Беленький Я. Е.

доктор технических наук, профессор в области

«Техническая кибернетика и теория информации»

История разработки релаксационных генераторов-

базовых элементов современной дискретной

информационной техники

Аннотация.

В настоящем обзоре описана краткая история изобретения основных элементов информационных приборов – релаксационных генераторов

Открытие схем-релаксационных генераторов

Информационная техника сегодня является двигателем прогресса во всех областях человеческой деятельности.Компьютеры и нотбуки. электронные тетради, персональные телефоны типа Hаndy,фотоаппараты и аппаратура для обработки изображений, киноаппаратура,научные измерительные исследовательские приборы,медицинское оборудование и многое,многое другое -всё основано на формировании дискретного информационного сигнала, в котором в закодированном цифровом виде передаётся, обрабатывается и представляется информация.

Для формирования дискретного информационного сигнала потребовались электронные схемы, которые формировали бы элементы информационного сигнала в виде отдельных импульсов.Сам же информационный сигнал предсталял бы соотвествующий набор этих импульсов.

Однако в начале ХХ столетия,когда были изобретены электронные лампы, внимание специалистов в области элетроники и радиотехники было сосредоточено на разработке схем синусоидальных генераторов, в

частоте которых различными способами модуляции было закодировано вначале речевое сообщение, затем текстовое. В это время ни техника, ни практика не нуждалась в генераторах прямоугольных импульсов.

Тем не менее в в 1916г была открыта. и была опубликована в физическом журнале «Annales de Physique“ американскими физиками А.Абрагамом (A.Abraham) и Е.Блохом (E.Bloch) первая схема генератора прямоугольных импульсов, состоящая из двух электронных ламп. Она представляла собой двухламповый (двукаскадный) усилитель,охваченный положительной обратной связью, с конденсаторными межкаскадными связями.

Положительная обратная связь осуществлялась путём соединения выхода двухкаскадной схемы с её входом за счёт одинаковой полярности входного и выходного напряжения.Такая схема заработала как генератор прямоугольных импульсов, имеющий крутые фронты импульсов (скачки напряжения) и пологие вершины, длительность которых определялась постоянными времени, задаваемыми ёмкостными связями.Длительность фронта импульсов определялась параметрами положительной обратной связи.Эта схема была названа генератором прямоугольных импульсов.

В 1919г. американские учёные В.Икклс (W.Ikkls) и Ф.Иордан (F.Jordan) предложили также двухламповую схему усилителя, охваченную положительной обратной свяью, но с резисторными межкаскадными связями. Такая схема за счёт отсутствия емкостных элементов имела только два устойчивых состояния, в которые она скачком переходила при подаче внешних пусковых импульсов за счёт положительной обратной связи в момент опрокидывания.

Позднее голландский физик Ван-дер Поль, исследовавший импульсные генераторы, назвал автоколебательную схему мультивибратором за счёт того,что она в момент опрокидывания генерировала высокие частоты,а при генерации вершин импульсов низкие частоты.. Схема с двумя устойчи-выми состояниями была названа триггером.В последствии обе эти схемы, имеющие резко отличные по частоте стадии (низкочастотную, названную релаксацией, и высокочастотную, названную опрокидыванием) получили название релаксационных схем или релаксационных генераторов.

В то время трудно было оценить важность этих открытий.Специалисты в области электроники были заняты созданием мощных синусоидальных генераторов, с помощьюкоторых осуществлялась беспроводная радиосвязь на большие расстояния.Так продолжалось примерно 25-30 лет.

Конечно,тогда никто не мог предположить, что релаксационные генераторы станут основой приборов дискретной информатики. Ни авторы этих изобретений, ни специалисты радиотехники не могли оценить их важность.

В 40-ые и 50-ые годы прошлого столетия стало ясно, что развитие

информационных приборов должно основываться на дискретной технике (degital Technik).Толчком к этому выводу послужило развитие и постро-ение точных вычислительных систем.

Аналоговые вычислители всегда имели ограничение по точности, свя-занное с нестабильностью аналоговых устройств.Наибольшая точность, получаемая с помощью аналоговой техники составляла несколько процентов, что было явно недостаточно для развития вычислислений, в частности, для расчёта траекторий баллистических снарядов.Необходимо было строить стабильные, помехоустойчивые вычислители, которые требовала быстро развивающаяся техника, в частности, военная.

Поэтому настоящую оценку релаксационные генерторы получили в середине ХХ века (в 50-е годы) в связи с развитием радиолокации и разработкой приборов вычислительной техники, для реализации которых применялись импульсные схемы, как элементы имеющие два устойчивых (или квазиусточивых) состояния и позволяющие представлять,передавать, обрабатывать и принимать информацию в двоичном коде.

Поскольку самые надёжные элементы должны были иметь минималь-ное число различных состояний, переход в которые мог происходить при помехе наибольшей амплитуды, то отсюда следовало, что в основе вычи-слителей должны быть устройства (схемы) только с двумя устойчивыми состояниями и все вычисления и вычислительные и логические операции также должны быть основаны на элементах с двумя устойчивыми состояниями.

Ещё к началу ХIХ века была разработана Булем алгебра, основанная на двоичной системе счисления, и двоичная логика, у которой были два сим-вола (цифры) ноль и единица. Поэтому именно она была взята основу построения дискретных вычислительных систем.В настоящее время специалисты по информатике ещё в вузах на первых курсах изучают булеву алгебру и двоичную логику, на базе которой разрабатываются современные программы для вычислительных инфомационных устройств.

Поэтому первые дискретные вычислители были построены на простей-ших двоичных элементах - электромагнитных реле.Такие вычислители обладали рядом существенных недостатков. Крайне медленное срабаты-вание большие габариты и вес, и большое потребление электрической энергии.

Естественно, что разработчиков вычислительных приборов вскоре привлекли в качестве элементов двоичной техники - электронные лампы, которые были использованы ещё в 20-х годах американскими физиками А.Абрагамом и Е.Блохом в двухламповой схеме мультивибратора и В.Икклсом и Ф.Иорданом в двухламповой схеме триггера, которые имели два резко отличных состояния :открытая лампа моделировала единицу,а закрытая нуль.

Ламповые схемы позволили в десятки тысяч раз увеличить быстродей-

ствие вычислителей, значительно уменьшить их мощность потребления и

габариты по сравнению с релейными схемами.

В 1948г. американскими физиками У.Шокли, Д.Бардиным и У.Браттейном был открыт транзистор (усилительный эффект на кристал-ле), который позволил заменить лампы и в десятки тысяч раз уменьшить габариты релаксационных схем, их потребляемую мощность и почти во столько раз увеличить быстродействие, они стали основными элементами современных компьютеров и всевозможных дискретных информационных приборов и систем.

Сегодня, спустя столетие после изобретения ламповой схемы триггера, схема триггера в транзисторном исполнении стала основной электронной схемой, используемой в компьютерах и в любом информационном при-боре, поскольку она позволяет запоминать и реализовывать все математи-ческие операции в двоичной цифровой системе счисления, а также буле-вую алгебру, лежащую в основе всех логических, вычислительных опера-ций и операций кодирования и декодирования, задаваемых программа-ми совремённых компьютеров.

Открытие нового класса схем-многофазных

мультивибраторов

Однако история открытия новых релаксационных генераторов на этом не окончилась.

Первые релаксационные схемы состояли из двух каскадов.В пятидеся-тые годы прошлого столетия никто не мог предположить, что в семидеся--тые годы будут открыты эффекты вращения оптической оси при приложении в точке, пропускающей свет, напряжения. В зависимости от этого напряжения точечный кристалл мог пропускать или не пропускать свет.Сразу возникла идея отказаться от электронной трубки, обладающей многим недостаткми.В часности, большим весом и потреблением мощно-сти, сложностью поддержания вакуума в трубке,фокусировки луча,а также необходимостью осторожного отношения к прибору, который представлял стеклянную трубку.

Для реализации экрана,основанного на эффекте управления оптической осью в каждой точке двумерного изображения необходимы были релакса-ционные схемы, создающие последовательность импульсов, сдвинутую во времени и в пространстве, которые могут сканировать дискретные точки изображения по строкам и столбцам изображения, при этом оставаясь экономичными по числу элементов, потребляемой мощности и позволя-ющие получить предельно возможное для транзисторных схем быстродей-ствие.

Это должны были быть схемы, обобщающие двухламповые схемы с

двумя выходами американских учёных (или двухтранзисторные), на

произвольное число выходов, т.е. схемы создающие последовательности импульсов, сдвинутые во времени и в пространстве.

В сентябре 1955г. после окончания радиотехнического факультета Львовского политехнического института автор поступил на работу инже-нером в Институт машиноведения и автоматики (ныне Физико-механи-ческий институт) академии наук Украины и по заданию руководителя группы стал работать над схемой коммутации для 10-канальной измери-тельной станции с временным разделением каналов для электрического карротажа нефтяных скважин на одножильном кабеле.

В основу была взята известная схема кольцевого многофазного квази-синусоидального генератора, описанная в книге Петровича Н.Т. и Козыре-ва В.В. «Генерирование и преобразование электрических импульсов».Была поставлена задача, приблизить форму импульса к прямоугольной, а затем добиться по возможноти чёткого разделения измерительных каналов во времени.

Решить эту задачу автор решил следующим образом.Вначале включить в катодную цепь каждой лампы кольцевого многофазного квазисинусоидального генератора сопротивление, которое будет создавать отрицательную обратную связь, которая сформирует разделённую в пространстве последовательность полусинусоид.Однако затем с целью уменьшения числа элементов было включено одно общекатодное переменное сопротивление, которое можно было увеличивать и уменьшать.

Совершенно неожиданно при определённой величине сопротивления в общекатодной цепи на экране осциллографа скачком вместо улучшенного квазисинусоидального напряжения возникли импульсы с крутыми фронтами и пологими вершинами и чёткими интервалами между ними.

Cтало ясно, что это новый неизвестный импульсный режим и основной вопрос, который возник, появляются ли эти импульсы во всех каскадах, т.е. сдвинуты ли они во времени и в пространстве.Если это так,то открыт новый класс импульсных схем, генерирующий импульсы, сдвинутые во времени и в пространстве, которые, естественно, можно использовать в качестве коммутатора в многоканальных системах с временным разделением каналов при этом открыта и потребляет ток только одна генерирующая импульс лампа, а остальные закрыты.

Этот совершенно новый класс импульсных релаксационных генераторов, каждая схема которого состоит не из двух каскадов, как генераторы Иордана, Абрагама,Икклза и Блоха, а, в принципе, из произвольного числа каскадов была названа многофазным мультивибра-тором. Впоследствии этот термин,предложенный автором по отношению к многофазным схемам, «легко» вошел в техническую литературу, поскольку правильно отображал суть работы схемы.

В 1957г.было получено первое советское авторское свидетельство

№105479 на приципиально новую импульсную схему под названием «Многофазный мультивибратор».с приоритетом от 9 февраля 1956г, которая положила начало целому классу новых релаксационных схем.

В дальнейшем автором была разработана углублённая теория работы этого класса схем. Полученное автором заочно второе высшее универ-ситетское образование - «математик» позволило углубить теорию колебаний для этого класса схем.Оказалось,что их работа описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений 2n-мерного порядка с малым параметром при старших производных, что представляло большой теоретический интерес и как математическая проблема.

Общей теорией этого класса уравнений занимался известный советский математик, академик Л.С.Понтрягин.Полученные уравнения для много-фазных мультивибраторов дали первый и, возможно, единственный при-мер реально существующей схемы, описываемой этой системой уравнений при n больше 2.

Была разработана качественная теория этих схем, которая показала, что эти схемы обладают целым рядом режимов генерации нескольких импуль-сов, которые были названы серийными.Самый устойчивый режим работы, как показала теория и практика, был режим генерации одного импульса за период. Были предложены автором в 1958-1960г.ещё ряд многофазных схем, на которые было получено 13 авторских свидетельств в том числе и многофазные триггеры.

рис.1.

На рисунке 1 показана принципиальная электрическая схема 5-фазного мультивибратора на p-n-p транзисторах и осцилограммы напряжений на коллекторах 1-ой,2-ой и 5-ой фазы (верхняя осцилограмма) и напряжений на базе,коллекторе и общеэмиттерном сопротивлении (нижняя осцилограмма).

Отличительные свойства многофазных релаксаторов

от известных схем,создающих последовательность

импульсов, сдвинутых во времени и в пространстве.

Схемы многофазных релаксаторов обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими схемами, создающими сдвинутую во времени и в пространстве последовательность импульсов, например,по сравнению с цепочкой двухфазных триггеров с декодером.

Во-первых, они предельно экономичны по потреблению электрической энергии, потребляет только один каскад, генерирующий в данный момент импульс.Это в число раз, равное числу фаз, уменьшает мощность потреб-ления цепочки двухфазных релаксационных схем и позволяет нагружать генерирующий каскад значительным током для получения высокого быстродействия.

Во-вторых, она имеет минимальное число элементов на один каскад и, тем самым, легко может быть реализована,особенно в микроминиатюрном исполнении, в частности, в виде транзиторных интегральных схем.

В-третьих, она может работать в различных режимах управления: 1.автоколебательный с тактированием каждого импульса одним стабиль-ным по частоте генератором для получения высокой стабильности по длительности каждого импульса,

2.ждущий режим с запуском от первого каскада и генерацией серии импульсов, равной числу каскадов,

3. шаговый со сдвигом от каждого пускового импульса (многофазные триггеры).

Каждый каскад многофазного триггера состоит из двух транзисторов разного типа проводимости при этом независимо от числа звеньев в цепи открыто только одно звено.

Материалы этих работ были опубликованы в первых двух монографиях автора [1,2].

Со временем стало ясно,что следует проводить более глубокое изучение возможностей этого класса импульсным схем в прикладном плане.

Вначале 70-х годов были детально исследованы предельно частотные свойства этого класса схем. Было показано,что максимальная частота, которая может быть получена для релаксационных схем на кремневых транзисторах, имеет порядок 4-5 ГГц.Для многофазных мультивибраторов граничная частота ещё зависит и от числа каскадов.Были выявлены физи-ческие причины ограничения частотных свойств релаксаторов[3]..

Интересно отметить,что сегодня самые высокоскоростные процессоры

современных компьютеров имеют частоту порядка 3,6 ГГц.Дальнейшее

повышение скорости работы компьютеров достигается не увеличением частоты импульсного тактового генератора, а путем увеличения числа процессоров.

Были проведены работы по исследованию многофазных мультивибра-торов с магнитными межкскадными связями [4],одновременно проводи-лись работы по их использованию в различных многоканальных информационных системах [5,6].

Управление многофазными релаксационными генераторами

Особое внимание было уделено вопросам управления релаксационными схемами, вообще, и многофазными, в частности.Известно, что ценность ре-лаксацонных схем: триггеров и мультивибраторов, используемых в дискретной технике состоит в том,что они управляются внешним напряжением: не только синхронизируются, как синусоидальные генераторы, но и синфазируются,т.е. срабатывают в момент подачи управляющего импульса.И наибольший интерес представляет проблема управления в высокочастотном диапазоне работы импульсных схем (длительность импульсов порядка и менее 1нс) и выявления причин потери управления.

Известная теория управления, разработанная ещё в 30-х годах,не только не отвечала на этот вопрос, но давала неточные рекомендации. Классические зоны сихронизации (а точнее зоны синфазирования для импульсных схем) показывали, что импульс релаксатора можно уменьшать до сколь угодно малой величины, что не соответствует действительности, в действительности эти зоны ограничены слева.

Основная причина оказалась в том,что с повышением частоты управ-ления длительность фронта релаксационной схемы становится соизмери-мой с длительностью вершины и релаксационная схема приобретает свой-ства квазисинусоидального генератора, который не синфазируется, а син-ронизируется,т.е. работает с частотой управляющих импульсов или ей кратной, а быстрая стадия опрокидывания начинается в различной фазе по отношению к импульсам управления, что не даёт возможности их исполь-зовать в информационных системах, преобразующих дискретную инфор-мацию в строго фиксированные моменты времени. Авторами были получены зоны синфазирования мультивибраторов на предельно высоких частотах и показаны причины их ограничения слева.

Все эти вопросы были изложены в монографии [7],за которую авторы получили престижную именную премию Национальной Академии наук Украины в области энергетики в 1988г.

Использование многофазных релаксаторов

в приборах информационной техники

Наиболее широкое распространение в 50-е годы многофазные релакса-торы получили в многоканальных информационных системах с временным разделением каналов различного назначения в качестве коммутаторов каналов (распределителей во времени и в пространстве).

Многофазные релаксаторы позволяют осуществлять одномерное скани-

рование в пространстве, а также двумерное или трёхмерное, что необхо-димо для воспроизведения изображений, в частности, в современных фотоаппаратах и плоских мониторах, а также дискретно сканировать элек-тронные запоминающие устройства типа USB Flash Drive.

Необходимо отметить,что спустя примерно 20 лет подобный эффект переноса, но уже электрического заряда, был открыт в кристаллах, что привело к построению кристаллических фотоматриц, которые стали основой сегодняшней фотоаппаратуры.

До сегодняшнего дня интерес к многофазным релаксаторам не пропал и в интернете можно обнаружить новые работы различных авторов по мно-гофазным схемам и их применению.

В настоящее время в связи с разработкой дискретных мониторов, ми-кроминиатюрных фотосенсорных камер,элементов памяти типа Stick, жидкокристаллических мониторов интерес к многофазным релаксаторам как предельно экономичным по потреблению и числу элементов схемам, создающим сдвинутую во времени и в пространстве последовательность импульсов, сканирующих пространство по строкам и столбцам, должен существенно возрасти.

Сегодня в габаритах 1/3 спичечной коробки размещают память порядка 15-18 ГГбайт, которая основана только за счёт схемных релаксационных элементов.Одна спичечная коробка может иметь память до 60ГГбайт,а в габаритах коробки сигарет размещают память порядка 300ГГбайт. .

Если учесть,что SanDisk потребляет милливатты, срабатывает со скоростью не механического диска памяти,а со скоросью переключения релаксационных схем (единицы наносекунд), легко заменяется,то можно точно считать,что через недолгое время все механические диски в компьютерах будут заменены на чисто электронную память на дисках типа SanDisk.Естественно, будут заменены CD-диски и уже многие потребители в качестве памяти CD –дисками не пользуются, а только SanDisk-ми.

Если взять обычный СD-диск, то он имеет диаметр 12 см и объём памяти порядка 600-700МГбайт.Получается,что 20 таких дисков имеют память одного SanDisk-ка. Кроме того использование дисков связано с механическим движением записывающего и воспроизводящего устройства. Поэтому сейчас твердые диски памяти заменяют в современ-

ных компьютерах памятью типа SanDisk (Cruzer Mikro или Flash Drive).

Ясно,что в ближайшее время они вообще перестанут использоваться.

Разработка качественной теории многофазных мультивибраторов пока-зала, что эта схема одновременно реализует новый ранее неизвестный фи-зический эффект : «дискретного, скачкообразного переноса в пространстве

локальной зоны импульсного возбуждения в виде импульса напряжения или магнитного возбуждения, возникаемой в однородной цепочечной (связанной) электронной среде (единой схеме)». Запатентовать это как физический эффект не удалось,поскольку в бывшем СССР в те годы не выдавали патенты частным лицам.

Сегодня схемы многофазных релаксаторов уже вошли в учебники, в энциклопедии и стали в определённом смысле «всенародными», упоминание об авторе перестало быть необходимым, с чем приходится «мириться».

К сожалению, в связи с политическим противостоянием между бывшим Советским союзом и западными государствами автор не имел возможности публиковаться в западноевропейской научной литературе. Поэтому даже в современных западноевропейских учебниках по импульсной технике для вузов описаны лишь релаксационные схемы с двумя состояниями (двухфазные),что уже более 50-ти лет не соответствует действительности.Однако преподаватели западноевропейских вузов знакомы с многофазными релаксаторами.В русскоязычном интернете [Google, «беленький, многофазные мультивибраторы» или «беленький, многофазные релаксаторы»], работы автора широко представлены.В интернете также указаны вузы,учебная литература,в которой описаны многофазные схемы, правда порой с ошибками в описании процессов и выводах формул.

Однако автор полагает,что более широкое внедрение многофазных релаксаторов ещё ждёт своей реализации и возможно только тогда,когда в учебниках и в литературе и в учебниках по импульсной технике на английском, немецком и других европейских языках информация о многофазных релаксационных генераторах получит такое же распростра-нение, как и об обычных - двухфазных.

Отметим,что работа над многофазными схемами позволила автору организовать известную в союзе научную школу.На эту тему только под руководством автора было защищено 10 диссертаций и опубликовано около 200 научных работ.

Сегодня релаксационные генераторы как двухфазные, так и многофаз-ные являются базовыми элементами современной дискретной информа-ционной техники, основой современных приборов информатики, которая развивалась и развивается с огромной скоростью, что позволяет ей делать, как писал в своём завещании «отец» Нобелевской премии, изобретатель динамита, шведский учёный Альфред Нобель, « наибольший

вклад в развитие человечества».Часть этого вклада внесло изобретение

многофазного мультивибратора и последующее развитие тематики, связанное с многофазными релаксационными схемами.

Фото и список монографий автора

1.Я.Е.Беленький, «Многофазные релаксаторы »,издательство украинской

Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1964г.,240 стр.

2.Я.Е.Беленький,«Многофазные релаксационные схемы на транзисторах »,

издательство «Связь»,Москва,1972 г.130 стр.

3.Я.Е.Беленький,А.Г.Тищенко «Многофазные мультивибраторы наносекундного диапазона»,издательство украинской Академии Наук «Наукова думка», Киев,1972г.,156 стр.

4.Я.Е.Беленький, О.Е.Левицкий «Многофазные магнито-транзисторные релаксаторы», издательство украинской Академии Наук «Наукова думка»,

Киев,1974г.,158 стр.

5.Я.Е.Беленький,Б.М.Кац «Многоканальные бесконтактные сигнализаторы температуры»,издательство «Энергия»,Москва 1974 г.120 стр.

6. «Коммутаторы аналоговых сигналов на полупроводниковых элементах » под редакцией Я.Е.Беленького,авторы Я.Е.Беленький,Я.П.Маршалок, А.Г.Тищенко, Э.К.Туфлин, издательство «Энергия»,Москва,1976 г.208 стр.

7.Я.Е.Беленький,В.В.Кошевой, «Системы пространственно-временного преобразования информации»,под редакцией д-ра техн.наук Я.Е.Беленького, издательство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1979г.,259 стр.

8. «Управление релаксационными генераторами» под редакцией доктора

технических наук Я.Е.Беленького,авторы:Я.Е.Беленький, О.Е.Левицкий,

В.А.Халин,С.Г.Шульгин, издательство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1982г.,280 стр.

9.Я.Е.Беленький, «Измерение параметров пространственных полей» , изда-тельство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1985г.,288 стр.

10.Я.Е.Беленький, «Принцип квазиортогональности в измерениях» , издательство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев, 1992г.,224 стр.

Список монографий автора

по многофазным релаксаторам и их внедрению

1.Я.Е.Беленький, «Многофазные релаксаторы »,издательство украинской

Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1964г.,240 стр.

2.Я.Е.Беленький,«Многофазные релаксационные схемы на транзисторах »,

издательство «Связь»,Москва,1972 г.130 стр.

3.Я.Е.Беленький,А.Г.Тищенко «Многофазные мультивибраторы наносекундного диапазона»,издательство украинской Академии Наук «Наукова дум-

ка», Киев,1972г.,156 стр.

Киев,1974г.,158 стр.

7. «Управление релаксационными генераторами» под редакцией доктора

технических наук Я.Е.Беленького,авторы:Я.Е.Беленький, О.Е.Левицкий, В.А.Халин,С.Г.Шульгин, издательство украинской Академии Наук «Наукова

думка»,Киев,1982г.,280 стр.

Сконвертировано и опубликовано на http://SamoLit.com/