Электроника?.. Нет ничего проще!
Шрифт:
Н. — Я хорошо понял различие. Аналоговые машины представляются мне значительно более простыми и более симпатичными, чем цифровые. Устройство аналоговых машин понять намного легче.
Л. — Отчасти это верно. Но необходимо отметить, что аналоговые машины значительно уступают цифровым по точности производимых вычислений: получить 1 % довольно легко, а перешагнуть 0,1 % очень сложно. Иначе говоря, аналоговую технику можно рекомендовать в тех случаях, когда особой точности не требуется.
Устройство аналоговых вычислительных машин внешне проще, но не забывай, что создать операционный усилитель довольно сложно, так как в дополнение к исключительно высокому коэффициенту усиления (часто выше 100 000) он должен обладать еще целым рядом качеств, которые я тебе уже назвал.
Н. — А как достигают такого результата?
Л. — Обычно используют один из модуляторов, отрезающих все или ничего, о которых я тебе уже говорил. Вместо механического модулятора чаще ставят модулятор на транзисторах или систему на фоторезисторах (резисторах, омическое сопротивление которых зависит от освещенности). Такие устройства могут иметь очень ограниченную полосу пропускания, что оказалось бы существенным препятствием для использования глубокой отрицательной обратной связи. Для предотвращения такой опасности используют довольно сложную схему, именуемую схемой Гольдберга, в которой переменную составляющую входного напряжения подают в заданную точку усилителя, а постоянную составляющую передают через предварительный усилитель, снабженный модулятором и детектором. Все это устройство достаточно сложно, но оно практически является наилучшим решением, способным обеспечить очень высокий коэффициент усиления, хорошую стабильность и дать возможность применять очень глубокую отрицательную обратную связь. Не забывай, что в приведенной на рис. 151 схеме при R1 = R2 я устанавливаю коэффициент отрицательной обратной связи, равный коэффициенту усиления усилителя, а я тебе уже говорил, что он может быть порядка 100 000.
Н. — Теперь я понял, почему ты всегда говорил, что потенциал входа А следует считать ничтожно малым. Но я также понял, что эти операционные усилители ужасно сложны и, по-видимому, очень дороги.
Л. — И ты не ошибся, Незнайкин. Эти усилители в самом деле очень дороги, а в большой аналоговой вычислительной машине их может быть очень много.
Н. — Я не очень хорошо понимаю, почему их столько нужно. Не можешь ли ты на примере объяснить мне возможности аналоговых вычислительных машин?
Л. — Как ты знаешь, в механике существуют качающиеся системы. Всякое обладающее массой тело, удерживаемое в каком-либо определенном положении пружиной, воздействующей на него с силой, пропорциональной расстоянию между положением тела и собственным положением покоя, начинает качаться, если его силой сдвинуть с занимаемого им положения. В одной машине может быть несколько таких систем. Так, например, когда ты одним колесом своей микролитражки въезжаешь на тротуар, смещение колеса вверх передает определенный импульс на колеса. На самом колесе имеется амортизированная качающаяся система, которую ты называешь барабаном. Колесо соединяется с корпусом автомобиля подвеской, которая служит второй качающейся системой. Толчок, вызываемый въездом на тротуар, смягчается эластичным устройством — шиной. С помощью схем, состоящих из конденсаторов и катушек, мы можем имитировать качающиеся системы, а их механические амортизаторы можно имитировать последовательно включенными резисторами; таким образом, мы создадим электрические аналоги наших механических систем. Для имитирования въезда на тротуар мы подадим соответствующий электрический импульс на всю совокупность используемых схем, которая представляет автомобиль (а вернее, его поведение).
Н. — Это в самом деле очень хорошо. Таким образом мы устраняем риск повреждения шины.
Л. — Это не единственное положительное качество. При моделировании мы можем изменять масштаб времени. Электрическое явление в точности соответствует поведению механической системы (например, напряжение на определенном
электроде воспроизводит движение автомобиля во времени), но происходит оно в другом масштабе времени. Или, как говорят кинорежиссеры, совсем не обязательно работать в «реальном времени». Поэтому мы, например, можем сделать так, что электрические процессы будут протекать медленнее воспроизводимого ими явления, что облегчит запись выходного напряжения. В других же случаях может понадобиться, наоборот, ускорить эволюцию электрического эквивалента изучаемого явления.Н. — В этом я не вижу никакой пользы, ведь намного интереснее получить возможность внимательно, не торопясь проследить за ходом развития явления.
Л. — Да, если это очень быстрое явление. Но может понадобиться исследовать и какую-либо очень медленную эволюцию. Как, например, проследить за работой большого парового котла, питающего турбину. Изменение огня в топке из-за значительной тепловой инерции котла скажется на давлении пара только через значительное время. Поэтому очень интересно создать аналоговую модель котла и турбины, позволяющую в любой момент узнать, как будет реагировать вся установка на уменьшение или увеличение подачи угля на одну лопату. Проводя такой ускоренный предварительный анализ поведения установки, мы получаем возможность расходовать топливо с максимальной рентабельностью.
Н. — По сути дела, это современный вариант хрустального шара колдунов — с помощью своего метода ты прекрасно предсказываешь будущее!
Л. — Ты преувеличиваешь — я могу «предсказать будущее» лишь в той мере, в какой оно строго подчиняется простым математическим законам. Только в этом случае имеется возможность экстраполировать во времени последствия относительно ограниченного действия.
Н. — До того момента, когда все электронные автоматы восстанут против своих творцов.
Л. — Я попрошу тебя! Пожалуйста, не заимствуй дурной насыщенный стиль у бульварной прессы! Не забывай, что ни одна электронная машина не даст тебе того, что ты в нее не вводил. Она также не может восстать или попытаться проглотить своего конструктора, как автомобиль, в котором никого нет, не может сам броситься в погоню за своим водителем. Успокойся, Незнайкин, мы ознакомились со многими вопросами электроники, а в этой науке мне больше всего нравятся ее удивительные возможности помочь человеку. Электроника обеспечит прогресс техники, который сегодня нельзя даже представить себе, но который в значительной мере пойдет на благо человечеству,
Н. — Если ты перешел к таким большим обобщениям, я должен сделать вывод, что мы закончили нашу беседу.
Л. — Нам еще предстоит об очень многом поговорить. Я предлагаю тебе, Незнайкин, подумать пару недель, а затем вновь прийти ко мне, чтобы разом и в любом порядке задать мне вопросы по всем темам, которые кажутся тебе наиболее сложными. Я надеюсь, что таких вопросов окажется не очень много и мы быстро покончим со всем, что осталось неясным.
Беседа семнадцатая
ПУТЕШЕСТВИЕ ВОКРУГ РАДИОЛОКАТОРА
У Незнайкина масса вопросов. Почти все они возникли во время экскурсии на радиолокационную станцию и при чтении ее технического описания. С помощью Любознайкина он знакомится с техникой сверхвысоких частот: с магнетронами. клистронами, коаксиальным кабелем, радиолокационным антенным переключателем «передача — прием», стабилизаторами напряжения питания и системой передачи угла поворота с помощью сельсинов. Полностью отдавшись увлечению, Незнайкин строит грандиозные планы, показывая тем самым, что в электронике для него не осталось никаких секретов.
Любознайкин — Ну как, Незнайкин, много ли ты набрал вопросов, которые ты хочешь мне задать?
Незнайкин — Великое множество, но я думаю, что на многие из них я мог бы и сам найти ответ. Я отобрал лишь некоторые вопросы, которые возникли у меня на прошлой неделе, когда я совершил экскурсию на радиолокационную станцию. Для начала попрошу тебя объяснить мне, как работает магнетрон.