МНОГОЗНАЧНЫЕ СХЕМЫ

— класс схем, выходные информационные сигналы в которых принимают более двух дискретных значений, причем каждое значение информационного сигнала определяется состоянием одного выхода схемы. Интенсивное исследование принципов построения М. с. и их применение началось в 60-х годах 20 ст.

Проблематика изучения М. с. имеет много общего с проблематикой, возникающей при изучении тех. схем дискретной техники, режим работы которых характеризуется двумя устойчивыми состояниями (двоичных схем). Существуют различные аспекты изучения М. с.: с точки зрения природы используемого физ. явления, по способу кодирования устойчивых состояний, с точки зрения особенностей хранения и переработки информации, в плане принципов построения и методов тех. реализации их и пр. Вместе с тем количественное изменение определенных характеристик режима работы в М. с. связано с целым рядом качественных изменений в их структуре, принципах построения и методах тех. реализации, способах использования тех или иных физ. явлений. В соответствии с этим М. с. имеют ряд специфических особенностей. Эти особенности представляют не только самостоятельный теоретический интерес (напр., с точки зрения схемотехники), но и имеют существенно важное прикладное значение.

В М. с. используют электромагн., акустические, пневматические и гидравлические явления. Наиболее изученными и разработанными

в плане практических приложений М. с. являются электромагн. схемы.

Характеристики М. с. с точки зрения способа кодирования устойчивых состояний независимо от природы используемого физ. явления приведены на классификационной схеме (рис. 1). С точки зрения особенностей хранения и переработки информации различают схемы без свойства запоминания и схемы, обладающие этим свойством. М. с. со свойством запоминания в литературе еще наз. схемами со многими устойчивыми состояниями, или много устойчивыми.

Принципы построения М. с. определяются, прежде всего, особенностями хранения и переработки информации на их основе, а также выбором того или иного способа кодирования устойчивых состояний, природой используемого физ. явления и т. п. В М. с. без свойства запоминания независимо от того, задерживают они сигнал или нет, устойчивые состояния режима работы обеспечиваются соответствующим выбором характеристик (квантованием значений) информационных сигналов таких схем. В соответствии с этим общий принцип их построения состоит в использовании некоторого проходного четырехполюсника с входным сигналом, принимающим определенное число дискретных значений, и монотонной зависимостью выходного сигнала от входного. В силу указанной особенности М. с., не обладающие свойством запоминания, самостоятельного значения не имеют и при построении устр-в преобразования дискретной информации их обычно используют в сочетании с М. с., обладающими свойством запоминания.

Один из наиболее широко применяемых принципов построения М. с. со свойством запоминания основан на использовании четырехполюсника (см. рис. 2, а) с нелинейной (напр., ступенчатого вида, рис. 2, б) амплитудной характеристикой охваченного цепью обратной связи (ОС) При этом выполняются соотношения

Если цепь обратной связи Р линейна и характеризуется выражением , где k — коэфф. усиления цепи обратной связи, постоянное напряжение смещения на ее выходе, то в этом случае поведение схемы (рис. 2, а) описывается следующей системой уравнений:

Устойчивым состояниям режима работы схемы при графическом решении системы (2) соответствуют точки пересечения характеристики четырехполюсника и прямой обратной связи, в которых выполняется . Число точек пересечения, а, следовательно, и устойчивых состояний в общем случае определяется видом характеристик четырехполюсника и цепи обратной связи, а также их взаимным расположением. В простейшем случае, когда цепь линейна и положение прямой определяется выбором значений k и общая задача построения М. с. практически сводится к построению четырехполюсника с нелинейной амплитудной характеристикой требуемого вида. Осн. идея построения четырехполюсника этого типа состоит в том, чтобы обеспечить возможность преобразования нелинейной зависимости между некоторыми величинами и, имеющими, вообще говоря, различную физ. природу, в требуемую амплитудную характеристику. В общем случае такая возможность обеспечивается в результате выполнения ряда последовательных преобразований ивых На практике однако, как правило, оказывается достаточно выполнить всего два преобразования, из которых, по крайней мере, одно нелинейно. При этом результирующая характеристика четырехполюсника принимает вид

В зависимости от характера физ. величин, а также вида преобразований над ними в соответствии с (3) различают М.с.: статические, преобразования в которых выполняются над величинами, не зависящими явно от времени, и динамические, в которых, по крайней мере, одна преобразуемая величина является явной ф-цией времени или частоты гармонических колебаний. Динамические М.с., преобразуемое напряжение в которых изменяется по гармоническому закону, наз. гармоническими. Динамические схемы, преобразуемое напряжение в которых представлено периодической последовательностью импульсов, наз. импульсными. Если признак устойчивого состояния вырабатывается в самой схеме и практически полностью определяется значениями ее параметров, то такая М. с. наз. автономной. Схема, в которой признак, определяющий устойчивые состояния, вырабатывается внешними по отношению к ней устройствами (напр., в схемах, использующих перестраиваемую избирательную систему, это генератор, сигналы на выходе которого содержат требуемый спектр частот), наз. неавтономной. В неавтономных М. с. признаки устойчивых состояний практически не зависят от их параметров. Это, как правило, приводит к повышению их стабильности и улучшению ряда других важных тех. и эксплуатационных характеристик.

В зависимости от схемотехнических особенностей реализации элемента, обеспечивающего требуемый нелинейный характер, по крайней мере, одного из преобразований (3), М. с. на основе нелинейного четырехполюсника можно подразделить на простые, сложные и составные. В простых М.с. требуемую нелинейную зависимость обеспечивает элемент, неделимый в радиотехническом смысле, напр., многотуннельный диод, вольт-амперная характеристика которого содержит несколько участков

отрицательного сопротивления (в этом случае нелинейный четырехполюсник вырождается в нелинейный двухполюсник). В сложных М. с. требуемую нелинейность обеспечивает некоторая композиция неделимых элементов, каждый из которых, вообще говоря, может и не быть нелинейным в указанном выше смысле. Существенно важным для этого класса схем является те, что вид реализуемой в них нелинейной зависимости (а, следовательно, и количество устойчивых состояний), как правило, не связывается с количеством используемых элементов и определяется соответствующим выбором режима работы схемы в целом. Составные схемы реализуются в результате некоторой композиции элементов при условии, что каждый из них уже реализует некоторую нелинейную зависимость (М. с., содержащие последовательно включенные туннельные диоды, объединения М. с., характеризуемые меньшим количеством устойчивых состояний), либо их количество в определенной степени пропорционально требуемому количеству устойчивых состояний (многофазный релаксатор).

Независимо от вида выполняемых преобразований и методов их реализации динамическим амплитудно-импульсным и амплитудно-

(рис. см. скан)

1. Классификация многозначных схем.

2. Общая блок-схема многозначной схемы на основе нелинейного четырехполюсника с обратной связью (а) и пример амплитудной характеристики нелинейного четырехполюсника (б).

3. Блок-схемы возможных вариантов технической реализации автономной (а) и неавтономной (б) частотногармонических многозначных схем.

4. Блок-схемы возможных вариантов технической реализации широтно-импульсных автономной (а) и неавтономной (б) многозначных схем.

5. Блок-схема возможного варианта реализации фазо-импуяьсной многозначной схемы с дискретным приращением значения количественной характеристики признака устойчивых состояний.

гармоническим сложным М. с. присущи все те недостатки, которые свойственны схемам с амплитудным кодированием информации (сильная зависимость амплитуды от параметров, слабая помехозащищенность). Такие схемы практически не нашли применения.

Необходимым условием построения фазогармонической (частотно-гармонической) схемы является выполнение преобразований, при которых одной из промежуточных величин, участвующих в преобразованиях, является фазаср гармонических колебаний: (соответственно частота со гармонических колебаний: и, по крайней мере, одна из функ-ций преобразования является нелинейной (напр., ступенчатой). В качестве примера, характеризующего возможности тех. реализации схем этого класса, на рис. 3 приведены блок-схемы автономной (а) и неавтономной (б) частотно-гармонической М. с.

Время-импульсные схемы реализуются с помощью четырехполюсника, в котором выполняется последовательность преобразований из которых по крайней мере одно является нелинейным. Здесь -параметр, характеризующий длительность импульса, используемую в качестве признака устойчивых состояний: собственно длительность (широтно-импульсные М. с.), пропорциональный фазовый сдвиг некоторой последовательности импульсов относительно последовательности, выбранной в качестве опорной (фазо-импульсные М. с.), пропорциональное число импульсов (число - импульсные М. с.).

На рис. 4 приведены блок-схемы возможных вариантов широтно-импульсных автономной (а) и неавтономной (б) схем. В качестве примера, характеризующего возможности технической реализации фазо-импульсных схем, на рис. 5 приведена блок-схема одного из вариантов таких схем на основе элемента с дискретным приращением значения количественной характеристики признака устойчивых состояний.

Число-импульсные М. с. можно построить на основе широтно- и фазо-импульсных М. с. с использованием дополнительного устр-ва преобразования длительности импульсов либо фазы в их число (напр., на основе статического триггера с двумя устойчивыми состояниями, либо на основе схем, не являющихся многоустойчивыми).

Необходимым условием построения частотно-импульсных схем является выполнение последовательности преобразований где — период (частота) следования импульсов и, по крайней мере, одна из ф-ций преобразования немонотонная. Первое из указанных преобразований можно выполнить, напр., на основе резонансного контура либо управляемого генератора (автогенератора релаксационных колебаний в автономных схемах и синхронизированного релаксационного генератора — в неавтономных).

Использование при построении четырехполюсника нелинейных (с несколькими экстремумами или точками перегиба) зависимостей, имеющих различную природу, приводит к разработке М. с. с комбинированным признаком устойчивых состояний. Особенностью таких схем является наличие у каждого состояния не одного, а нескольких признаков, напр., длительности импульса и его сдвига по фазе. Наряду с увеличением количества состояний эти схемы характеризуются также более широкими функциональными свойствами в силу возможности раздельного управления признаками.

Составные М. с. можно реализовать на основе широкого класса элементов, неделимых с точки зрения конструктивной, схемной или радиотехнической реализации. Схемы такого типа, как правило, требуют больших затрат оборудования, чем простые и сложные, а увеличение количества устойчивых состояний приводит к соответствующему увеличению затрат и усложнению структуры схем. В отличие от простых и сложных М. с., выходной канал которых всегда состоит из одного провода (в силу чего эти схемы всегда многозначные), выходной канал составных М. с. может содержать один или несколько проводов.

Наиболее изученными и разработанными в инженерном плане являются сложные и составные М. с., среди которых, в первую очередь, следует отметить фазо-импульсные схемы. Разработанные М. с. характеризуются количеством устойчивых состояний — от единиц (параметроны) до нескольких десятков и даже сотен (частотно-гармонические схемы на основе фазового детектора). Получены первые образцы М. с. (сложные и составные фазо-импульсные схемы) в микроэлектронном исполнении (на основе МОП-структур).

М. с. сложные и составные находят широкое применение в устр-вах автоматики, цифровой измерительной (в т. ч. ряде серийно выпускаемых приборов — частотомеров и счетчиков, измерителей временных интервалов и т. д.) и цифровой вычислительной технике. Преимущественное применение в вычисл. технике находят многозначные схемы, на основе которых выполняют многозначные логические элементы ЦВМ, т. е. элементы, реализующие функции многозначной логики и многозначные элементы памяти (триггеры). В связи с применением элементов указанного типа в технике дискретных устр-в возникает ряд специфических теор. и инженерных задач, решаемых в рамках структурной теории автоматов с многозначным структурным алфавитом. Практическое использование М. с. приводит к упрощению структуры соответствующих устр-в, снижению затрат оборудования, потребления энергии, габаритов, стоимости, повышению надежности, а также улучшению некоторых других тех. и эксплуатационных характеристик. В СССР (з-д «Точэлектроприбор», Киев) впервые в мире освоен серийный

выпуск цифровых измерительных приборов на многоустойчивых элементах.

Лит.: Сигорский В. П., Ситников Л. С., Утяков Л. Л. Многоустойчивые элементы дискретной техники. М.- Л., 1966 [библиогр. с. 351—3581; Ситников Л. С. Многоустойчивые элементы в цифровой измерительной технике. К., 1970 [библиогр. с. 135—137]; Иваськив Ю. Л. Принципы построения многозначных физических схем. К., 1971 [библиогр. с. 305—316]. Ю. Л. Иваськив.