Доработки Дельты-С на 75 микросхемах

[SKV]

Содержание (обновлено 07.07.2024).
1) Врождённая болезнь видеосигнала
2) Подключение по SCART
3) Доработки: Kempston, 128K+AY
4) Арбитр IORQ. Разблокировка Sinclair-джойстиков, отключенных Z-Controller'ом.
5) Gotek как замена дискетам
6) Приложение. Принципиальная схема Дельты-С.
7) Перечень свободных элементов на плате Дельты-С
8) Видеосигнал. Часть 2:
- Дождь из видеопомех. Замена делителей. Не применяйте экранирование видеокабеля.
- Подбор пониженной яркости. Непрошенные цветофильтры в TV.
- Устранение мерцающей вертикальной линии на правой границе бордюра. Подбор RC-цепочки по осциллограмме.
- Вертикальные штрихи-артефакты между знакоместами при инверсии Ink/Paper
9) Проблемы совместимости и другие просчёты (обзорно):
- Слабая разводка шин питания
- Нестандартный кварц
- Плавающая шина видеоданных
- Отсутствие порта #FF
- Неполное повторение арбитра медленного поля
- Хаос с сигналом INT
---

1) Вертикальная рябь изображения и усыпание точками экранов Basic 48 и TR-DOS, пропадающие при остановке Z80 (удержании кнопки Reset). Причина - ошибка проектирования печатной платы Дельты: дорожка зелёного видеоканала от крайнего потенциометра R44 до базы транзистора VT5 по всей длине примыкает к высокочастотной дорожке A0. Результат - сильные помехи в зелёном канале, синхронно с выводом звука на бипер.

Устранение - отрезать дорожку при повороте на транзистор, вместо неё от движка потенциометра проложить провод поверху.

В принципиальной схеме Дельты перепутаны каналы RGB, равно как и джойстиков Sinclair.

Рис_Точки на экране.jpg

Рис_Канал G.jpg

Рис_Отрезать дорожку.jpg

[SKV]

2) Видео и аудио на SCART
Я применил разъём SubD9 от IBM COM-порта.
Размах каналов R,G,B уменьшить потенциометрами до 0,7V по осциллографу, поочерёдно выводя красный, зелёный, синий экран (использовать утилиту TEST TV или команды Бейсика PAPER и BORDER).

Потенциометры - от края к центру платы:
R44 - зелёный, выход на схеме 75, на плате не подписан.
R43 - красный, выход на схеме 74, на плате 4.
R42 - синий, выход на схеме 73, на плате 3.

Схема_SCART.jpg

3) Доработки
- RC-цепочка длительности INT. (Альтернатива RC-цепочке - на триггере 1533ТМ2 с гашением от Z80).
Изменено и перенесено ниже.

- Kempston джойстик

- Память 128кБ, AY3-8910, смешивание аудиосигналов Beep+AY+General Sound

16 микросхем РУ5Д2+РУ6 заменить на 16 штук РУ5(Г).
ROM 27128 заменить на 27256 с прошивкой SOS 128 (либо на 27512 с прошивкой SOS 128 + TR-DOS, см. схему у Константина Айги).

Все эти новые микросхемы установить в панельки. На каждую микросхему РУ5 снизу по диагонали напаять блокировочный конденсатор 0,1 мкФ. Рекомендуется напаивать такой конденсатор и на все остальные микросхемы.

00_Доработки Дельты_Лист 1.jpg

[SKV]

4) ZX-bus, арбитр IORQ. Разблокировка Sinclair-джойстиков, отключенных Z-Controller'ом или другим контроллером IBM-клавиатуры.

Вся конструкция с ZX-bus размещается в IBM-корпусе, заодно решается и проблема Спектрумов с мощностью блока питания.

Клавиатура Дельты с прозрачными крышками отвратительна - кнопки заедают при нажатии. Поэтому подключение контроллера IBM-клавиатуры является необходимостью. Поразительно, но разработчики таких контроллеров игнорируют существование Sinclair-джойстика - основного (наряду с Kempston) игрового порта. Контроллер IBM-клавиатуры представляет собой внешний порт #FE, посредством арбитра IORQ блокирующий обращение к штатному порту #FE вместе с интегрированными в него Sinclair-джойстиками - таким образом, эти джойстики становятся недоступными. Глубже историю парадоксов ZX Interface II я освещал в другой своей заметке. Я нашёл решение этой патовой ситуации, применив 4 микросхемы в дополнение к арбитру IORQ на ЛЛ1.

Нажатие любой кнопки на любом из двух Sinclair-джойстиков обнаруживается элементом D5.
Если при этом (что случается 50 раз в секунду) осуществляется чтение порта #F7FE (полуряд 1..5, А11=0) или порта #EFFE (полуряд 0..6, А12=0), то дешифратор D1 элементом D4.4 отключает внешний порт #FE на Z-Controller и элементом D3.2 разрешает выбор внутреннего порта #FE в обход Z-Controller.

Таким образом, происходит автоматическое переключение между кнопками 1..5, 6..0 на клавиатуре и на джойстиках. В момент нажатия кнопок на Sinclair-джойстиках внешняя клавиатура не работает, во все прочие моменты времени она работает.

Элемент D4 (арбитр IORQ) - серии 1531 для минимизации задержки арбитрирования сигнала /IORQ.

00_Доработки Дельты_ZX-bus.jpg

Распиновка.jpg

Рис_Компоновка.jpg

5) Gotek как замена дискетам
Я приобрёл Z-Controller, рассчитывая использовать встроенный в него Nemo IDE как решение задачи по переходу от своей коллекции из полусотни дискет к единому надёжному носителю. Однако оказалось, что за истёкшие 20 лет задача использования HDD штатными средствами Спектрума так и не была решена. Ближайшее решение, позволяющее запускать TRD-образы с HDD, состоит в инсталляции DNA OS при условии перепрошивки ROM. При штатном же ROM - HDD (равно как и SD-карту) можно использовать лишь как архивное хранилище TRD-образов (используя также копировщики FAT All или Wild Disk Copier).

Разочарованный, я случайно наткнулся на существование эмуляторов FDD и вышел на Gotek с прошивкой Flash Floppy. Приобрёл Gotek на AliExpress, залил в него прошивку Кейра Фразера Flash Floppy, подключил к Beta Disk как дисковод A, перегнал с дисковода B на воткнутую в Gotek флэшку свою коллекцию дискет в TRD-образы и получил универсальный носитель на USB-флэшке, легко доступный и для использования на Beta Disk, и для переноса TRD-файлов извне (с сайта vtrd.in).

У меня Gotek U144K на исчезающем чипе STM32, и для его прошивки программатор ST-Link V2. Кейр Фразер недавно выложил апдейт, в котором рекомендует Gotek на улучшенной модификации чипа Artery - AT32F435:

«Starting July 2022, the factory is supplying an enhanced MCU option: the Artery AT32F435. This MCU runs at 288MHz and has 384kB SRAM. It is enough for reliable operation, extensive image caching, and will allow for a wider range of firmware features in future. The enhanced firmware which runs on this MCU is called FlashFloppy PLUS (or FlashFloppy+).»

[SKV]

6) Приложение. Принципиальная схема Дельты-С.

Лист 6_Фото платы.jpg

Лист 5.jpg

Лист 1.jpg

[SKV]

Лист 2.jpg

Лист 3.jpg

Лист 4.jpg

[SKV]

7) Перечень свободных элементов на плате Дельты-С
После двоеточия указаны номера свободных элементов в корпусе (всего 4 или 6 элементов на корпус).
DD01 1533ЛИ1: 1
DD02 1533ЛН1: 5
DD10 1533ЛИ1: 3
DD11 К555ЛА3: 1
DD12 1533ЛЕ1: 3,4
DD19 1533ТЛ2: 4 (старый неразведённый INT)
DD21 1533ЛН1: 4,5,6
DD29 1533ЛЛ1: 2 (использовал в арбитре МП для GS)
DD49 1533ЛН1: 1,5 (1 использовал в арбитре МП для GS)
DD50 1533ЛП5: 1,2,4

8) Видеосигнал. Часть 2

01_Доработки видеосигнала.jpg

- Доработка №4. Дождь из помех
В прошлый раз я рассказал, как убрать главную видеопомеху, отрезав дорожку G. Этого недостаточно, т.к. остаётся множество мелких помех в виде дождя, пропадающих при остановке Z80 (удержании сигнала Reset).

02_ Дождь из помех.jpg

Сравнение наводок в состояниях Z80 Run / Z80 Stop.
Сверху вниз: Video, G, R, B. Завышенный уровень гашения 0,5V.

03_Разница Run-Stop.jpg

[SKV]

Полностью устранить эти помехи удастся, только целиком вынеся с материнской платы аналоговый каскад RGBI, где I это яркость.

Промежуточное решение - оптимизировать этот каскад для вывода сигналов в размахе 0,7V по стандарту SCART (изначально RGB-выход Спектрумов имеет размах 2..5V для телевизоров и мониторов 1990-х годов).

Необходимо удалить переменные резисторы 22К, соединив базы транзисторов напрямую, а на эмиттерах заменить делители (пара резисторов запаивается на место исходного, средняя точка поднимается над платой). Вынос этих делителей на выходной разъём AT-корпуса ненамного улучшает результат – нужно выносить с платы весь каскад.

При этом синхросмесь Дельты имеет завышенный уровень гашения 50% вместо 30% (0,5V вместо 0,3V), но это не повлияло на распознавание видеосигнала моим LCD-телевизором.


Эта же картинка на русском.

- Экранирование вредит
Я с удивлением обнаружил, что нельзя использовать экранированный видеокабель (а именно заземлять его экран с любой стороны), даже на коротком участке. Этот факт рушит общепринятую теорию, но очевидно, экран работает как антенна, и помехи (дождь на экране) возобновляются в прежнем объёме!

- Доработка №3. Градации яркости
Цветовая палитра Спектрума имеет 8 цветов и 2 градации яркости (полная и пониженная). Не существует стандарта на уровень RGB сигналов Спектрума при пониженной яркости. В схемах Спектрумов встречаются 3 варианта понижающих резисторов: 3К, 2К, 1К. Каждое уменьшение номинала в этом ряду увеличивает перепад уровня RGB на дополнительные 0,1V (при полном размахе 0,7V). Попробовав все 3 варианта, я остановился на максимальном перепаде 0,3V с резисторами 1К (R38, R34, R41).

Проверять цветопередачу удобно на встроенном в ПЗУ Spectrum 128 тесте, для запуска которого надо удерживать Space (Ctrl+Space на ZC) при нажатии кнопки Reset.

Цветопередачу могут сильно искажать встроенные в LCD-телевизор фильтры. В моём случае LCD Philips при фильтре «Стандартный» исключал градации зелёного и синего. Перебрав все фильтры, я определил, что только половина из них равномерно передаёт градации, и остановился на фильтре «Энергосбережение».

05_Тест цветопередачи и цветофильтр.jpg

05b_Осциллограмма.png

- Доработка №1. Вертикальная линия справа

06_Линия справа.jpg

На правой границе бордюра присутствует режущая глаз мелькающая линия. Её причина – запаздывающее переключение выходных RGB мультиплексоров с растра на бордюр. Переключение должно происходить с крохотным опережением, измеряемом наносекундами. При большем опережении будут срезаться последние пиксели растра.

На левой границе бордюра для этой же цели введено запаздывающее переключение на растр с помощью цепочки R13-C12.

Решение задачи для правой границы: вводим RC-цепочку на асинхронное обнуление триггера DD20, переключающего мультиплексоры.

Асинхронные входы на исходной схеме перепутаны. Ногу 13 (вход R) отрезать с обеих сторон. Ногу 10 (вход S) подключить обратно к +5V.

RC-номиналы необходимо очень точно подобрать по осциллографу, чтобы при задержке 1800 нс получить сдвиг переключения в пределах 20 нс.

Напаивать RC надо непосредственно на микросхему (при подборе длина проводов или стоек в пару см), иначе в задержку вносится нестабильность 50 нс.

[SKV]

07_Настройка RC.png

На осциллограмму вывести:
1. DD20, нога 12 (/Бордюр). Синхронизацию включить в этом канале по нисходящему фронту (правый бордюр).
2. DD53, нога 2 (сигнал Край, переключающий мультиплексоры на бордюр). Восходящий фронт, который мы и настраиваем подбором RC-цепочки.
3. DD53, нога 5 (входной канал видеобита VD5). Нисходящий фронт.

Находясь на заглавном экране Спектрума, выводим в центр осциллограммы пересекающиеся фронты двух последних сигналов (1,8 мкс правее момента синхронизации) и подбираем RC-номиналы, пока Край не станет подниматься чуть раньше, чем падает VD5. При этом вертикальная линия справа исчезнет.

По примеру GS я ориентировался на резистор 470 Ом и подобрал номиналы 460 Ом, 2,2 нФ. Однако теперь (ознакомившись с другими схемами) я думаю, что правильнее (для уменьшения тока) применять в таких цепях резистор 1К. Поэтому советую первоначально взять цепочку 1К, 1 нФ и дальше варьировать точную величину резистора в ней.

Если после прогрева в работе полоска снова появится, придётся уменьшить номинал резистора ещё на несколько Ом.

Теория расчёта интегрирующей и дифференцирующей RC-цепочек для ТТЛ встретилась мне в единственной статье.

- Доработка №2. Вертикальные штрихи
После всех трудов над изображением это ещё не конец.
Во множестве игр на экране появляются артефакты в виде вертикальных штрихов, сильнее всего это выражено в Zynaps. Также эффект сильно проявляется в Serafima.

08_Штрихи в Zynaps.jpg

Причина в том, что так проявляется граница между знакоместами, итоговый цвет которых не меняется, но INK и PAPER инвертируются. Поскольку у ТТЛ-логики существует несимметрия задержек распространения для 0 и 1, то выходы логики переключаются неодновременно, а с разбросом в несколько наносекунд, чего оказывается достаточно для возникновения артефактов.

Для решения проблемы предлагается врезать дополнительный синхронный регистр на 4 сигнала B, R, G, I между выходными мультиплексорами DD60, DD53 и буферными элементами DD51.

Регистр тактировать частотой 7 или 14 МГц (подобрать по исчезновению артефактов). На входе в регистр биты переключаются с наносекундным разбросом, а на выход записываются уже синхронно. Следует обратить внимание на минимальную несимметрию задержки распространения 1-0/0-1. Наилучшие варианты - 1533ИР37 (20 ног) и 1533ИР38 (24 ноги). Для них обеих заявлена единая задержка распространения 15 нс. Популярная 1533ИР23, помимо неудобной попарной группировки выводов, имеет несимметричную задержку 18/15 нс.

Схемы более поздних Спектрумов не содержат буферных элементов между мультиплексорами К1533 и выходными транзисторами RGB. Поэтому DD51 (155ЛП5) наверняка следует исключить из схемы, т.к. эта микросхема имеет большую и несимметричную задержку распространения 1-0/0-1 = 22/30 нс.

Для начала можно просто обойти DD51 без применения дополнительного регистра (скорее всего, с её выпаиванием или отрезанием, т.к. серия К155 сильно нагружает DD60, DD53) – возможно, это уже даст положительный эффект.

Схема мною ещё не проверена. Благодарю за помощь Reddie и Prusak.

9) Проблемы совместимости и другие просчёты:
- Слабая разводка шин питания
- Нестандартный кварц
- Плавающая шина видеоданных
- Отсутствие порта #FF
- Неполное повторение арбитра медленного поля
- Хаос с сигналом INT

В отличие от прародителя Львова, в Дельте-С узкие питающие дорожки при большом числе микросхем. Поэтому, помимо напайки блокировочных конденсаторов на каждый корпус, имеет смысл дополнительно развести питание корпусов не самым тонким МГТФ.

Необходимо заменить исходный кварц с нестандартной частотой 13700 кГц на 14000 кГц. После замены заработали испанские игры, которые всегда зависали по окончанию загрузки: Filemon 2, Mad Mix 2, Muncher.

Исследуя шину видеоданных осциллографом, я обнаружил, что, когда ни видеоконтроллер, ни Z80 не обращаются к ней, эта линейка РУ5 (в оригинале РУ6) переходит в третье состояние, и по шине гуляют уровни 2,5V. К каждому разряду шины подключены по 3 ТТЛ-входа и все они воспринимают обрыв сигнала как нестабильную логическую «1». Это и является причиной хаотических ярких точек на правой границе в чёрных играх типа R-Type или Exolon.

Избавление от правой границы RC-цепочкой решает визуальную проблему, но вообще неправильно, что столько ТТЛ-входов подвешиваются в нестабильном состоянии. Поэтому следует притянуть их к одному из двух уровней. Исходя из схемотехники «порта #FF», подтягивать надо к +5V через 10К, подобно главной шине данных.

Часто встречается мнение, что порт #FF не нужен, т.к. его использует малое количество оригинальных игр, большинство которых к тому же уже пропатчено. Однако Дельта-С (продолжение линии Львов, Харьков, Москва) как раз интересна тем, что повторяет оригинальную схему Спектрум-48 с раздельными полями, и поэтому позволяет малыми усилиями повышать совместимость с оригинальным программным обеспечением. Реализация порта #FF необходима для последующей точной настройки положения сигнала INT в тестах ulatest3 и floatspy.

Арбитр медленного поля Дельты-С повторяет оригинальную остановку Clock по комбинации А14+А15 (именно поэтому не следует применять второй вариант моей доработки арбитра МП из темы про GS), но не делает этого по комбинации A0+IORQ (обращение к встроенному в ULA порту #FE) - в случае необходимости можно будет внести в арбитр и такую доработку.

Почему-то у нас принято считать, что порт #FF возвращает байт атрибутов, хотя и в оригинальном Спектруме, и при доработке Дельты-С с шиной данных традиционно соединяли видеошину, а не выход регистра атрибутов. Следовательно, Z80 читает из порта #FF не только байты атрибутов, но и байты растра. Много путаницы внесли в этот вопрос статьи Кирилла Громова.

Повторение оригинального постоянного соединения видеошины через резисторы это плохое решение, потому что паразитно нагружает и без того перегруженную шину данных. Необходимо применить регистр, который будет подключать видеошину через резисторы 820-1K только в моменты, когда Z80 читает любые порты (IORQ+RD). Засорение прерываний при этом не происходит, т.к. для подтверждения Z80 выставляет IORQ+M1, но не RD. (После подключения порта #FF Тест 4.30 показывает неправильное подключение предназначенного только на запись AY-порта #BFFD, но это недоработка самого теста.)

Схема удачно комбинируется с портом Kempston. Для подтяжки видеошины к +5V удобно использовать резисторную сборку 9х10К.

Схема порта #FF мною ещё не проверена.

09_Доработки Дельты_Лист 2.jpg

[SKV]

- Сигнал INT
Разработчики отечественных клонов демонстрировали полное невежество в формировании сигнала INT, что представляет необъяснимый контраст по сравнению с тщательностью клонирования остальной архитектуры ULA.

В Дельте-С этот сигнал был спроектирован как импульсы /ККадра длиной порядка 20 мкс и формирующиеся где-то в середине кадра.

Видимо, запуск в серию показал авторам непригодность этого решения, потому что дорожку стёрли с фотошаблона, а на INT стали проводом кидать кадровый синхроимпульс (Тайм) длиной 257 мкс вместо необходимых 9 мкс (32 такта).

Следствие такого длинного INT – его многократный захват процессором и искажённая до неузнаваемости биперная музыка во множестве игр. Поэтому мы будем укорачивать его дифференцирующей цепочкой.

Но остался вопрос: в какой момент кадра должен приходить INT в фирменном Спектруме (чтобы нам добиться максимальной совместимости с фирменным программным обеспечением)?

По этому вопросу мы снова имеем противоречивые сведения. Например, вторая статья Кирилла Громова в Спектрофоне №14:
«Аксиома: сигнал INT вырабатывается по заднему фронту кадрового синхроимпульса и имеет длительность 9мкс.
ATTENTION! Результаты замеров, проведённых в фирменном "СПЕКТРУМЕ 48k" показали, что длительность INT 9 мкс, а положение - в начале кадрового синхроимпульса.»

Для поиска истины обратимся к игре Venom, которая примечательна тем, что на главном экране содержит мультиколор и бордюрный эффект, а потому может использоваться в качестве теста.

При выдаче INT по переднему фронту КСИ бордюрная полоса выше экранной (так же и в Тесте 4.30), а мультиколор рассыпается по отдельным фрагментам букв.

10_Передний фронт_Venom.jpg

11_Передний фронт_Тест.jpg

При выдаче INT по заднему фронту КСИ бордюрная полоса ниже экранной (а в Тесте 4.30 совпадает с фирменной), а мультиколор поднимается по надписи ровными тонкими полосками.

12_Задний фронт_Venom.jpg

[SKV]

13_Задний фронт_Тест.jpg

Очевидно, что второе положение более верное, хотя и оно не окончательное, потому что бордюрная полоса в Venom должна точно совмещаться с экранной (просится INT сдвинуть чуть назад, до заднего фронта КСИ). Для дальнейшего изучения надо использовать игры Aquaplane, Vectron, и тесты порта #FF ulatest3, floatspy.

Эта работа ещё не закончена. Почему-то никто из участников zx-pk, успешно экспериментирующих с формированием INT в клонах Львов, Харьков, Москва, Дельта, не выложил окончательного отчёта со схемой. Возможно, придётся формировать INT в 2 ступени через длинную задержку 250 мкс от переднего фронта КСИ, либо искать причину в нюансах таймингов, как вышеупомянутое отсутствие остановки Clock по обращению к порту #FE.

В текущей схеме выдачи INT по заднему фронту я использовал изначально предусмотренный в схеме для этой цели инвертор DD12.4 (ТЛ2). Я обрезал проходящую через его вход дорожку /ККадра с обеих сторон, и соединил её в обход. Однако, можно применить любой свободный инвертор, их на плате много.

RC-импульс настроил ровно на 9 мкс (1 кОм, 4,3 нФ). Тест 4.30 показывает длительность INT в неизвестных единицах (24 цикла). Верную длительность в тактах показывает Tест INT Ковалевского (32 такта). (Он же имеет и малозаметную бордюрную полоску для калибровки. Как и в Venom, она ниже эталонной. Однако, на zx-pk писали, что с оригинальным Спектрумом она тоже не совпадает.)

На осциллограмме канал 1 - /КСИ, канал 2 - /INT.

14_INT.png

15_Тест Ковалевского.jpg

[Shaos]

Я гляжу огромная работа проделана!