Беленький Ян Ефимовичдоктор технических наук, профессор в области «техническая кибернетика и теория информации» 

           Краткое описание разработки   новых элементов информационной техники и  информационной теории по расширению теории К.Шеннона на пространственно- временные  процессы .

                                             Аннотация.     В настоящем обзоре описана краткая истокрия изобретения одного из основных элементов информационных приборов -многофазного мультиви-братора, открытия нового физического эффекта и работ по расширению информационной теории К.Шеннона на пространственные процессы .          Открытие нового класса схем-многофазных мультивибраторов 

     Исторически первая схема мультивибратора,состоящая из двух элек-тронных ламп,замкнутых в кольцо положительной обратной связи, которая представляла собой импульсный генератор,была открыта в 1916г. американскими физиками А.Абрагамом (A.Abraham) и Е.Блохом (E.Bloch) и была опубликована в физическом журнале «Annales de Physique“ в виде двухламповой схемы, охваченной положительной обратной связью, с конденсаторными межкаскадными связями.Она была названа генератором прямоугольных импульсов.     В 1919г. американские учёные В.Икклс (W.Ikkls) и Ф.Иордан (F.Jordan) предложили двухламповую схему также охваченной положительной обратной свяью с резисторными межкаскадными связями, которая имела два устойчивых состояния, в которые она переходила только при подаче внешних пусковых импульсов.   Голландский физик Ван-дер Поль импульсный генератор назвал мульти-вибратором,а схема с двумя устойчивыми состояниями была названа триг-                                                    1гером. 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.Так продол-жалось примерно 25-30 лет. Настоящую оценку они получили в середине 20 века (в 50-е годы) в связи с развитием радиолокации и разработкой при-боров вычислительной техники, как элементы имеющие два устойчивых состояния и позволяющие представлять,передавать,обрабатывать и прини-мать информацию в наиболее помехоустойчивом двоичном коде.      Конечно, тогда никто не мог предположить, что они станут основой приборов дискретной современной информатики. Ни авторы этих изобре-тений, 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.Необходимо было стро-ить стабильные, помехоустойчивые вычислители, которые требовала быстро развивающаяся техника, в частности, военная.     Поскольку самые надёжные элементы должны были иметь минималь-ное число различных состояний, то отсюда следовало, что в основе вычи-слителей должны быть устройства (схемы) только с

двумя устойчивыми состояниями и все вычисления и вычислительные операции также должны быть основаны на элементах с двумя устойчивыми состояниями.      Ещё к началу ХХ века была разработана Булем алгебра, основанная на двоичной системе счисления, и двоичная логика, у которой были два сим-вола (цифры) ноль и единица. В настоящее время специалисты инфор-матики ещё в вузах изучают булеву алгебру и двоичную логику, на базе которой разрабатываются программы для вычислительных инфомацион-ных устройств.      Поэтому первые дискретные вычислители были построены на простей-ших двоичных элементах -  электро-магнитных 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 - электронные лампы, которые были ис-пользованы ещё в 20-х годах американскими физиками А.Абрагамом и Е.Блохом в двухламповой схеме мультивибратора и В.Икклсом и Ф.Иорда-ном в двухламповой схеме триггера, которые имели два различных состоя-ния.                                                          2      Ламповые схемы позволили в десятки тысяч раз увеличить быстродей-ствие вычислителей, значительно уменьшить их мощность потребления игабариты по сравнению с релейными схемами.      В связи с открытием в 1948г. американскими физиками У.Шокли, Д.Бардиным и У.Браттейном транзисторного эффекта (усилительного эффекта на кристалле), 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 дис-кретных 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.     Однако история открытия новых релаксационных генераторов на этом не окончилась.

     Эти схемы состояли из двух каскадов. Никто не мог предположить, что в семидесятые годы будут созданы двумерные жидкокристаллические экраны с дискретным представлением видеоинформации, для чего понадобятся релаксационные схемы, создающие последовательность импульсов, сдви-нутую во времени и в пространстве, которые могут сканировать дискрет-ные точки изображения, при этом оставаясь экономичными по числу элементов, потребляемой мощности и позволяющие получить предельно возможное для транзисторных схем быстродействие.      Это должны были быть схемы, обобщающие двухламповые схемы с двумя выходами американских учёных, на произвольное число выходов.       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 младшего научного сотрудника А.Н.Свенсона стал работать над схемой коммутации для 10-канальной измерительной станции с времен-ным разделением каналов для электрического карротажа нефтяных скв-ажин 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 мне поставлена задача, приблизить форму импульса к прямоугольной, а затем добиться чёткого разделения измерительных каналов во времени. 3      Решить эту задачу я решил следующим образом.Вначале включить в катодную цепь каждой лампы кольцевого многофазного квазисинусои-дального генератора сопротивление,которое будет создавать отрицатель-ную обратную связь, которая сформирует разделённую в пространстве последовательность полусинусоид.Однако затем с целью уменьшения числа элементов я включил одно общекатодное переменное сопротивление и стал его изменять (увеличивать и уменьшать).     Совершенно неожиданно на экране осциллографа скачком вместо улуч-шенного квазисинусоидального напряжения возникли импульсы с круты-ми фронтами и чёткими интервалами между ними.     Стало ясно,что это  новый неизвестный импульсный режим и основной вопрос, который возник, появляются ли эти импульсы во всех каскадах, т.е. сдвинуты ли они в пространстве и во времени.Если это так,то открыта новая импульсная схема, а вместе с ней новый класс импульсных схем, генерирующая импульсы, сдвинутые во времени и в пространстве, кото-рую, естественно, можно использовать в

качестве коммутатора в многока-нальных системах с временным разделением каналов. при этом открыта и потребляет ток только одна генерирующая импульс лампа, а остальные закрыты.     Стало ясно,что открыт совершенно новый класс импульсных релакса-ционных генераторов, который состоит не из двух каскадов, как генерато-ры Шокли, Абрагама,Икклза и Блоха, а , в принципе, из произвольного числа каскадов.Поэтому эта схема была мною названа многофазным мультивибратором. Впоследствии этот термин по отношению к много-фазным схемам релаксационным генераторам «легко» вошел в техни-ческую 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 схем.     В дальнейшем была разработана углублённая теория работы этого класса схем. Полученное автором заочно второе высшее университетское образо-вание - «математик» позволило углубиться в теорию колебаний этого класса схем.Оказалось,что их работа описывается системой нели-нейных дифференциальных уравнений 2n-мерного порядка с малым пара-метром при старших производных, что представляло большой теоретиче-ский интерес, 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. 4

На рисунке 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 осцило-грамма).

    Была разработана качественная теория этих схем, которая показала, чтоэти 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 предложен ещё ряд многофазных схем,в том числе и мно-гофазных триггеров, на которые было получено 13 авторских свиде-тельств. Как следует из данных интернета, до настоящего времени суще-ствует не только интерес к этому классу схем, но и различными авторами предлагаются новые схемы.     Такой интерес легко объяснить.     Эти схемы обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с 5

другими схемами, создающими сдвинутую во времени и в пространстве последовательность импульсов, например,по сравнению с цепочкой двухфазных триггеров.     Во-первых, они предельно экономичны по потреблению электрической энергии, потребляет только один каскад,генерирующий импульс.Это в число раз, равное числу фаз, уменьшает мощность потребления цепочки 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 первого каскада и генерацией серии импуль-сов, равной числу каскадов,3.наконец,шаговый с сдвигом от каждого тактирующего импульса.   Были разработаны на транзисторах многофазные триггеры, каждый каскад, которых состоит из двух транзисторов разного типа проводимости при этом независимо от числа звеньев цепи  открыто только одно.      Материалы этих работ были опубликованы в первых двух монографиях [1,2].        Со временем стало ясно,что следует проводить более глубокое изучение возможностей этого класса импульсным схем в прикладном плане.     В начале 70-х годов были детально исследованы предельно частотные свойства этого класса схем [3].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.    Интересно отметить,что сегодня самые высокоскоростные процессоры современных компьютеров имеют частоту 3,6 ГГц.Дальнейшее повышение скорости работы компьютеров достигается не увеличением частоты такто-вого генератора,а путем увеличения числа процессоров.     Были проведены работы по исследованию многофазных мультивибра-торов с магнитными межкскадными связями

[4],одновременно проводились работы по их использованию в различных многоканальных информационных системах [5,6].     Особое внимание было уделено вопросам управления релаксационными схемами, вообще, и многофазными, в частности.Известно,что ценность ре-лаксацонных схем: триггеров и мультивибраторов, состоит в том,что они управляются внешним напряжением: не только синхронизируются, 6как  синусоидальные генераторы, но и синфазируются,т.е. срабатывают в момент подачи управляющего импульса.И наибольший интерес предста-вляет проблема управления в высокочастотном диапазоне работы импуль-сных 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.     Все эти вопросы были изложены в монографии [7],за которую авторы по-лучили престижную именную премию Национальной Академии наук Украины в области энергетики в 1988г.      Работа над многофазными схемами позволила организовать известную в союзе научную школу.На эту тему под руководством автора было защищено 10 диссертаций и опубликовано около 200 научных работ.     Наиболее широкое распространение в 50-е годы многофазные релакса-торы получили в многоканальных информационных системах различного назначения с временным разделением каналов в качестве коммутаторов (распредилителей во времени и в пространстве).       Спустя почти 20 лет эти схемы позволили создать быстродействующую, экономичную дискретную развёртку для жидкокристаллических мониторов. Сегодня эти схемы уже вошли в

учебники,в энциклопедии и стали в определённом смысле «всенародными», упоминание об авторе перестало быть необходимым, с чем приходится «мириться».        Многофазные релаксаторы позволяют осуществлять одномерное сканирование в пространстве, а также двумерное или трёхмерное, что необходимо для воспроизведения изображений, в частности, в современных фотоаппаратах и плоских мониторах, а также дискретно сканировать электронные запоминающие устройства типа USB Flash Drive.                 Разработка качественной теории многофазных мультивибраторов пока-зала, что эта схема одновременно реализует новый раннее неизвестный фи-зический эффект : «дискретного, скачкообразного переноса в пространстве 7 локальной зоны импульсного возбуждения в виде импульса напряжения или магнитного возбуждения, возникаемой в однородной цепочечной (связан-ной) электронной среде (единой схеме)». Запатентовать это как физический эффект не удалось,поскольку в бывшем СССР в те годы не выдавали патен-ты частным лицам.     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.    Не исключено,что фирмы,разрабатывающие схемотехнику для сканиро-вания плоских изображений, уже используют многофазные схемы в виде модулей, однако получить какую-либо информацию не представляется  возможным.     К сожалению, в связи с политическим противостоянием между бывшим Советским союзом и западными государствами автор не имел возможно-сти публиковаться в западноевропейской литературе. 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.В тоже время в русско-язычном интернете

[Google,беленький, многофазные мультивибраторы или беленький,многофазные релаксаторы] работы автора широко представле-ны.     Однако более широкое их внедрение ещё ждёт своей реализации и воз-можно только тогда, когда в учебниках и в литературе и в учебниках по им-пульсной технике на английском, немецком и других европейских языках информация о многофазных релаксационных генераторах получит такое же распространение,как и о обычных - двухфазных.        Сегодня релаксационные генераторы как двухфазные, так и многофаз-ные сегодня являются основой современной информатики, которая разви-валась и развивается со огромной скоростью, что позволяет ей делать, как писал в своём завещании «отец» Нобелевской премии, изобретатель дина-мита, шведский учёный Альфред Нобель, « наибольший вклад в развитие 8человечества».Часть этого вклада внесло изобретение многофазного мультивибратора и последующее развитие тематики, связанное с многофаз-ными релаксационными схемами.             Расширение информационной теории К.Шеннона                    на пространственно-временные процессы

      Теория информации была разработана американским математиком К.Шенном в 50-е годы прошлого столетия. Она объясняла одномерные временные информационные процессы, относящиеся, в основном, к передаче текстовых сообщений.     Однако развитие информационных приборов с индикацией на дву-мерном экране, привело к необходимости разработки теории для про-странственных процессов. В 80-е годы автор обнаружил,что между вре-менными и пространственными информационными процессами существу-ет определённая симметрия и это позволило обобщить теорию К.Шеннона на пространственные и пространственно- временные процессы [9,10] .В этих работах  показано, что каждая информационная система, каналы свя-зи обладают некоторой характеристикой, которая была названа функцией неопределённости и которая определяет информационные ограничения информационных систем и устанавливает связь и обменные соотношения между важнейшими информационными параметрами такими,как быстро-действие,пространственное разрешение и точность.      В течение порядка 25 лет после публикации  первой монографии [9] , опубликованной в 1984г.  в литературе не появлялись работы по развитию информационной теории для пространственных процессов.Вероятно, это связано с тем, что сегодняшние технические

решения пока удовлетворяют требованиям практики, как это было до разработки теории К.Шеннона.      Однако не за горами то время, когда нужно будет далее повышать тех-нические характеристики систем и здесь без теории, предсказывающей пре-дельные информационные возможности систем не обойтись.Вообще, для новых научных идей сроки их использования определяются, как пра-вило, не новизной, а их практической необходимостью.     С работами на русском языке также можно познакомиться по моногра-фиям.В интернете по адресам: «беленький я.е.многофазные релаксаторы», «беленький я.е.многофазные мультивибраторы», «я.е.беленький, измере-ния» или «беленький я.е.» можно найти указания, где эти книги можно приобрести.      В заключении прилагается список и фото монографий, изданных на на русском языке.                                               

      9                                  Список монографий автора 

     а) по многофазным релаксаторам и их внедрению                           1.Я.Е.Беленький, «Многофазные релаксаторы »,издательство украинскойАкадемии 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.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.

8. «Управление релаксационными генераторами» под редакцией докторатехнических наук Я.Е.Беленького,авторы:Я.Е.Беленький, О.Е.Левицкий, В.А.Халин,С.Г.Шульгин, издательство украинской Академии Наук «Науковадумка»,Киев,1982г.,280 стр.                       б) по информационной теории измерений: 7.Я.Е.Беленький,В.В.Кошевой, «Системы пространственно-временного пре-образования информации»,под редакцией д-ра техн.наук Я.Е.Беленького, издательство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1979г.,259 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. 

10