книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

Телефонный коммутатор был первым сложным сигнальным устройством, кото­ рое в процессе работы изменяло свою структуру.

ных аппаратах, и есть датчик адресов, при обратном вращении которо­ го в цепь передаются последовательности импульсов; например, номер БО-65-99 передается, как 2-0-6-5-9-9, или 000000011 — 000000000 —

000111111— 000011111— 111111111— 111111111.

Первая серия импульсов, соответствующая «букве» адреса, может ликвидировать неопределенность в том, с какой из десяти возможных автоматических станций города желает соединиться абонент. Авто­ мат, регулирующий работу телефонной станции, при сигнале потребно­ сти в коммутации, который подается снятием телефонной трубки с ры­ чага, соединяет аппарат с одним из свободных автоматических искате­ лей, представляющих собой не что иное, как десятичное реле, и он при­ нимает второе из десяти возможных состояний: устанавливается по ад­ ресу «Б».

Практически это достигается тем, что якорь реле притягивается электромагнитом два раза, храповое колесо поворачивается на два зубца и контактная планка переходит из нулевого положения на вто­ рой контакт. Цепь от второго контакта идет на другую, вполне опре­ деленную станцию, и поступающие сигналы адреса ликвидируют не­ определенность уже в пяти следующих десятичных реле, установлен­ ных на этой станции.

В настоящее время во всех крупных телефонных, сетях полностью устранена ручная коммутация, и «телефонные барышни» обслужи­ вают только маленькие местные коммутаторы.

Человек, впервые посетивший АТС, бывает поражен обилием и од­ нообразием ее искателей. Телефонная станция обладает обширной «памятью», так как каждый момент в ее состоянии воплощены все

219

долго так и называли «беспроволочным телеграфом» и «беспроволочным телефоном»). Изучая возможность искусственного создания таких сиг­ нальных элементов, которые приближались бы по своим свойствам к живым элементам и, может быть, даже превосходили их по ряду суще­ ственных показателей, мы отмечаем другое: в радиотехнике появились управляющие приборы, которые работают принципиально иначе, чем старые контакты в цепях электрического управления.

Эти приборы получили название электронных и дали начало новой области техники — электронике.

Проводники и изоляторы старой электротехники были материала­ ми с устойчивой характеристикой проводимости, зависящей от нали­ чия свободных электронов, сорванных с внешних оболочек атомов. В металлах таких свободных электронов много, металлы являются хоро­ шими проводниками тока и потому служат материалами для цепей и контактов. В стекле, резине, эбоните и пластмассах электроны связаны прочно, и такие материалы могли применяться для защиты цепей от потерь тока и иных помех.

Электроника открыла, что в двух средах возможно получить дина­ мическую, неустойчивую характеристику проводимости, зависящую от ряда внешних воздействий. Одной из таких сред являются кристал­ лы — полупроводники, другой — глубокий вакуум, почти пустота. От­

220

сюда идет разделение электроники на две отрасли: вакуумную технику и технику полупроводников.

проводников. Кроме того, способность «электронного газа» моменталь­ но реагировать на изменения внешних условий была использована во зсевозможных датчиках, сразу превзошедших чувствительность «ион­ ного газа» в живых клетках.

В 1873 г. физик У. Смит обнаружил, что пластинка из металла селена изменяет сопротивление тока под действием падающего на нее света. Позже было найдено, что в зоне соприкосновения тонкого метал­ лического волоска с кристаллом образуются условия для односторон­ ней проводимости колебаний определенной частоты, как бы электриче­ ский клапан, и радиотехника получила ценнейший прибор — кристал­ лический фильтр — детектор. Исследуя его свойства, русский радиотех­ ник О. К. Лосев в 1922 г. доказал, что аналогичные кристаллические приборы могут служить усилителями и реле.

А - А

К А Т О Д

АНОД

\ ш /

К А Т О

Первые и самые важные электронные вакуумные приборы: двухэлектродная лампазыпрямитель «диод» (вверху) и трехэлектронная лампа-усилитель «триод» (внизу).

Диод похож на клапан, а триод — на вентиль гидравлического устройства.

221

Однако, как и в ионной технике, закономерности протекания про­ цессов в полупроводниках были слишком сложны и неясны. Поэтому вакуумные приборы, появившиеся несколько позднее, временно завое­ вали главенствующее положение в электронике.

В 1884 г. Эдисон построил вакуумный выпрямитель — диод . Ра­ ботая над усовершенствованием электрической лампы накаливания, он обнаружил, что нагретый волосок ее в баллоне, откуда выкачан воздух, испускает электроны. Присоединив один полюс цепи к волоску, а вто­ рой — к электроду, впаянному в стенку лампы, он получал ток в цепи, если подключал к волоску отрицательный полюс — катод. Присоедине­ ние анода к волоску не давало эффекта, так как холодный катод (вто­ рой электрод) электронов не испускал, и вакуум оставался изолятором. Вакуумный диод пропускал ток только в одном направлении (и этим моделировал динамическую полярность нервных клеток).

В дальнейшем вакуумные приборы развивались по трем направ­ лениям. В 1906 г. инженер де Форест превратил диод в усилитель, по­

отрицательный, то электроны отталкиваются от нее, и ток может пре­ кратиться совсем. Сравнительно небольшие колебания потенциала сетки вызывают сильные колебания в цепи, связывающей анод и катод лампы, и лампа работает как усилитель.

В 1918 г. советский радиоинженер М. А. Бонч-Бруевич соединил аноды двух триодов с их сетками так, что образовались две обратные связи. Получился электронный статический т р и г г е р — вакуумный прибор, обладающий двумя резко различимыми (экстремальными) со­ стояниями: в тот момент, когда проводит одна лампа, не проводит другая, а если сигнальный импульс вызовет ток во второй лампе, то первая тотчас перестанет проводить. Импульс вызывает, как говорят, спуск или опрокидывание триггера из одного устойчивого состояния в другое. Таким образом, триггер моделирует другое важное свойство нейрона — закон экстремальности его состояний.

Это качество триггера обеспечивается тем, что переход одной лам­ пы в проводящее состояние сопровождается падением положительного потенциала на ее аноде, обратная связь на сетку второй лампы пере­ дает это изменение, как повышение запирающего отрицательного потен­ циала на сетке; в свою очередь запирание второй сетки приводит к по­ вышению положительного потенциала на аноде второй лампы и через вторую обратную связь приводит к понижению запирающего отрица­ тельного потенциала на сетке первой лампы. В течение ничтожных до­ лей секунды оба эти процесса, влияя один на другой, развиваются ла­ винообразно и вызывают опрокидывание триггера.

222

Опрокинутый триггер сохраняет свое состояние до тех пор, пока небудет выведен из него новым импульсом. Следовательно, он обладает свойством памяти. Кроме того, при очень небольших изменениях в-, схеме триггер может стать постоянным источником однообразных им­

на лампа, например пентод, имеющая три управляющие сетки, распо­ ложенные одна за другой между анодом и катодом. Две сетки соеди­ нены обратной связью так, что запирающий или отпирающий импульс ритмически циркулирует в этом замкнутом контуре, и каждый раз,, когда в анодной цепи появляется следующий импульс, совпадающий поритму, он либо проводится через лампу, либо не проводится. Опроки­ дывание динамического триггера производится гашением импульса в цепи обратной связи и введением нового, противоположного ему по дей­

бинации электронных ламп образуют быстродействующие и надежныемодели этих трех элементов управляющих систем.

Обычный триод может служить элементом отрицания «НЕ»; в этом случае он носит техническое название «инвертор». Входом инвер­ тора служит сетка триода, а выходом — анод. Уже говорилось, что положительный импульс отпирает лампу, а отрицательный запирает ее.

При отпирании лампы положительный потенциал на ее аноде падает, а при запирании он повышается. Таким образом, потенциал сетки прямо

того, чтобы он пропускал ток, необходимо отпирающий потенциал по­ дать одновременно на две сетки (третья используется для повышения устойчивости состояния пентода и соединена обратной связью с ано­ дом). Входами элемента «И», построенного на одном пентоде, служат его сетки, а выходом — катод, так как отрицательный потенциал като­ да падает при возникновении тока в нем, а это возможно только тогда, когда на обеих сетках повышается положительный потенциал.

Таким же элементом «И» могут быть д в а д и о д а : если на их ка­ тоды подается положительный сигнал, то ток прекращается и на соеди­ ненных анодах потенциал повышается; если сигнал подается только на один катод, то он остается низким.

223

Элемент «ИЛИ» получается из тех же двух диодов, когда положи­ тельные потенциалы подаются на аноды, а катоды связаны. Теперь при сигнале на любом из входов одна из ламп начинает проводить, и это дает нужный результат — потенциал на катоде падает.

В первом случае для нас важно, чтобы по сигналу проводили обя­ зательно две лампы, а во втором хотя бы одна лампа.

Но ведь триод и пентод сохраняют свойство диода проводить ток только в одном направлении, следовательно триггер из двух триодов дли одного пентода при соответствующих подключениях может играть роль не только элемента памяти, но и универсального логического эле­ мента, вроде элемента Шеффера или смесителя Неймана!

Так, в одной стеклянной колбочке с тоненькими проводниками электроника сумела воссоздать универсальный элемент для управляю­

ских сигналов. Исследования русского ученого А. Г. Столетова (1839— 1896) показали, что испускать электроны и снижать электрическое со­ противление вакуума может и холодный катод, если он освещен. Это привело к созданию вакуумных элементов, чувствительных к свету,— ф о т о э л е м е н т о в , соответствующих тем светочувствительным клет­ кам, которые являются основной частью органов зрения живых существ.

224

Фотоэлементы были использованы, прежде всего, для создания аппара­ тов, способных автоматически преоб­ разовывать двухмерные изображения в серии электрических сигналов (для «изобразительного телеграфа»). Пер­ вые, очень наивные проекты таких ап­ паратов откровенно подражали уст­ ройству глаза: их пытались составить из множества фотоэлементов и множе­ ства параллельных каналов связи. Но опыт показал, что теоретически равно­ сильная последовательная передача экономит технические средства, и в 1904—1906 гг. появились первые фото­ телеграфные датчики, использующие винтовую развертку. Теперь по стро­ кам развертки перемещался не кон­ такт, а непрерывный или пульсирую­ щий «бегающий луч»— крошечная све­ товая точка. Свет, отраженный от изо­ бражения, попадал в фотоэлемент, и так как количество отраженного света

было пропорционально затемненности каждого из участков изображе­ ния, то в последовательности повышений и снижений силы тока, про­ ходящего через элемент, как в коде, уже содержалось все изобра­ жение.

«Видение» при помощи такого аппарата, конечно, резко отличается от обычного: ведь обычно мы не подставляем рассматриваемые предме­ ты под фиксированное направление зрачка. При попытках передавать естественные, движущиеся изображения по проводам и радио, т. е. в начале телевидения, были разработаны и более совершенные датчики. Подобно тому как это делается в кино, сигналы об изображении были разделены на кадры; для передачи каждого кадра операция развертки повторялась. По - предмету, помещенному в темную комнату, бегал луч, отбрасываемый диском Нипкова с отверстиями, расположенными по спирали, или так называемым «зеркальным винтом» Околисаньи. Изменения освещенности в комнате, соответствующие цвету тех участ­ ков изображения, на которые в каждый из моментов падал луч, воспринимались фотоэлементом и передавались на безынерционную неоновую лампу в виде электрических сигналов. Лампа превращала их в быстрые колебания силы света, а второй приемный зеркальный винт — в быстро бегающую по экрану световую точку переменной яр­ кости. Вследствие инерционности зрения последовательный ряд поло­ жений точки воспринимался глазом, как множество различно освещен­ ных точек, составляющих изображение.

«Электроглаз» явился развитием фотоэлемента. Если на фотокатод с помощью обычной оптики отбросить изображение, то в распределении вылетающих из него электронов это изображение сохранится. Важно, чтобы пути электронов шли параллельно, не смешиваясь. Для развертки весь пучок раскачивают, и через диафрагму на анод пооче­ редно попадают отдельные точки электронного «изображения». Это делают электро­ магниты. Современная передающая трубка телевидения делает то же самое, но'она

накапливает электроны «изображения» и поэтому более чувствительна.

Этот способ не давал хороших результатов, и так называемое «механическое телевидение» скоро уступило место «катодному», для которого электроника воспользовалась дальнейшим развитием принци­ па диода. Но прежде чем расстаться с простым фотоэлементом, заме­ тим, что он нашел применение также в фотоэлектрических трансмит­ терах. Это установки, где комбинации пробивок на бумажной ленте превращаются в электрические сигналы не при помощи контактов, а путем прерывания луча света, идущего от лампочки накаливания к фотоэлементу. Применение фототрансмиттера позволило резко повы­ сить скорость считывания.

Третий важный путь развития электронных вакуумных приборов, идущий от того же диода, привел к получению управляемо движущих­ ся пучков электронов. Ввиду ничтожной массы электронов, изменение направления их полета может совершаться в кратчайшие промежутки времени без инерции. Отклонять же летящие электроны можно при

226

помощи электрических или электромагнитных полей: достаточно сбоку поставить заряженные пластинки или электромагнитные катушки.

Использовав это? принцип, инженеры Дикман и Хелл в 1925 г- построили первую действующую модель глаза, приближающуюся пб свойствам к настоящему. Они выпрямили катод фотоэлемента, так что электроны уже не концентрировались на аноде, а летели параллельно друг другу. Далее, они сделали катод настолько тонким, что он стал прозрачным, и с обратной стороны установили темную камеру с объек­ тивом— подобие яблока и хрусталика глаза. Теперь каждая точка фотокатода испускала электроны с разной степенью интенсивности, в зависимости от изображения, которое проектировалось объективом Вокруг вакуумной колбы они установили отклоняющие электромагни­ ты, отрегулированные так, что сигналы развертки отклоняли все элек­ троны одновременно, толстым пучком. В каждый момент на крошеч1 ный анод попадал только один тонкий луч из всего пучка, но поскольку весь пучок двигался, то на анод поочередно попадали все лучи, и в токе, проходящем через «глаз», поочередно фиксировались освещен­ ности всех участков изображения, спроектированного на катоды. В некотором приближении Дикман и Хелл воспроизвели дрожательные движения глазного яблока, которые направляют на самую чувствитель­ ную точку сетчатки — желтое пятно — поочередно все участки изобра­ жения, привлекающие наше внимание.

Но чувствительность «электрического глаза» Дикмана и Хелла была очень низка по сравнению с обычным фотоэлементом, так как поток, который фокусировался вогнутым фотокатодом, теперь был раз­ делен на множество пучков, из которых ток нес только один.

Возможность совершенствования прибора Дикмана и Хелла и соз­ дания новых лежала в использовании электронного пучка, полученного

нагретым катодом, фокусируются и ускоряются полем электромагнит­ ной катушки так, что пролетают мимо анода к плоскому основанию конуса, на которое нанесен слой люминофора — вещества, способного светиться под действием электронной бомбардировки. Ударяя в люми­ нофор, электронный луч образует в центре экрана светящуюся точку.

ч Ш О Р М А С И Г Н А Л А

Р А З В Ё Р Т К А

л

Электронный осциллоскоп имеет постоянный источник пучка электронов — «пушку» и экран, на котором этот пучок рисует светящуюся точку. В такт колебаниям сигнала электроды развертки раскачивают пучок по горизонтали — получается горизонтальная линия. Но электроды формы сигналов изгибают ее в соответствии с формой сигналов, и мы видим эту форму на экране. Развитием этого прибора явилась приемная трубка

телевидения — кинескоп.

Осциллограф позволил улавливать и изучать быстрейшие периоди­ ческие процессы, он как бы остановил время. Ведь с помощью датчиков

можно превратить в электрические колебания любые существующие в природе параметры явлений и процессов: изменения давления, темпе­ ратуры, освещенности, расстояния, излучение элементарных частиц Все моментальные изменения, происходящие в природе, стали доступ­ ны наблюдению благодаря безынерционное™ электронного пучка. Среди естественных датчиков информации — созданных природой орга­

нов чувств — ничего подобного нет.

Со временем у электронно-лучевой трубки Брауна появилось мно­

го конкурентов и соратников.

Мы рассмотрим только некоторые из них, имеющие непосредствен­

ное отношение к теме этой главы.

Луч, бегающий по экрану трубки, можно заставить прочерчивать линии развертки, которые для невооруженного глаза сольются в один светящийся прямоугольник. Но если этот прямоугольник спроектиро­ вать на любой объект, развертку можно будет считывать простым фо­ тоэлементом.

228