Электроника?.. Нет ничего проще!

Беседа двенадцатая ЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТ

Любознайкин — Добрый день, Незнайкин. Сегодня я хочу рассказать тебе кое о чем совершенно новом — о счете.

Незнайкин — А что ты собираешься считать?

Л. — Мы будем считать электрические импульсы. Самое интересное то, что их можно считать очень быстро. Может быть ты уже знаешь способ подсчета электрических импульсов?

Н. — Да, недавно я купил маленький телефонный счетчик[18]. Внимательно изучив его, я убедился, что он относительно прост. В нем имеется электромагнит, который каждый раз, когда в его обмотку посылают ток, притягивает якорь. При отключении тока якорь под воздействием пружины возвращается в исходное положение. На обратном пути якорь толкает собачку, которая на некоторый угол поворачивает зубчатое колесико. Последнее увлекает за собой колесико с цифрами, вращающееся перед маленьким окошком. На этом колесике нанесены все десять цифр; совершив полный оборот, оно поворачивает на одну десятую оборота или на одну цифру следующее аналогичное колесико. Такая же система используется в автомобильном спидометре для подсчета общего пройденного пути.

Л. — Очень хорошо, Незнайкин, ты исключительно верно описал механический счетчик. Такая система удобна, но, как ты сам, вероятно, уже заметил, ее возможности с точки зрения скорости счета весьма ограничены.

Н. — Как бы не так! Мне удалось считать до четырех импульсов в 1 сек.

Л. — Совсем не плохо для механического счетчика, но нам предстоит рассмотреть схемы, способные считать несколько десятков миллионов импульсов в 1 сек. Я полагаю, что твоя механическая система даже близко не сможет подойти к таким результатам.

Н. — Бедняжка, на это она, конечно, не способна. Я предполагаю, что ты говоришь об электронных системах?

Л. — Да, и одну из них ты уже знаешь.

Н. — Ну, знаешь! Я даже не представляю, что ты имеешь в виду.

Л. — И тем не менее мы вместе говорили об этом устройстве: о триггере с двумя устойчивыми состояниями, схему которого я привел на рис. 82.

Н. — Так это простой делитель частоты на 2, и я совсем не понимаю, как он может считать.

Л. — Ну тогда, Незнайкин, предположи, что я систематически привожу этот триггер для начала в какое-нибудь определенное положение (например, транзистор Т₁ в состоянии насыщения, а транзистор Т₂ заперт). В этом случае я легко могу узнать, получил триггер импульс или нет, для чего достаточно посмотреть, остался ли он в первоначальном состоянии или переключился.

Н. — Здесь я с тобой согласиться не могу. Если он получит три импульса, то картина получится точно такая, как при получении одного импульса. А если он получит два импульса, ты сможешь сделать вывод, что он не получил ни одного.

Л. — Совершенно верно, эта схема может считать только до одного. После этого числа она начинает ошибаться.

Н. — Прими мои поздравления. Стоит ли делать столь сложное устройство для того, чтобы считать до единицы? Достижение, прямо скажем, невелико!

Л. — Предположи, что я беру эту схему и делаю так, чтобы, возвращаясь на нуль (т. е. к состоянию, когда транзистор Т₁ отперт, а Т₂ заперт), триггер давал отрицательный импульс и направлял его на вход другой схемы, идентичной первой (рис. 115).

Рис. 115. Поступающие на вход импульсы переключают первый триггер из одного состояния в другое (с единицы на нуль или наоборот) и заставляют его работать с частотой, в 2 раза меньшей. Выходное напряжение этого триггера (используются только отрицательные импульсы) приводит в действие следующий триггер, который работает на частоте в 4 раза ниже частоты входных импульсов.

Рассмотрим состояние, когда оба триггера стоят на нуле. При поступлении первого импульса первый триггер переходит в состояние, которое я назвал бы рабочим (Т₁ заперт, Т₂ в состоянии насыщения), но это не оказывает никакого воздействия на второй триггер. От такого переключения он получит только безразличный для него положительный импульс. При поступлении на вход второго импульса первый триггер возвращается на нуль. Но теперь он пошлет на второй триггер отрицательный импульс и тем самым его опрокинет. Третий импульс вновь переведет первый триггер на единицу, а второй триггер останется в рабочем состоянии. Четвертый импульс вернет первый триггер на нуль, а посланный им отрицательный импульс переведет на нуль и второй триггер. Таким образом, наша новая схема может считать от нуля до трех, а дальше начнет давать неверные результаты.

Н. — Но это тоже далеко не чудо. Не велик подвиг уметь считать до трех.

Л. — Да, но это быстро станет очень интересным. Мы соберем целую серию триггеров по приведенной на рис. 82 схеме и сделаем так, чтобы, опрокидываясь, один триггер передавал сигнал на вход другого. Например, мы приложим напряжение коллектора транзистора Т₁ каждого триггера на дифференцирующую схему (один из вариантов которой приведен на рис. 64). При каждом возвращении на нуль триггер подаст отрицательный импульс на вход следующего и тем самым заставит его опрокинуться (рис. 116).

Рис. 116. Двоичный счетчик состоит из цепочки триггеров, где один управляет другим; состояние каждого триггера индицируется лампочкой.

Н. — Я охотно допускаю, что каждый прямоугольник обозначает триггер с двумя устойчивыми состояниями со схемы на рис. 82, но я совершенно не понимаю, откуда у каждого такого триггера взялось по два входа и выхода.

Л. — Двумя входами служат конденсаторы С₃ и С₄ со схемы на рис. 82. Здесь я, как и раньше, подаю сигнал одновременно на оба входа, но так поступают не всегда. Два выхода соединены с коллекторами транзисторов. Рассмотрим цепочку из таких триггеров.

Предположим, что вначале они все стоят на нуле. Как ты видишь, каждый раз при получении нечетного количества импульсов первый триггер станет на единицу, а после прохождения нечетного числа импульсов вернется на нуль. Второй триггер переключится на единицу после второго импульса, останется в этом положении после третьего и вернется на нуль после четвертого импульса, затем пропустит в этом положении пятый импульс. Продолжая рассматривать поведение цепочки триггеров, ты можешь прийти к выводу, что чем дальше в цепочке стоит триггер, тем реже он переключается. Впрочем, в этом нет ничего удивительного, так как каждый из них делит частоту поступающего к нему сигнала на два. Мне достаточно определить положение триггеров, например, с помощью маленькой лампы, загорающейся при переключении триггера на единицу, чтобы узнать, сколько сигналов пришло на вход цепочки. Я напишу 1 под лампой первого триггера, 2 под лампой второго, 4 под лампой третьего, 8 под лампой четвертого, 16, 32 и 64 соответственно под лампами пятого, шестого и седьмого…

После прохождения некоторого количества импульсов мне останется лишь выписать числа под горящими лампочками и сложить их. Сумма даст мне количество поступивших импульсов. Как ты видишь, прибавляя новый каскад, я каждый раз удваиваю максимальное число. Так, с помощью цепочки из десяти каскадов я могу считать до 1024, а при наличии 11, 12 и 13 каскадов мои возможности считать увеличиваются соответственно до 2048, 4096 и 8192. Ты видишь, что предел растет довольно быстро.

Н. — Согласен, но все же это довольно сложно. А в довершение всего ты не можешь быть уверен, что количество поступивших импульсов не превысило максимального числа, которое твой счетчик способен отобразить. В таком случае ты не будешь знать, насколько можно верить его показаниям.

Л. — Есть способ узнать, превысило ли число поступивших импульсов возможности нашего счетчика. Для этого достаточно после последнего триггера поставить триггер специальной конструкции, который может срабатывать только один раз. Такой триггер, например, можно собрать по схеме, приведенной на рис. 82, убрав из нее конденсатор С₄. Полученное устройство при поступлении первого импульса переключится на единицу, но потом останется в этом положении, сколько бы импульсов ни пришло. Такой триггер, установленный после последнего, будет служить там в качестве системы безопасности. Если последний счетный триггер не вернется на нуль, то и триггер безопасности всегда будет стоять на нуле. Следовательно, до тех пор, пока триггер безопасности стоит на нуле, мы можем быть уверены в правильности показаний счетчика. Во всяком случае стараются поставить достаточное количество каскадов, чтобы счетчик всегда мог сосчитать поступающие импульсы без необходимости «повторять цикл», т. е. возвращать на нуль из-за превышения максимального допустимого числа.

Н. — В этих условиях я допускаю, что при достаточном количестве каскадов твой счетчик способен считать до 8192 или вдвое больше и что поэтому его можно признать взрослым. Но меня огорчает, что для определения количества поступивших импульсов приходится складывать множество чисел, некоторые из которых могут быть относительно сложными. Но это совершенно не означает, что я не вижу, какого прогресса мы достигли по сравнению с механическим счетчиком.

Л. — Твой механический счетчик проще по устройству, а его показания легче прочитать. Но я повторяю, что при удачном выборе первых триггеров в цепочке мы можем считать импульсы, следующие со скоростью нескольких миллионов и даже нескольких десятков миллионов в 1 сек.

Н. — Об этом я не думал, но тогда потребуется действительно солидное количество каскадов, иначе возможности твоего счетчика быстро окажутся недостаточными.

Л. — С этим доводом нельзя не согласиться, так как способный считать до миллиона счетчик должен иметь 20 каскадов. Но я напоминаю тебе, что эти каскады, особенно работающие в невысоком ритме, относительно просты. И я полностью согласен с тобой, что такой бинарный счетчик (работающий в бинарной системе счисления, признающей только две цифры — нуль и единицу) не очень удобен в работе. Поэтому разработали более совершенные счетчики, позволяющие считать в нашей привычной десятичной системе.

Н. — Можешь ли ты описать мне один из них… Я боюсь, как бы он не оказался ужасно сложным.

Л. — Некоторые из этих схем достаточно сложны. Мы рассмотрим только одну так называемую счетную декаду, представляющую собой электронную схему, которая по получении десяти импульсов всегда возвращается в первоначальное состояние. По получении десятого импульса она дает в канал, именуемый выходом, импульс, приводящий в действие следующую декаду.

Я покажу тебе устройство декады, разработанной инженерами фирмы Rochar, структурная схема которой изображена на рис. 117. Как ты видишь, в начале схемы стоит первый триггер с двумя устойчивыми состояниями, который я вновь изобразил в виде прямоугольника (на этот раз триггер опять собран по схеме на рис. 82).

Рис. 117. Структурная схема счетной декады, выпускаемой французской фирмой Rochar. Схема В₁ с двумя устойчивыми состояниями является делителем на 2; устройство, состоящее из трех других триггеров, последовательно проходит пять возможных состояний.

Н. — Ты опять нарисовал два входа, но это не нужно, потому что ты всегда соединяешь их вместе.

Л. — Нет, не всегда. Я могу подавать на них разные сигналы, например сигналы одного типа на конденсатор С₃ и другого типа на С₄. По этой причине я и рассматриваю триггер как схему с двумя входами. Когда триггер используют в качестве делителя частоты на 2, входы соединяют вместе и одновременно подают на них отрицательные импульсы. Мы назвали нулевым состоянием (или состоянием покоя) положение, когда транзистор Т₁ пропускает ток, а транзистор Т₂ заперт. Когда триггер возвращается на нуль, резкое снижение потенциала коллектора транзистора Т₁ посылает через дифференцирующую схему (из которой я изобразил здесь только конденсатор) отрицательный импульс. Поэтому, как ты видишь, на каждый второй поступивший на вход импульс в точку В приходит отрицательный импульс.

Н. — Да, и я также вижу, что этот импульс затем идет по двум направлениям: во-первых, на триггер В₂, куда он странно поступает только на один вход, а, во-вторых, на схему, обозначенную на рисунке буквой G, о которой я ровным счетом ничего не могу сказать.

Л. — Попробуем рассуждать по порядку. В самом деле, сигнал в триггер В₂ поступает только на базу его транзистора Т₁. От первого импульса, попавшего на его левый вход, триггер опрокинется и с нуля перейдет на единицу (Т₁ заперт, Т₂ в состоянии насыщения). Последующие отрицательные импульсы, которые могут поступить из точки В, не окажут на него никакого воздействия до тех пор, пока он не будет возвращен на нуль.

Схему, обозначенную на рисунке буквой G, называют ключевой; управляемый напряжением электронный ключ не пропускает в точку F импульсы, подаваемые на его левый вход, если напряжение на его входе D равно нулю. Если же на вход D поступает положительное напряжение, то ключ откроется для прохода импульсов и приходящие на его левый вход импульсы окажутся в точке F.

Н. — Такую схему, вероятно, очень трудно сделать.

Л. — О, нет, обычно достаточно одного диода и одного резистора, но к этому вопросу мы еще вернемся. А пока я покажу тебе, что часть схемы, расположенная после точки В и получающая отрицательные импульсы, может иметь пять различных состояний, через которые она последовательно и проходит. Первый пришедший в точку В импульс опрокинет триггер В₂; потенциал левого выхода триггера В₂ (коллектор его транзистора Т₁) повысится и откроется ключ G…

Н. — Значит, этот первый импульс пройдет через G, и мы встретим его в точке F.

Л. — Нет. Незнайкин, ты, кажется, забыл о наличии резистора R и конденсатора С. Они несколько задержат повышение потенциала точки D. Но этого будет достаточно, чтобы вызвавший опрокидывание триггера В₂ импульс пришел к еще запертому ключу G и не смог через него пройти. А вот второй поступающий в точку В импульс спокойно пройдет через ключ G.

Н. — Но ведь этот импульс вновь воздействует на триггер В₂?

Л. — Он ничего ему не сможет сделать; не забывай, что импульс приходит только на один вход триггера, а когда отрицательный импульс поступит на базу запертого транзистора Т₁, он не даст никакого эффекта.

Н. — Правильно, а я об этом забыл. Но если импульс ничего не сделает триггеру В₂, он, должно быть, что-то сделает триггеру В₃?

Л. — Ты совершенно прав. Импульс опрокинет триггер В₃, но никак не повлияет на триггер В₄, потому что, переключившись с нуля на единицу, В₃ пошлет на триггер В₄ положительный импульс, на который тот не реагирует. Третий поступивший в точку В импульс пройдет через ключ G (триггер В₂ все еще находится в положении 1 (единицы). Оказавшись в точке F, третий импульс возвращает триггер В₃ в нуль, в результате чего триггер В₃ посылает отрицательный импульс на вход триггера В₄ и опрокидывает его. Поступивший в точку В четвертый импульс проходит через ключ G, достигает точки F и переводит триггер В₃ в положение 1, что никак не сказывается на состоянии триггера В₄…

Н. — У меня сложилось такое впечатление, что триггеры В₃ и В₄ работают как классический счетчик, умеющий считать до 3. Разве не так?

Л. — Твое впечатление совершенно правильное и обоснованное. А теперь рассмотрим, что произойдет при приходе в точку В пятого импульса. Он пройдет через ключ и, достигнет точки F, переведет триггер В₃ в положение нуля, в результате чего В₃ даст отрицательный импульс, который опрокинет триггер В₄ вернув его в нуль. При переходе в нулевое состояние триггер В₄ в свою очередь даст отрицательный импульс на свой выход Н, откуда он поступит на правый вход триггера В₂ и переведет его в нуль.

Н. — Но этого не может быть! Как только В₂ вернется на нуль, он запрет ключ G и не пропустит этот пятый импульс.

Л. — Мне кажется, что ты еще раз забыл о наличии резистора R и конденсатора С, которые замедлят передачу импульса с выхода триггера В₂ на ключ G. Но даже и без этих резистора и конденсатора не было бы никакой опасности. Пятый импульс сначала проходит через G, затем переводит В₃ в нуль, что вызывает далее переключение В₄ в нуль, и только после этого порождаемый переключением триггера В₄ отрицательный импульс отправляется на триггер В₂. Благодаря всем этим задержкам пятый импульс свободно успевает пройти через ключ С, который он сам позднее запирает.

Н. — Очень умная система. Если я верно понял, здесь имеется четырехпозиционный счетчик, состоящий из триггеров В₃ и В₄, который может считать от 0 до 3. Один из посланных в счетчик импульсов с помощью ключа G направляют в триггер В₂; благодаря такому приему система может считать от 0 до 4, т. е. до 5.

Л. — Ты абсолютно прав, Незнайкин, прими мои поздравления. Сегодня ты в прекрасной форме. Теперь ты понимаешь, что вся система делит на 10, потому что устройство, состоящее из триггеров В₂, В₃ и В₄, возвращается в исходное положение после каждых пяти импульсов, поступающих в точку В, что соответствует десяти импульсам в точке А.

Н. — Я согласен, что твоя схема хорошо считает десятками. Но я не понимаю, как мы зрительно обозначим результат.

Л. — Для этого необходимо с помощью резисторов смешать напряжения с коллекторов четырех триггеров. Подробное описание этих схем покажется очень сложным, но большого интереса не представляет. Запомни только, что легко получить напряжения на десяти независимых проводниках, одно напряжение будет положительным, а остальные отрицательными. Когда вся система стоит на нуле, положительное напряжение подается на проводник, именуемый «нулем», а все остальные проводники имеют отрицательный потенциал. По мере поступления импульсов в декаду положительное напряжение переносится на проводники, обозначенные цифрами 1, и 2 так далее до 9, затем оно вновь возвращается на проводник с отметкой 0. Эти 10 проводников соединены с базами 10 кремниевых транзисторов, способных выдержать высокое напряжение. В цепи коллекторов этих 10 транзисторов включены 10 неоновых лампочек, которые могут загораться поочередно при отпирании транзистора, управляющего соответствующей лампой.

Н. — Такая система требует очень много компонентов. Если я правильно понял, только для обозначения одной цифры потребуется выстроить в линию 10 твоих неоновых ламп и рядом с ними написать цифры от 0 до 9. Должно быть что-то более совершенное. Однажды у одного из моих приятелей, занимающегося ядерной физикой, я видел в приборе счетчик, в котором наподобие электронной лампы на одном и том же месте появлялись ярко видимые красные цифры. Как может быть устроен такой индикатор?

Л. — Ты видел наиболее современный вариант индикатора — газонаполненную лампу цифровой индикации. Индикаторная лампа имеет анод цилиндрической формы и 10 катодов из очень тонкой проволоки, расположенных один за другим; каждый катод имеет форму определенной цифры (рис. 118).

Рис. 118. Цифровая индикаторная лампа. В заполненной неоном колбе находится широкий кольцевой анод (на рисунке он разрезан, чтобы показать конструкцию катодов) и десять катодов из тонкой проволоки, имеющих форму десяти цифр от 0 до 9. Один из катодов всегда подключен, и соответствующая ему цифра светится красным цветом.

К аноду через ограничивающий ток резистор подводится положительное напряжение 250–300 в. Катоды соединены с коллекторами 10 кремниевых транзисторов, о которых я тебе уже говорил. Один из этих транзисторов отперт, а остальные заперты. Потенциал катода открытого транзистора падает почти до нуля, и протекающий по лампе ионный ток заставляет газ вокруг катода светиться, благодаря чему становится видна соответствующая цифра.

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.

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.

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.

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?

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.

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).

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?

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…