22.1.3. Системы памяти

Часто бывает необходимо запоминать информацию в течение времени протекания некоторого процесса с целью ее дальнейшего использования. Например, в системе прерывистой связи необходимо использовать блоки памяти и на передающей, и на приемной станциях. Емкость памяти не должна быть малой, чтобы недостаток емкости не ощущался в тех случаях, когда передача информации еще возможна. С другой стороны, она не должна быть очень большой, чтобы не вносить задержки в передачу информации. В типичных системах прерывистой связи используются замкнутые магнитные ленты или блоки памйти на магнитных сердечниках [26, 150] емкостью до 1000 знаков.

В памяти электронных цифровых вычислительных машин [152] информация хранится в цифровой форме. Для таких машин

характерными является объем памяти, превышающий 100 000 бит, и высокие скорости считывания информации. Требуемая полоса частот цифровой вычислительной машины последовательного типа, в которой каждый двоичный знак занимает временной интервал в 2 нсек, равна Таким образом, предполагается [106, 116, 120], что введение системы со сверхвысокочастотной несущей позволит не только упростить конструкцию различных узлов, но и использовать преимущества структур с распределенными параметрами и специальных приборов сверхвысоких частот.

В цифровых вычислительных системах информативные функции (логики или памяти) выполняются импульсными сигналами, которые можно удобно комбинировать с помощью модуляторов и детекторов. Реальный элемент памяти обладает тем свойством, что он имеет два состояния равновесия, каждое из которых соответствует тому или иному двоичному знаку. Двоичная информация может быть представлена в виде наличия или отсутствия импульса на данном временном интервале, определяемом вспомогательным генератором тактовой частоты. В системах со сверхвысокочастотной несущей входные импульсы представляют собой кодированные импульсы постоянного тока, в то время как функции логики и памяти осуществляются с помощью радиочастотных кодированных импульсов. В последнем случае код определяется либо амплитудой, либо фазой сигнала, извлекаемого из памяти. Например, полное сопротивление полупроводникового диода с точечным контактом может меняться [23, 37, 38, 52] в зависимости от величины приложенного к нему постоянного смещения. Указанное явление используется посредством применения гибридного соединения для управления передачей сверхвысокочастотной энергии по линии. Пределы применимости диодов с точечным контактом были выяснены при конструировании [162] регенеративных замкнутых контуров, т. е. систем обратной связи. На несущей частоте стабильность двоичных импульсов сохранялась при частотах повторения порядка в случае использования таких диодов были получены скорости передачи информации при несущих частотах 11 [137] и [20].

Полезным элементом памяти является параметрический генератор, принцип работы которого, как это показано в разд. 17.2, заключается в передаче энергии частоты накачки колебаниям частоты генератора через среду, представляющую собой нелинейную реактивность. В случае, если частота накачки равна удвоенной частоте генератора, имеет место явление передачи энергии при одном из двух возможных стабильных значений фазы колебаний накачки. Именно такое бистабильное фазирование делает подобную схему практически ценной. Указанные параметрические генераторы индуктивного характера [57, 58] применяются в высокочастотных цифровых вычислительных машинах [130], а генераторы емкостного характера используются в сверхвысокочастотных схемах [96, 176, 177]. Условия работы диодов в параметрических системах были проанализированы в работах [66,67, 181].

На рис. 22.2, а представлена схема типового [136] параметрического генератора, работающего на частоте Радиочастотная схема данного генератора собрана на полосковых линиях. Диод установлен в объемном резонаторе, фильтр же используется для разделения сигналов частоты сигнала и частоты накачки. На рис. 22.2, б представлена зависимость выходного напряжения генератора от величины напряжения накачки.

Рис. 22.2. Характеристики параметрических генераторов с синхронизацией по фазе: а — сверхвысокочастотная схема; б - выходные характеристики; в — частотные характеристики; характеристики в режиме переключения. (См. [136].)

В области при увеличении напряжения накачки от нуля до некоторого значения А выходного напряжения не наблюдается, так как генератор еще не возбудился. В точке А генератор начинает работать в фазе, определяемой либо шумами, либо синхронизирующим сигналом. По мере дальнейшего увеличения напряжения накачки выходное напряжение достигает максимума в точке В (область III), а затем, в конце концов, падает до нуля в точке С. Если в некоторый момент, не доходя до точки С, напряжение накачки начнет уменьшаться, выходное напряжение меняется в соответствии с той же кривой, за исключением того, что прекращение колебаний происходит уже не в точке А, а в точке Область II представляет собой область псевдогистерезисной петли, в которой схема имеет три состояния равновесия. По мере понижения частоты накачки данная характеристика сдвигается вправо. Это означает, что для возбуждения и поддержания колебаний требуется большая величина напряжения накачки. Если частота напряжения накачки увеличивается, характеристика сдвигается влево, а точки приближаются друг к другу и, в конце концов, сливаются, что приводит к исчезновению области с тремя состояниями равновесия. Этот эффект, присущий высокочастотному параметрическому генератору, изображен на рис. 22,2, в.

Существует несколько методов изменения фазы колебаний параметрического генератора. В момент переключения появляется синхронизирующий сигнальный импульс большой амплитуды и нужной фазы. При этом колебания в генераторе сначала затухают, а затем снова возникают, но уже с новой фазой. Если система находится в области с тремя состояниями равновесия, то подача на вход системы подобного импульса приводит к возбуждению колебаний пассивной цепи в требуемой фазе.

На рис. 22.2, г представлена зависимость длительности переключения в периодах высокой частоты от величин синхронизирующего напряжения и напряжения накачки. Оптимальная величина последнего равна 5,5 в. Работа параметрического генератора в режиме совпадения может быть обеспечена путем подачи двух синхронизирующих импульсов, причем ни один из них, будучи подан без второго, не оказывает влияния на схему. Из рассмотрения рис. 22.2, г следует, что при подаче двух таких импульсов с амплитудой, равной, например, 6 в, происходит переключение за время, меньшее, чем 5 периодов. С другой стороны, можно использовать пару импульсов, состоящих из одного синхронизирующего и одного отрицательного импульсов на частоте накачки. Если подача отрицательного импульса на частоте накачки уменьшает величину напряжения накачки до 4,5 в, то появление сигнального импульса с амплитудой 7 в приведет к изменению фазы генератора в течение приблизительно 7 периодов. Для возбуждения процесса установления фазы необходима намного меньшая величина синхронизирующего сигнала, так как приложение напряжения накачки несколько задерживается, в результате чего колебания начинаются от уровня шумов. Ударное возбуждение колебаний, возникающее при подаче большого по амплитуде синхронизирующего импульса, приводит к исчезновению небольшой задержки в установлении колебаний после приложения напряжения накачки. Безусловное переключение достигается путем прерывания наведенных колебаний на определенный интервал времени, в результате чего может быть потеряно целое число полуволн.

Узлы сверхвысоких частот, применяемые в схемах обработки информации, стремятся разрабатывать с намного большей тщательностью, чем высокочастотные. Кроме того, может оказаться необходимым упростить конструкции рассматриваемых узлов за счет некоторого уменьшения потенциального быстродействия последних. Если в процессе обработки информации возникает необходимость выполнения значительного числа логических операций, информационные импульсы необходимо усиливать и восстанавливать [38]. В принципе можно собрать [152] любую комбинированную логическую схему, используя комбинацию элементов «НЕ» или дополнительных к ним элементов «И». Такие функции [20] на сверхвысоких частотах могут выполняться посредством гибридного кольца, изображенною на рис. 22.3, а. Плечо НЕСУЩАЯ содержит «экспандер», образованный полупроводниковым диодом,

помещенным в конце четвертьволнового шлейфа. Если величина радиочастотного напряжения, подводимого к диоду, оказывается недостаточной для его открытия, то режим холостого хода на входе линии приведет к появлению короткого замыкания и передачи мощности происходить не будет. С другой стороны, если величина напряжения высокой частоты, подводимого к диоду, будет достаточна, чтобы создать проводимость, эффективное сопротивление, шунтирующее линию, будет возрастать, в силу чего будет иметь место передача энергии.

Конструктивно схема может быть выполнена в виде полуволнового отрезка, посредством которого можно осуществлять операции, приведенные в табл. 22.2.

Рис. 22.3. Логические схемы сверхвысокочастотных цифровых вычислительных машин: а — полусумматор, изготовленный на основе гибридного кольца из полосковых линий; б - замкнутый волноводами контур памяти. (См. [20, 162].)

Когда на оба входа подаются нули, на выходе плеч СУММА и НЕСУЩАЯ также будут нули. Если импульс на радиочастоте подается только на одно плечо, энергия делится пополам: половина ее проходит на выход СУММА, а другая ее половина, попадающая в плечо НЕСУЩАЯ, ослабляется нелинейным экспандером. В случае, когда на оба входа подаются сигналы одинаковой амплитуды и фазы, на выходе плеча СУММА будет нуль, а полная энергия, проходящая на выход плеча НЕСУЩАЯ, образует двоичную единицу. Недостатком такой простой схемы является то, что фаза сигнала на выходе плеча СУММА зависит от того, на каком из входных плеч присутствует сигнал. От этого недостатка можно избавиться путем включения в схему более двух кольцевых гибридных соединений. Отношение выходных сигналов такой суммирующей цепи, соответствующих появлению единицы и нуля, оказывается больше 15.

В диапазоне сверхвысоких частот время задержки в схемах, особенно в усилителях, подобных лампам бегущей волны,

Таблица 22.2 Таблица операций, выполняемый полусумматором

оказывается всего в несколько раз больше интервала времени, занимаемого одним информационным знаком. От указанного недостатка избавляются [49] путем введения в накопительное устройство ячеек памяти, в которых можно осуществлять временное хранение информации. Несмотря на то, что при изготовлении подобных ячеек памяти приходится сталкиваться с такими проблемами, как выравнивание спинов электронов [56] парамагнитных материалов, использование линии передачи, по которой циркулируют знакопеременные импульсы, является обычным. На частотах порядка такие накопительные устройства имеют вид [137, 162] длинной волноводной петли, снабженной гибридными соединениями, циркуляторами, направленными ответвителями и электронными лампами для подвода, усиления и выделения сигналов.

Экспериментальная петля указанного типа изображена на рис. 22.3, б. В диодном переключателе 52 непрерывный сигнал частотой и мощностью модулируется выходным напряжением стробирующего генератора частотой Таким путем образуются сверхвысокочастотные маркерные импульсы времени. Входной сигнал петли образуется в диодном переключателе и состоит из серии единиц и нулей, определяемых генератором видеоимпульсов. Для обеспечения синхронизации с метками времени входных данных петли, поступающих на вход диодного переключателя генератор видеоимпульсов и стробцрующий генератор запускаются импульсами ртутного релейного импульсного генератора, работающего на частоте 60 гц. Правильная работа петли зависит, кроме того, от точности совпадения информационных и маркерных импульсов в диодном переключателе т. е. от правильной установки полной задержки петли на целое число временных интервалов, равных интервалу между маркерными импульсами. Импульсы, циркулирующие в петле, поступают также на вход двойного волноводного тройника, усиливаются лампой бегущей волны и через балансный детектор поступают на отклоняющие пластины осциллоскопа.