶体管1块钱了

资料显示,这个机器当时价值3150元,需要凭票购买,估计能买的起也是一些科研院所和铁路等专业单位,进行高精度的长时计算工作。
据说当时1万元折合今天的225万,那这种机器折合今天价格也需要70.8万,在当时算超算看来也是名正言顺的了。




维修心路历程:

机器一年半前就得到了。
当时鼓捣来南华161这台机器,主要是为了拥有一个磁芯储存器的板子。如果在EBAY等网上买一个类似磁芯存储器,要比买机器还贵。

当时也根本没想去修计算器,自己也不是学电子的,没有那个金刚钻也揽不了这瓷器活。
看到可以点亮,就精心清理了一番默默收箱子里了。

收集了一些计算器后,看到国外的藏家有打理老计算器的,感觉很酷,就想自己能否也修好这个计算器呢?

一开始信心满满,先把机器状态又检查了一遍:
屏幕全亮,肯定电源没大问题。
可以录入,456789没问题,123录入不进去,估计就是干簧管接触不良。
加法可以计算,2+3=5没问题,12+9=11,也就是每位的两数加起来超过10就不行,进位不灵,估计能修
减法,也一样,但5-2=2,不是3,也就是结果少1。后来明白是补码电路少生成进位导致,和加法是一个故障导致的连锁混乱。
乘法可以操作,但只能算2X3=6等简单的数,如果两位以上就乱套。
除法按键有结果,但肯定不对,比如,2/1=5555.5555。
开方不可以,一按就死机无显示,需要从清零复位。


机器虽然有40多年了,保养的还行,而且感觉可以录入数,简单计算正确,判断磁芯电路部分肯定没有问题,(那部分电路需要精确的电流控制,如果一台机器录数不正常,基本就是磁芯部分有问题,修理的话技术要求太高了。)

机器毛病不多,就希望能修好,而且关注了一下,分立元件的机器可以正常工作的几乎没有。就此一念从此踏上了漫漫长征路。


机器有20块板子,每一块板子都复杂无比。有密集恐惧症的慎入,请欣赏一下。



板子都油光油光的,感觉是涂了保护漆,避免电子元件的老化和防潮。


这20块板子如果都检测,那将会是一项无比复杂漫长的过程。幸亏本人是阿加莎·克里斯蒂和柯南迷,案子咱遇不到不能推理,机器还是可以的。

通过仔细观察,首先排除了4块磁芯电路的板子,它们分别是磁芯板,驱动板,控制板。这样20减4就剩16块了。








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再把显示的板子排除,一块驱动,一块译码,只剩14块了。









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后又把键盘拆开,仔细的测试每个键位对应的连接线,比如开方键,它通向秘密麻麻的手绑线,找出哪根接到哪块板上,那这块板肯定就和开方有关了。
这样又排除了6块板。

那么剩下的板子肯定和计算,逻辑控制,微操作相关了。但这8块也是复杂的很。

因为花了一个星期时间,把上面的元件挨个用万用表测了好坏,一共发现了两处有问题,主要是二极管不行。

本着替换一个二极管复检一遍的原则,换掉认为损坏的二极管,在背面补焊了二极管,正面为保留,只是剪断一只脚,这样万一鼓捣错了,也能恢复和不




但折腾了半天,发现了一个懵逼的问题,本来可以计算,一替换就啥功能都没有了。从新恢复旧管又恢复原样了,看来这个法子不行。

于是仔细看管子发现一个秘密,同一块板子,用的黑色玻璃二极管其实有好几种型号,比如2CK19,2CK16。



感觉我替换的二极管可能不匹配,但网络上查了,也没啥参数介绍,
把手头几种二极管都试了下,越试毛病越多,此路不通,就在家周围踅摸。找了修理电器的门脸,问了人家,人家说这要有老手册,才可以查到,为此在网上买了本,但发现也没有,白花了15元。
自此本着修不好,就放弃的原则,又搭上工作老出差,就放了半年多。

因心中默念此事,就时常留心,终于在某宝发现了本元件册,但他是上海无线电十三厂的,因为知道韶关虽是广东的厂,但两厂之间有些计算器是电路通用的,虽然价格是25元。就下手了,买到后,仔细一看果然赌对了。
册子内容很好,就是绑册子的绳子像鞋带,比较闹心。



里面详细介绍了各种二三极管的详细介绍,发现像2CK19,2CK16用于逻辑控制电路是有诸如反向工作电压等细微差别的,但一想不对啊,我用1N4148,性能参数都符合,为啥不行呢。

这时发现了手册最后集成电路部分注明,元件使用前应筛选测试。
结合分析磁芯电路时看到,70年代国产元件的质量可以达到,但成品率低,比如三极管β值,同一批管子有高有低,不像现在买一堆9013,全都一样。这样管子就需要分类筛选。

当时想,我换的管子肯定正常,那参数也符合,再说二极管也没啥技术要求啊。以前不导通,现在导通了,咋会还不行呢。
那会不会是因管子质量问题,以前不导通,现在导通,电流一过,原来其他电路中管子不稳定的也不行了呢。
立马花了一个晚上测量,果真,原来只有一处毛病,现在有三个了,哎,毕竟是40多年的老东西了。

当时就暂停了这种测量修复的思路,电路是动态的,这样静态测量,查一个换一个,还是不知道哪里问题,还容易引出一堆问题。


因为本人是电子小白,不懂模拟电路,就托老妈找了个教中专计算机的老师,仔细咨询后,老师告诉我,这样修是修不好的,除非你运气好,因为你替换的元件会改变电路的参数,另外电阻电容如果出问题,也不容易发现,特别是电容,直接影响触发器的状态改变。建议你把电容什么的都替换一下。(我的天啊,那上百个电容,一半参数都没有,咋换啊?)

另外这种计算器逻辑电路因为没有用编程方法,反而比CPU的控制电路还要复杂,各逻辑信号之间耦合很复杂,说了半天,就是这种机器按你目前的能力没法修,换老师我也没精力折腾。
不过老师毕竟是老师,指点还是有效的,告诉我:不如你想学电路可以自己用TLL或CMOS芯片做个计算器玩,如果用单片机、ARDUINO可以很省事就搞出来,但学不到逻辑电路精髓。回到今天来说,这个求教老师的机会在当时是改变了我,也提升了我。

问了一圈后,感觉有道理,就把修南华161的机器又放下了。
花了哩哩啦啦一年时间,自己DIY了个74LS做的计算器,并最终实现了开方,也基本明白了计算器的基本逻辑原理。





期间,也受了无数冷嘲热讽,但都忍住了,默默鼓捣。


头年年底,准备从分析电路入手,捡起南华161,开始修理机器,哎,又开始折腾了。

这次用示波器把初始脉冲电路找出来了,说白了就是找这880根接线中哪一根频率最高,一共找到了3根,经过推理排除,确定了最终的那块板子。




认认真真的抄了遍板,真是眼都累瞎了,这个计算器很多元件为了保密还都把标注都抹掉了,连蒙带猜,折腾出了完整的电路。
以初始脉冲位突破口,结合电路,把排插的进入线和输出线找出来,谁和谁是啥关系,一点一点鼓捣了出来。



因为工作比较忙,差不多一星期一块板的进度,鼓捣了疑似有问题的几块板子。

通过注入不同的信号,用逻辑分析仪动态测量了一遍。
比如二极管和三极管组成的与非门有两个入,一个出,两个入交替注入00、01、10、11,看输出是否只在11时为0,每部分都测试30秒左右。
这样折腾了一溜够,发现了四处电路肯定有问题,其中一处电路就是原先换二极管的部分,时灵时不灵,也就是不光二极管有问题,周围三极管电路也有问题。



这样的法子虽然很慢,很费劲,但有一个好处,就是不用管整个计算器电路的逻辑关系,只要每个构件——与或非门正常,那么整体也就是正常的。

三极管本来想8050就可以,但替换了,局部单独测试,ok。上机还是不行,

这时示波器就大显身手了,比如同一种类型的电路,有问题的换了三极管8050出来的波形比较圆滑,但另一处原始电路的波形比较斜。因为三极管的替换和原来的3DK2B不一样。


幸好手头有一堆三极管,挨个试验,最终确定一样的波形是A42这种管子,最终分析看来在一定频率上进入饱和区的管子特性影响很大。
在波形一致情况下,替换了A42三极管,立马进位问题就解决了,加减法全部正常了。
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当然付出的代价也是大的,画了无数的图,用了无数时间,哎。




随着加减的修复,信心越来越足。
依次又修好了小数点移位功能。


话说这些问题的元件,基本验证了一个定理:你在超市排队总是最慢的,你检查的元件有问题的总在最后,呵。

在开方电路上,因为有自己DIY计算器的经验,算法都是两两一对,在依次-1-3,在找到并修好了坏了的二极管后,也基本明白了南华161的逻辑微码(毕竟开方是加减乘除都用上了,嘿)。




再反推其他电路,基本明白了整个机器的架构。




它实际上用了一堆二三极管搭建了复杂的控制电路,4位一组进行计算,实际上等效于INTEL4004的CPU,还要复杂,只是4004,用RAMROM简化了电路,只用了2000多个晶体管就完成CPU。这里就不在赘述了。


今天,把修好的机器嘚瑟一下。

感兴趣的可观看含各种运算的视频。




看来,拥有个好表没啥,拥有个南华161摆桌上,那才最酷,当然,他今天最没用的功能就是计算,呵。

(全文完)
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