Читать книгу "Код. Тайный язык информатики - Чарльз Петцольд"

Такая цепь называется осциллятором. По сути она отличается от всех устройств, которые мы рассматривали ранее. Все виденные нами схемы изменяли свое состояние только при вмешательстве человека, который замыкал и размыкал переключатель. Однако осциллятор не нуждается в человеке, он работает сам по себе.

Разумеется, в отрыве от окружения осциллятор не очень полезен. Далее в этой и последующих главах мы увидим, что такая схема, подключенная к другим схемам, является важной частью автоматизации. Во всех компьютерах присутствует некий осциллятор, обеспечивающий синхронную работу остальных частей.

Значение выхода осциллятора чередуется между 0 и 1. Часто этот факт изображается с помощью диаграммы.

Эту диаграмму можно воспринимать как график, по горизонтальной оси которого отложено время, а по вертикальной — выходные значения 0 и 1.

Все это говорит о том, что с течением времени выходное значение осциллятора регулярно изменяется с 0 на 1. По этой причине осциллятор иногда называют часами, поскольку он позволяет определить время: достаточно подсчитывать количество колебаний.

Как быстро будет работать осциллятор? Насколько быстро будет вибрировать металлический контакт реле? Сколько раз в секунду? Очевидно, это зависит от конструкции реле. Легко представить большое, неуклюжее реле, которое медленно замыкает и размыкает контакт, и небольшое легкое реле с быстро вибрирующим контактом.

Цикл осциллятора — интервал, в течение которого его выход изменяется, после чего возвращается к исходному значению.

Время, которое занимает один цикл, называется периодом осциллятора. Предположим, период нашего осциллятора равен 0,05 секунды. Вдоль горизонтальной оси мы можем отложить время в секундах начиная с некоторого произвольно выбранного нулевого момента.

Частота осциллятора равна единице, поделенной на период. В данном примере, если период осциллятора составляет 0,05 секунды, его частота 1 / 0,05 = 20 колебаний в секунду. Выход осциллятора изменяется и возвращается к исходному значению 20 раз в секунду.

Количество колебаний в секунду — такой же логичный термин, как количество километров в час, килограммов на квадратный метр или калорий на порцию, однако он больше не используется. В память о Генрихе Рудольфе Герце (1857–1894), который первым передал и принял радиоволны, говорят «герц». Сначала это слово начали применять в Германии в 1920-х годах, а затем за несколько десятилетий термин прижился и в других странах.

Таким образом, можно сказать, что наш осциллятор имеет частоту 20 герц, или 20 Гц (сокращенно).

Конечно, мы произвольно указали частоту одного конкретного осциллятора. В конце этой главы мы сможем соорудить то, что позволит фактически измерить данный параметр.

Чтобы начать работу над этим устройством, давайте рассмотрим пару вентилей ИЛИ-НЕ, соединенных определенным образом. Вероятно, вы помните, что на выходе вентиля ИЛИ-НЕ есть напряжение, только если напряжения нет ни на одном из его входов.

Вот схема с двумя вентилями ИЛИ-НЕ, двумя переключателями и лампочкой.

Обратите внимание на необычную схему проводки: выход левого вентиля ИЛИ-НЕ — это вход правого вентиля ИЛИ-НЕ, а выход правого вентиля ИЛИ-НЕ — вход левого вентиля ИЛИ-НЕ. Такое соединение называется обратной связью. Действительно, как и в случае с осциллятором, выход становится входом. Эта особенность будет характерна для большинства схем, приведенных в данной главе.

Сначала ток в этой цепи будет течь только от выхода левого вентиля ИЛИ-НЕ. Это связано с тем, что оба входа данного вентиля равны 0. Теперь замкните верхний переключатель. Выход левого вентиля ИЛИ-НЕ становится равным 0, а это значит, что выход правого вентиля ИЛИ-НЕ равен 1, и лампочка загорается.

Волшебство наблюдается, когда вы размыкаете верхний переключатель. Поскольку выход вентиля ИЛИ-НЕ — 0, если один из входов — 1, выход левого вентиля ИЛИ-НЕ не изменяется, и лампочка не гаснет.

Не кажется ли вам это странным? Оба переключателя разомкнуты, как и на первом рисунке, однако теперь лампочка горит. Эта ситуация, безусловно, отличается от тех, что мы видели ранее. Обычно выход цепи зависит только от ее входов. Похоже, в данном случае это не так. Более того, на этом этапе вы можете замкнуть и разомкнуть верхний переключатель, и лампочка не погаснет. Этот переключатель больше не влияет на цепь, поскольку выход левого вентиля ИЛИ-НЕ остается равным 0.

Теперь замкните нижний переключатель. Поскольку один из входов правого вентиля ИЛИ-НЕ равен 1, выход становится равным 0, лампочка гаснет. При этом выход левого вентиля ИЛИ-НЕ — 1.

Если вы разомкнете нижний переключатель, лампочка останется выключенной.

Мы вернулись туда, откуда начали. Теперь вы можете замкнуть и разомкнуть нижний переключатель, не повлияв на лампочку. Подытожим:

при замыкании верхнего переключателя лампочка загорается и остается гореть при размыкании верхнего переключателя;

при замыкании нижнего переключателя лампочка гаснет и не загорается при размыкании нижнего переключателя.

Странность этой схемы заключается в том, что, когда оба переключателя разомкнуты, иногда лампочка горит, иногда — нет. Можно сказать, что эта схема имеет два устойчивых состояния, когда оба переключателя разомкнуты. Называется такая схема триггером, и его история началась в 1918 году с работы английского радиофизика Уильяма Генри Эклза (1875–1966) и Фрэнка Джордана (о котором мало что известно).

Триггер сохраняет информацию, «помнит». В частности, показанный ранее триггер помнит, какой переключатель был замкнут последним. Если вы столкнулись с таким триггером и видите, что лампочка горит, можете предположить, что последним был замкнут верхний переключатель; если лампочка не горит — нижний.