【电子技术】从继电器到加法器(一):继电器

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继电器是早期通信技术的基础元件,加法器是计算机执行一条基本加法指令的基础硬件单元。了解从继电器到一个加法器的演化,对我们理解最基础的计算电路原理很有用。

一个继电器长这样:

它看起来很复杂,但它最基础的电路和功能非常简单:输入电流驱动电磁铁,电磁铁隔空吸引铁棒(电磁效应),铁棒作为输出电路的开关连接着电源和输出线路,从而将“有输入电流”这一信号传递给输出电路:

乍看起来可能觉得继电器“没什么作用”,因为输入和输出相同,为什么不直接把电流送到输出电路上?。

然而事实是继电器的发明完全是出于现实需要。最早的电报系统在进行远距离通信时面临的最大问题是长导线带来的大电阻(同样材质和粗细的电线,长度越长电阻越大),早期电报线路甚至使用了300伏的电压,有效距离也仅在500公里左右,显然无法满足现实的远距离通信需求。最简单的方案是设置人工中继站,在有效距离内通过人工接收信号并使用新的发报机将信号转发出去,在下一个有效距离内再增加人工中继站……

由于电报系统从一开始的摩斯码到现在的数字电路,基本都在使用二进制(所有信息都被翻译成一正一反两个基本信息单元的组合),“人工中继站”的工作仅仅是将一串二进制编码记录并复述给下一台发报机,因此通信先驱很快发现,一个能够根据接收信号产生相应的开关状态的电路,即可完美地替代这个“人工中继站”的工作,于是上图的继电器产生了,它能够准确、及时地把接收到的二进制信号传递到下一个发报机(输出电路)上,把输入电路的微弱电流(由于长距离电阻造成衰减后的强弩之末)“放大”到输出电路上,实现信号的中继或者“接力”。

除了中继、放大作用外,由于继电器的触发需要一定时间,从而对输入信号有一定延迟,这一特性是时钟电路的基础(关于时钟原理,有兴趣的读者可在评论区讨论)。

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