Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 21 страниц)

Н. – Очень умно! Но одна вещь кажется мне странной. Ты сказал, что катоды размещаются один за другим. Когда в этой пачке зажжется самый последний катод, мы ничего не увидим из-за расположенных перед ним.

Л. – Вся хитрость устройства этих катодов заключается в том, что они сделаны из очень тонкой проволоки, благодаря чему они практически незаметны на фоне ионизированного неона, светящегося вокруг последнего катода. Если ты внимательно посмотришь с очень близкого расстояния, то может быть различишь тонкие черные нити, пересекающие светящееся изображение цифры, но в обычных условиях нужно обладать глазами кошки, чтобы их заметить. Разумеется, существуют и другие способы индикации, но описанная газонаполненная лампа имеет тенденцию стать самым распространенным цифровым индикатором.

Н. – Но если подумать, становится просто грустно: на каждую декаду, кроме четырех триггеров и ключа, требуется десять высоковольтных кремниевых транзисторов, индикаторная лампа и резисторы для управления кремниевыми транзисторами. Уж очень много элементов, чтобы сосчитать только до десяти.

Л. – Я согласен с тобой, Незнайкин, но когда мы говорим, что декада считает только до десяти, мы должны одновременно отметить, что она может считать исключительно быстро. Кроме того, не забывай, что две декады позволяют считать до 100, а шести декад достаточно, чтобы считать до миллиона.

Н. – Мне в голову пришла идея… Я думаю, что при включении подряд нескольких, например четырех, декад такого типа выходящие с последней декады импульсы имеют значительно меньшую частоту, чем импульсы, подаваемые на первую.

Л. – Я не стал бы говорить «значительно меньшую», а указал бы точно «в десять тысяч раз меньшую».

Н. – Именно это я и хотел сказать. Следовательно, выходящие импульсы имеют довольно низкую частоту. Может быть, их можно считать более простым способом и даже механическим счетчиком.

Л. – Именно так и делают. Но обычно перед механическим счетчиком ставят больше четырех декад. Механический счетчик способен срабатывать 4 или 5 раз в 1 сек. А так как стоящая первой, т. е. выдерживающая наибольшую нагрузку, декада считает сотни тысяч импульсов в 1 сек, перед механическим счетчиком, как ты сам понимаешь, необходимо поставить не менее пяти декад. А при желании повысить скорость счета я поставил бы спереди дополнительную декаду, рассчитанную на очень большие скорости, например до 2–3 млн. импульсов в 1 сек.

Если же возникнет надобность еще расширить возможности моего счетного устройства, то я поставлю спереди еще одну декаду, сделанную специально для высоких частот и способную считать импульсы, например, на частоте 50 Мгц, таким образом, у меня получилась бы весьма совершенная система.

Н. – Да, я вижу, что механический счетчик может позволить нам сэкономить несколько декад на очень низких частотах. Но все равно меня печалит необходимость делать для счета такие сложные устройства.

Декатрон

Л. – Если ты не очень спешишь, иначе говоря, если у тебя нет необходимости в сверхбыстрых счетных устройствах, можно воспользоваться более простыми системами, обладающими, правда, меньшими возможностями. Довольно интересные результаты можно получить при использовании газонаполненных счетных ламп. Я расскажу тебе об одной из них – она называется декатрон или декадная пересчетная лампа. В заполненной неоном, аргоном или водородом колбе имеется кольцевой анод, обозначенный на рис. 119 буквой А. Чтобы не перегружать рисунок, я изобразил лишь часть элементов этой лампы. Под этим кольцом размещаются 10 основных катодов, обозначенных буквой К, которые, как ты видишь, изогнуты в виде крючка в том месте, где они приближаются к аноду.

Эти 10 катодов соединены между собой своим кольцом, замкнутым на корпус. Между каждой парой этих катодов размещается но одному вторичному катоду, которые я нарисовал тонкими линиями и обозначил буквой К. Все они соединены между собой другим кольцом, выходящим из колбы лампы. Этих катодов тоже 10, и они имеют такую же, как основные катоды, изогнутую форму.

Рис. 119. Газонаполненная счетная лампа типа декатрон. При подаче отрицательного импульса через конденсатор С ионизированная зона перескакивает с одного основного катода на следующий (в изображенном на рисунке случае – с 5 на 6), проходя при этом через расположенный между ними вспомогательный катод (5').

Н. – Но твой декатрон ужасно сложен! Со своими 20 катодами он, должно быть, стоит безумно дорого!

Л. – Совсем нет. Эти катоды представляют собой всего лишь проволочные крючки простой формы, прикрепленные к кольцу.

Напряжение питания Е (300 или 400 в) подается на анод через резистор R. Основные катоды К замкнуты на корпус, а все вторичные катоды К' имеют невысокий положительный потенциал. Ионизация начинается на одном из основных катодов К. Предположим, что им окажется катод с номером 5, как я показал на своем рисунке. А теперь через конденсатор С подадим отрицательный импульс с амплитудой 40 в на вспомогательные катоды К'. Они станут отрицательными относительно катодов К, потому что первоначально они имели потенциал +20 в, и конденсатор полностью передает срез импульса. Разность потенциалов между анодом А и катодом К' стала больше разности потенциалов между анодом А и катодами К, и поэтому ионизация стремится теперь установиться между анодом и одним из катодов К'.

Н. – А какой катод К' «облагодетельствует» ионизация? Ведь ей представляется десять на выбор.

Л. – Нет, имеется только одна возможность: изогнутый кончик второго катода 5' уже находится в зоне ионизации основного катода 5, поэтому именно этот вторичный катод ионизация и предпочтет всем другим. Тогда ионизированная зона перейдет на вторичный катод 5', но долго она там не задержится. По окончании отрицательного импульса, приложенного к катодам К', они вновь обретут свой традиционный потенциал +20 в. Ионизация вновь будет стремиться перейти на один из основных катодов К. В наиболее благоприятных условиях для этого оказывается основной катод с номером 6, так как его изогнутый кончик находится в ионизированной зоне, окружающей вторичный катод 5'.

Как ты видишь, при каждом импульсе, посланном на вспомогательные катоды К', ионизированная зона перескакивает с одного основного катода на следующий. А так как эта зона благодаря излучаемому свету хорошо видна, достаточно взглянуть на лампу с переднего торца по направлению оси кольцевого анода, чтобы узнать количество полученных ею импульсов. Снаружи вокруг лампы установлено кольцо, на котором по окружности, примерно как на циферблате часов, нанесены цифры от 0 до 9.

Н. – Твоя система исключительно разумно сделана: лампа не только считает импульсы, но и наглядно обозначает результат счета. Но я плохо представляю, как заставить лампу после каждого десятка импульсов давать импульс для управления следующей лампой.

Л. – Для этого достаточно с одного из основных катодов К сделать отдельный выход. Этот выход соединяется с корпусом через небольшой резистор R (рис. 120), на выводах которого появляется небольшое положительное напряжение, когда разряд поступает на выведенный катод. Это положительное напряжение подается на базу транзистора, что порождает на его коллекторе отрицательный импульс, передаваемый следующему декатрону.

Н. – Но эта система мне нравится больше твоих декад. Она значительно проще, и в ней используется только одна лампа.

Ограничения декатрона

Л. – Но не забудь, что для управления вторичными катодами К' все же требуется один транзистор-усилитель. Часто для получения хорошо откалиброванного импульса используют даже два транзистора, включенных по схеме с одним устойчивым состоянием. Впрочем, необходимо отмстить, что декатрон, выгодно отличающийся от рассмотренных ранее счетчиков определенной простотой, существенно уступает им по быстродействию. Наиболее распространенные модели декатронов работают на частотах до сотни килогерц, что уже очень хорошо. Некоторые специальные модели декатронов, заполненные водородом, способны работать на частотах до 1 Мгц. Но водород дает очень слабое свечение и часто приходится пользоваться специальной системой индикации. Эти лампы отличаются небольшими размерами: диаметр около 18 мм и длина 40 мм. Часто 10 основных катодов К снабжаются отдельными выводами для индикации показаний декатрона с помощью транзисторных усилителей и цифровой индикаторной лампы.

Н. – Ты меня серьезно опечалил – только что рассказал о таком простом устройстве и сразу же ввел бездну усложнений.

Счет и обратный счет

Л. – Мы должны признать, Незнайкин, что очень большое количество способов построения счетных декад доказывает, что безупречного решения пока еще не нашли. Попутно хочу сказать тебе о существовании других типов декатронов, которые были созданы раньше уже описанного мною. В одной из таких ламп катоды представляют собой маленькие прямые стерженьки; в лампе имеется не один, а два ряда вторичных катодов К' и К" (рис. 121).

Рис. 121. В декатроне с двумя рядами вспомогательных катодов направление движения ионизированной зоны по кругу задается сигналами, приложенными к этим катодам: на катоды К' подаются прямоугольные сигналы, пропущенные через дифференцирующую схему, а на катоды К" – прямоугольные сигналы, пропущенные через интегрирующую схему.

На первый ряд катода подаются импульсы с крутым фронтом и пологим срезом, а на второй ряд – импульсы с пологим передним фронтом и еще более пологим срезом. Таким образом, удается заставлять ионизированную зону перескакивать с одного основного катода на следующий, проходя при этом через расположенные между ними два вспомогательных катода. Эта система кажется более сложной, но она обладает одним ценным свойством: меняя, можно заставить лампу считать в обычном или в обратном порядке.

Н. – Мне кажется, что это скорее неудобство, чем ценное свойство. Меня с детства приучили считать, прибавляя по единице к уже имеющемуся числу: 1, 2, 3, 4 и т. д.

Л. – Да, это и называют счетом. Но в некоторых случаях полезно иметь устройство, способное «считать назад». С помощью такого способа можно, например, производить вычитание. Первую партию импульсов счетчик считает, как обычно, а вторую партию обратным счетом, и после этой операции счетчик покажет разность.

Декатрон с двумя рядами вторичных катодов годится для решения такой задачи, тогда как более простой по конструкции декатрон, изображенный на рис. 119, может чередовать свои показания только в одном направлении.

Н. – Ну, а теперь ты описал все способы счета?

Электронно-лучевая трубка с ламинарным лучом

Л. – О, далеко нет! Сейчас я, не вдаваясь в подробности, так как это увело бы нас слишком далеко, кратко расскажу еще о нескольких устройствах. Прежде всего следует сказать об электронно-лучевой трубке с ламинарным (слоистым) лучом.

Это электронно-лучевая трубка особой конструкции, в которой подвергающийся воздействию отклоняющих пластин электронный луч попадает на экран, позволяющий определить место попадания луча. Этот луч проходит через маску с отверстиями (рис. 122) таким образом, что ток луча изменяется в зависимости от положения луча по довольно сложному закону, позволяющему с помощью простого резистора, включенного последовательно с анодом, получить 10 устойчивых положений для луча. При подаче импульсов с крутым фронтом и пологим срезом луч перескакивает с одного положения на следующее.

Рис. 122. В электронно-лучевой трубке с ламинарным лучом электронный луч по пути к аноду проходит через маску с отверстиями. Анод соединен с отклоняющей пластиной, что придает характеристике анодного тока в зависимости от анодного напряжения форму ломаной линии, что при питании анода через соответствующий резистор позволяет получить для электронного луча десять устойчивых положений. Воздействуя на другую отклоняющую пластину сигналами с крутым фронтом и пологим срезом, можно заставить луч переходить с одного устойчивого положения на следующее.

Когда луч перескакивает в десятое устойчивое положение, часть его электронов попадает на небольшой вспомогательный электрод, который подает импульс на следующую счетную трубку и возвращает луч первой счетной трубки на нуль. Эта система без особых трудностей может работать на частотах до 30 кгц. С помощью специальных схем удается повысить рабочую частоту трубки до 1 Мгц. Эти трубки невелики по размерам. Наиболее распространенная трубка такого типа имеет диаметр 35 мм и высоту 65 мм. Такие трубки дают интересные и экономичные решения, но я должен признать, что используются они все меньше и меньше.

Н. – Досадно. Ведь это чисто электронное устройство элегантнее систем с ионизированным газом.

Л. – Имеются также очень интересные газоразрядные лампы, в частности тиратроны с холодным катодом. Это небольшие неоновые лампы, снабженные специальным поджигающим электродом (рис. 123).

Рис. 123. В тиратроне с холодным катодом имеется электрод поджига (пусковой электрод); подача на этот электрод очень небольшого тока может вызвать появление разряда между катодом и анодом.

На этих лампах можно собрать схемы с десятью состояниями равновесия (на каждую такую схему требуется 10 ламп). Одно из ценных качеств этих схем заключается в том, что они сами показывают свое состояние: одна из десяти ламп находится в ионизированном состоянии и светится красным цветом. Эта система позволяет считать импульсы с частотой не выше нескольких килогерц, но она отличается простотой и используется в некоторых типах радиоэлектронной аппаратуры промышленного назначения.

Я назову тебе также трохотрон, в котором используется магнитное поле, создаваемое магнитом, расположенным вокруг самой трубки. Это довольно сложное для описания устройство способно работать на частотах до 1 Мгц.

Из всего рассказанного я советую тебе получше запомнить, что при создании счетных устройств специалисты все больше ориентируются на использование счетных декад на транзисторах с индикацией результата с помощью газоразрядных цифровых индикаторных ламп.

Кольцо Реженера

Н. – И все счетные декады на транзисторах собираются по схеме, приведенной на рис. 117?

Л. – О нет, далеко не все. Существуют, вероятно, сотни различных схем счетных декад. Я совершенно не намерен перечислять тебе все эти схемы, а лишь кратко, не вдаваясь в подробности, расскажу о довольно остроумной системе, получившей название кольца Реженера, в которой используются пять триггеров, аналогичных изображенному на рис. 82. Каждый триггер своим выходным напряжением открывает или запирает ключи, направляющие импульсы на тот или другой вход следующего триггера (рис. 124).

Рис. 124. Устройство «кольца Реженера», позволяющего считать до 10. В устройстве имеется пять триггеров с двумя устойчивыми состояниями и десять ключей (G), направляющих пусковые импульсы по-правильному адресу.

Триггер 1 включен так, что каждый импульс, посылаемый на управляемый им ключ, стремится переключить триггер 2 в такое же положение, в каком находится триггер 1. Точно так же устроена связь между триггерами 2 и 3, между 3 и 4 и между 4 и 5.

А вот триггер 5 соединен с триггером 1 (вернее, с ключами, управляющими входами триггера 1) таким образом, что при поступлении импульса триггер 5 стремится переключить триггер 1 в состояние, противоположное тому, в котором находится триггер 5…

Н. – Твоя система просто немыслимой сложности!

Л. – Согласен, система в самом деле довольно сложная, но очень остроумная. Первоначально все триггеры стоят на нуле. Затем на все ключи посылается импульс. Так как триггер 5 стоит на нуле, он так направляет этот импульс в ключи, управляющие триггером 1, что последний переключается в положение 1 (единица). Второй импульс, не оказывая воздействия на триггер 1, находящийся в положении 1, переключает триггер 2 в положение 1.

После пятого импульса все триггеры оказываются в положении 1. При шестом импульсе триггер 5 переключает триггер 1 на нуль. Седьмой импульс вернет на нуль триггер 2, после десятого на нуль встанет и триггер 5. Как ты видишь, система нормально считает до 10.

Н. – Очень занятно. Чередование состояний твоих пяти триггеров мне что-то напоминает, но я никак не могу вспомнить, что именно… Ах! Так ведь это похоже на обозначение различных цифр в азбуке Морзе. Там тоже используется пять знаков с постепенным увеличением числа точек: цифре 1 соответствует одна точка (точка и четыре тире), цифре 2 соответствуют две точки (две точки и три тире), а цифре 5 – пять точек. После этого увеличивается количество тире от одного, обозначающего цифру 6 (тире и четыре точки), до четырех, обозначающих цифру 9 (четыре тире и одна точка).

Л. – Признаюсь, что я никогда об этом не думал, но твое сравнение очень верное. По крайней мере, оно показывает, что ты правильно понял чередование состояний триггеров. Различных счетных декад имеется такое великое множество, что я считаю нецелесообразным даже начинать их описание. Каждая фирма желает непременно иметь свою и, к несчастью, совершенного решения до сих пор нет. Но как бы то ни было, а теперь мы располагаем прекрасными средствами считать импульсы на очень высоких частотах (я слышал даже о счетных устройствах, работающих на частотах до 200 или 300 Мгц).

Применение быстродействующих счетных устройств

Н. – Позволь мне задать тебе один вопрос – для чего нужно считать так быстро?

Л. – Быстродействующее счетное устройство может быть полезно во многих случаях. Прежде всего оно позволяет с высокой точностью измерять частоту. Для этого сигнал ровно на одну секунду подключают к счетному устройству и счетчик показывает количество периодов в секунду. Затем счетное устройство можно использовать для измерения времени. Представь себе, что на счетчик подают импульсы с частотой повторения 10 Мгц. Зная количество принятых счетчиков импульсов, можно с точностью до десятой доли микросекунды подсчитать время, разделяющее первый и последний импульсы. Таким способом, например, можно очень легко и исключительно точно измерить скорость движения пули, которая последовательно перекрывает два луча света, направленных на два фотоэлемента.

Можно сказать еще об одном виде использования счетного устройства. Предположим, что мы послали на счетчик 23 473 импульса, а затем, не сбросив его на нуль, послали еще 118 277 импульсов. Счетчик покажет число 141 750, представляющее, как ты видишь, сумму двух названных чисел. При высокой скорости счета эта весьма примитивная по устройству система позволяет быстро производить сложение больших чисел.

И, наконец, счетные устройства широко используются в ядерной физике. Как ты помнишь, счетчики частиц, в частности счетчики Гейгера – Мюллера, выдают импульсы, средний темп которых характеризует активность источника ядерного излучения.

Н. – Я предполагаю, что в этом случае нет необходимости в счетных устройствах с очень высокими характеристиками.

Л. – Ты грубо ошибаешься. Не забывай, что эти импульсы при невысоком среднем темпе (например, 1000 импульсов в 1 сек) следуют друг за другом весьма хаотично. Иначе говоря, если счетчик Гейгера – Мюллера посылает 1000 импульсов в 1 сек, то совсем не значит, что время между двумя импульсами всегда равно тысячной доле секунды: один импульс может прийти после другого как через одну стотысячную секунды, так и через 25 тысячных секунды. Следовательно, во избежание потери импульсов необходимо пользоваться электронным счетчиком, способным воспринимать как два самостоятельных сигнала импульсы, следующие один за другим с интервалом в одну стотысячную долю секунды Иначе говоря, принимая в среднем только 1000 импульсов в 1 сек, этот счетчик должен быть в состоянии считать равномерно разнесенные по времени импульсы с частотой повторения 100 кгц.

Н. – Это ужасно! Значит, вторая декада должна быть способна считать 10 000 импульсов в секунду, третья 1000 импульсов в секунду!?

Л. – Совсем нет. Если интервал между двумя импульсами может изменяться в чрезвычайно широких пределах, время, занимаемое десятью импульсами, подвержено значительно меньшим изменениям. В среднем оно равно 0,01 сек и очень редко его изменения превышают ±:50 %. Поэтому после двух декад импульсы будут идти почти равномерно.

На практике для принятия каждой сотни импульсов требуется почти одинаковое время, а именно 0,1 сек, если средний темп составляет 1000 импульсов в 1 сек Иначе говоря, только первая декада должна обладать рабочей частотой намного выше теоретически необходимой, вторая должна иметь небольшой запас по быстродействию, а третья уже считает импульсы, следующие с почти одинаковыми интервалами.

Н. – Это мне больше нравится. Поэтому после трех или четырех декад мы можем воспользоваться добрыми механическими счетчиками и с их помощью считать десятки тысяч, сотни тысяч и цифры еще более высокого ранга.

Но я хотел бы задать тебе еще один вопрос. Мне говорили о системах электронных счетчиков, на которых до включения набирается нужное число, и затем, когда счетчик дойдет до этого числа, он дает сигнал. Как устроена такая система?

Счетчики до заданного числа

Л. – Интересующая тебя система называется счетчиком до заданного числа. Сделать его очень легко: нужны обычные счетные декады с индексацией показаний нл индикаторных лампах. С помощью нескольких десятипозиционных переключателей (число переключателей равно числу декад) включают один из электродов этой лампы, показывающей единицы, на первый канал, один из электродов лампы показывающей десятки, на второй канал и т. д. Предположим, что с помощью этих коммутаторов мы подключили к соответствующим каналам цифру 7 декады единиц, цифру 2 декады десятков и цифру 4 декады сотен. Мы можем сделать электронную схему, которая даст импульс, когда напряжение на всех трех переключателях станет равно нулю, т. е. когда одновременно зажгутся цифра 7 в окошке единиц, цифра 2 в окошке десятков и цифра 4 в окошке сотен. Иначе говоря, счетчик дает сигнал только тогда, когда получит 427 импульсов. Таким образом делают счетчики до заданного числа.

А теперь, когда ты познакомился с основными принципами устройства счетчиков, мы вместе посмотрим, как эти познания используются для создания больших цифровых электронных вычислительных машин…

Н. – Сегодня ты на меня не рассчитывай. Я неправильно оценил возможности своего мозга и теперь рискую допустить просчеты, которые могут вызвать у тебя недовольство…