关于 Dekatron 的前世今生
写在前面的一些废话
两个月前，我在机缘巧合下了解到了 Drkatron（冷阴极十进制步进管）这类管子。因为着迷于它的外观和用途，便顺手在“海鲜市场”淘了几个。和辉光管一样，这种管子也是通过电子轰击稀有气体电离发光的，因此现今对它的研究和讨论也都聚集在各大辉光管爱好者群体中。不过在我翻遍整个中文互联网后发现：国内几乎没有人详细了解过这类管子的特性和工作原理，哪怕在各大辉光管交流圈内也鲜少有人研究和使用。经过两个月的查找资料、学习原理、设计电路、上手实操，我成功驱动了手上的管子。动手折腾的乐趣是无穷的，我也非常希望能把自己这期间所学到的和 Dekatron 相关的所有知识用最简单直白的方式分享出来，能给后面想要了解和驱动 Dekatron 的朋友帮一点小忙。也恳请更加了解这种管子的人批评和补充。
诞生与衰落
步进管这个东西是上世纪期间科技公司为了实现更快，更准、更高效的计算，在探索制造计算机期间被发明出来的。作为电子管的一个变种，它的主要用途是计数。在早期，计算机的功能和架构还处于探索阶段，人们进行了很多不同种类计算机的尝试，其中最符合人类认知习惯的十进制计算机自然位列其中。第一台十进制计算机于 1949 年在 Harwell 原子能研究院被制造出来用于核物理研究，1951 年正式投入使用。为了满足对十进制计数方式的处理和存储，针对该计算机处理器部分特制的电子管——Dekatron 就这样诞生了（实际上最早的 Dekatron 原型在 1944 年就出现了，由爱立信公司制造）。在没有晶体管的当时，827 个 Dekatron 和众多继电器满足了这台计算机对输入、输出、处理、显示、存储等必要功能。1957 年，Harwell 通过竞赛方式将其送给沃尔弗汉普顿大学，后者将其命名为 WITCH (Wolverhampton Instrument for Teaching Computation from Harwell)，并一直持续使用到 1973 年。在这期间各大电子管厂也开始钻研生产各种各样功能不同，性能越来越好的 Dekatron，从填充气体、电极形状和材质，以及驱动方式等多角度加以改良。可是十进制计算机并未因此发展起来，WITCH 后继无人，可以说是历史存在的唯一的一台大量使用 Dekatron 的计算机。后来的故事我们都知道：随着晶体管的出现和广泛应用，包括 Dekatron 在内的电子管逐渐没落，最终停止生产，淹没进了历史长河中。和因为怀旧因素而用于制作时钟的辉光管及用于音乐发烧友功放的真空电子管不同，由于 Dekatron 功能过于专一，在当今几乎不存在多少利用价值，仅仅只能流入交易平台，沦为众多收藏者手中的玩物。不过随着辉光管文化的兴起，Dekatron 也能作为装饰件出现在一些设计产品上。
外观与功能
既然属于电子管家族的一支，Dekatron 设计语言自然也不会和电子管差很多：玻封的电极，以及和大部分电子管通用的针脚排布。和辉光管相同的是，几乎所有 Dekatron 都包含众多阴极和一个阳极，工作时阴极周围电子轰击周围的稀有气体分子电离，从而围绕阴极发光；而不同的则是，Dekatron 的阳极一般制作成金属圆盘状，众多阴极在阳极盘周围均匀地围成一圈。为了达到十进制的步进的效果，Dekatron 的阴极并非只有十个，而是 10 的倍数，一般从 20 到 40 个不等（也存在一些非十进制的 Dekatron，它们的阴极数量一样也要设计成进制数的倍数）。这些阴极按照工作时的功能分成两类：引导极和指示极（有些说明书里也把指示极叫主阴极，十个指示极都是主阴极，并非某一根才是），指示极有十根，分别代表 0-9；引导极则是穿插在指示极之间，根据驱动方式不同从 1 根到 3 根不等。
第一支量产 Dekatron：爱立信 GC10A。很多 Dekatron 都采用该造型
和之后常见的氖气填充不同，GC10A 内部填充氦气，辉光呈粉红色
Dekatron 按照功能和用途不同分为两大类：计数管（Counter）和选择管（Selector）。计数管顾名思义用于计数，每进一步发出一次信号，至于步进到哪个数字则不重要；选择管则是用于特定输出，可以在步进到指定位置时发出信号。功能的不同导致二者阴极的物理连接方式略有区别。
下面以最传统也是最常见的排布举例：一根指示极搭配两根引导极，以三根阴极为一组，代表一个计数。两根引导极分别叫第一引导极和第二引导极。管子内部的线路连接上，所有的第一引导极都是相连的，所有的第二引导极也是相连的，二者各自接入一根管子引脚；阳极盘接入一根引脚；指示极连接方式则根据管子的功能决定：计数管中代表1-9的指示极互相连接，接入一根引脚，0 位指示极为了进位需求单独接入一根引脚。而选择管为了知道步进到哪个数字，每根指示极都是隔离的，都分别接入一根引脚。综上，计数管有意义的引脚需要 5 根：阳极 A、第一引导极 G1、第二引导极 G2、主阴极 K1-9、主阴极 K0；而选择管有意义引脚则需要 13 根：阳极一根，引导极两根，主阴极 10 根。再次需要强调：这些排布都是最早期，最传统驱动方式的 Dekatron 所应用的，其它排布方式都是根据上述构造的改良，因此这种构造是想要了解学习 Dekatron 驱动最需要知道的构造。
驱动原理（前置）
上面两次提到一个概念：驱动方式。如果指示极之间的差异将 Dekatron 按功能分两类，则引导极之间的差异会将 Dekatron 按驱动方式分为三类：双向双脉冲驱动、双向单脉冲驱动和单向单脉冲驱动。双向和单向很好理解，决定 Dekatron 可以步进的方向，双向是指 Dekatron 既能顺时针步进，也能逆时针步进，可以加也可以减，达到此目的至少需要两套引导极 G1 和 G2 参与实现（共 30 根阴极）；而单向则是只能按照管子设计的单一方向步进，只能加不能减，单向仅用一套引导极G就可以实现，就是以牺牲一个方向为代价，达到简化 Dekatron 的构造（仅需 20 根阴极）和大幅缩小 Dekatron 体积的目的。
低压脉冲是驱动 Dekatron 步进的信号。双脉冲指驱动步进管步进一步需要两个外源脉冲信号，两个信号一前一后，分别作用于引导极 G1 和 G2。单脉冲则是仅需一个外源脉冲信号即可驱动步进一步，在双向单脉冲步进管中需要第三引导极 G3 的参与，增加了管子复杂度（共 40 根阴极）；而单向单脉冲则很自然地驱动唯一的引导极 G。
介绍 Dekatron 双脉冲和单脉冲驱动的工作原理前，让我们再花点篇幅回顾一下辉光管的电气特性，因为 Dekatron 和辉光管一样都是冷阴极气体发光，二者的特性也是相似的。辉光管在点亮前，管内的稀有气体（一般是氦氖混合气）并未电离，阴极与阳极间电阻极大，几近于断路状态，给阳极施加不断升高的电压，随着阴阳两极电势差不断提高，电场越来越强，阴极表面初始的自由电子被强电场拉出加速，携带的能量也越来越高，阳极达到指定电压时，电子获得的能量足够高，撞击阴极周围气体原子，使其发生电离，电离的气体离子重新复合电子以及被激发的原子跃迁回稳态时会放出指定波长的光，这些光就是该气体激发时所发出的辉光，阳极达到的这个电压被称为启辉电压或点火电压。辉光管开始发光后，阴阳两极间的气体变成可导电等离子态，电阻将会大幅减弱，电流大幅增大。为了保护电极不被高温等离子体烧毁，常规做法是在阳极上连接限流电阻，将辉光管电流限制在可控范围内。辉光管点亮后该电阻会分走一部分阳极电压，使得辉光管的阳极电压相较于启辉电压有所下降。辉光管点亮后，其自身两端的电压会稳定在一个相对恒定的值（称为维持电压）。此时，它表现出类似稳压管的特性。调整电源电压，改变的主要是限流电阻两端的压降，从而线性地改变流过管子的电流。如果这时慢慢降低电源电压，电流不断减少，阴极电子发射速度减弱，能量减弱。当电流减小到低于某一值时，电离过程无法维持，气体重新恢复到绝缘状态，辉光熄灭。此时的电流称为最小维持电流。
Dekatron 也是稀有气体辉光发光，发光原理和辉光管相同，上面提到的定义和概念也是相通的，不过 Dekatron 也有相较于辉光管略微不同的地方。前面说过，Dekatron 的部分阴极是相连的，如指示极 K1-9。但是即便相连，通常上电时也只会随机亮起其中一根。原因主要有几个：其一是 Dekatron 内部的气体比例和分压经过精心设计，保持电压相比于辉光管更高（大概 190 V 左右，高于一般辉光管的启辉电压），也导致了更高的最低保持电流。正确驱动前提下，一旦某一根阴极先激活发光，流过管子的总电流很难维持多根阴极同时发光。其二是因为 Dekatron 的阴极排布方式为环形排列，中间还隔着两个引导极，正常驱动情况下不太可能连成一片地均匀发光，也增大了一起亮的难度。同样 Dekatron 的启辉电压也很高，需要 400 V 以上，这也为玩家设计电源带来很大的挑战。
休息一下，Dekatron 最精髓的部分才刚刚到来！
驱动原理
回顾了上面的概念，现在正式讲解 Dekatron 的驱动工作方式。还是先以最典型传统的类别开始（以下所使用的电压数值适用于绝大部分氦氖填充的管子，不适用于其它气体填充。实际应用时需要以管子的技术手册为准）。
双向双脉冲驱动
最先被发明的 Dekatron 采用双向双脉冲驱动。管子的阳极 A 通过一个限流电阻接入 460 V 正电压，引导极 G1 和 G2 分别接入两个低压脉冲信号源，信号源在高电位有 120 V 的偏置电压，放出低压脉冲时电压降为 0 V，指示极 K1-9 和 K0 需要施加一个 60V 的偏置电压。管子要按照先阳极后引导极的正确顺序依次上电。
阳极上电后，由于指示极电势最低（60 V），随机一根指示极会被点亮，这里假设是 K5。阳极与指示极电势差降至保持电压（190 V），阳极电压被拉低（250 V）。这时引导极上电（120 V），因为此时两组引导极和阳极的电势差（130 V）达不到保持电压，所以辉光不会有任何变化，依然是 K5 发光。
G1 引导极接收到一个低压脉冲，所有 10 根 G1 引导极电压被拉低到 0 V。靠近 K5 最近的那根 G1 引导极（后续称为第五根 G1）由于处在 K5 发出的辉光包裹范围内，且电压比 K5 更低，辉光便有了向这第五根 G1 转移的趋势，第五根 G1 被点亮。而随着 G1 被点亮，因为保持电压不变，阳极电压被进一步拉低（变为 190 V）。阳极与指示极的电势差也降低到保持电压之下（变为 130 V），K5 顺势熄灭。辉光从 K5 转移到第五根 G1。
在 G1 引导极接收到低压脉冲信号之后，仅跟着 G2 引导极也接收到低压脉冲信号，而 G1 引导极脉冲信号结束，所有 G2 引导极电压降为 0 V，G1 引导极电压恢复到 120 V，阳极电压借此抬高（310 V）。此时发光的第五根 G1 引导极的辉光包裹着两侧的 K5 和第五根 G2，它们的电压分别为 60 V 和 0 V，辉光会选择向电压更低的第五根 G2 转移，第五根 G2 被点亮，和上面所述一样，阳极电压再次被拉低，第五根 G1 熄灭，辉光又第五根 G1 转移到第五根 G2。
最后 G2 引导极脉冲结束，恢复 120 V，利用同上一致的原理，辉光会从第五根 G2 转移到两侧相比电压更低的指示极 K6。这样，经过一前一后两个脉冲信号，辉光从 K5 通过第五根 G1 和第五根 G2 引导极转移到了 K6，完成了一次完整的步进过程。若改变给予 G1 和 G2 的脉冲顺序，便可轻松实现反向步进。不难看出，这种驱动模式下步进成功的关键是两个低压脉冲信号发生和结束的时机，控制电路设计更加复杂。
双向单脉冲驱动
为了简化控制系统，实现只用一个脉冲就能控制 Dekatron 步进的目标，双向单脉冲驱动步进管应运而生。该类型的 Dekatron 在原来的管子构型基础上又增加了一组引导极 G3，总阴极数来到了四十个，也叫做对称阴极单脉冲步进管。它通过增加一点简单的外围电路，实现了和双向双脉冲步进管完全不同的驱动过程。
和上面类似，阳极 A 通过限流电阻接入 460 V 正高压，指示极 K1-9 和 K0 施加 60 V 偏置电压，指示极 G2 直接接入脉冲信号源。不一样的是指示极 G1 和 G3：G1 通过串入一对并联的电容 C2 和电阻 R2，与 G2 一起接入脉冲信号源，而 G3 也串入一对并联的电容 C4 和电阻 R4，与指示极一样施加 60 V 偏压（如下图所示）。
这里依旧假设阳极上电后，指示极 K5 点亮。此时引导极 G1-3 的状态是什么样的呢？G2 在脉冲信号到来前电势为 120 V，这点毋庸置疑。关键在于 G1 和 G3。分析一下不难看出，此时 G1 和 G3 上并没有电极被点亮，因此没有电流流过，电容 C2 和 C4 可以看作断路状态，电阻 R2 和 R4 相当于给电容短路了，因此电容 C2 两侧的电势均为 120 V，G1 上的电势为 120 V；同理 C4 两侧电势均为 60 V，G3 上的电势也为 60 V，和指示极一致。
此时针对 G1 和 G2 的低压脉冲信号发生，在信号电压从 120 V 降低到 0V 的瞬间（信号下降沿）G2 电势从120 V 变为 0 V。而 G1 的状态很有意思：和刚刚一样，此时 G1 上还没有电流，电阻 R2 短路电容 C2，因此 C2 两端的电势也同步从 120 V 降至 0 V，G1 电势降至 0 V。不过虽然 G1 和 G2 目前的电势都是 0 V，但是正在发光的 K5 两侧分别是第四根 G3 和第五根 G1，0 V 的低压区当中只有第五根 G1 引导极处在 K5 发出的辉光包裹范围内，因此辉光会转移到第五根 G1 引导极。
当第五根 G1 引导极开始发光后，G1 上出现了电流，此时管子和电阻 R2 为串联关系，R2 会试图分走一部分电压，这将使得 C2 两端出现电压差，C2 开始充电，G1 的电势将会快速抬高。而第五根 G2 引导极上的电势依然为 0 V，且处于第五根 G1 引导极的辉光包裹范围内。因此随着 G1 电势升高，辉光会从第五根 G1 顺势转移到第五根 G2。上述过程都发生在控制脉冲信号到来后很短的一段时间内。
当脉冲信号结束时，电压从 0 V 恢复 120 V。第五根 G2 上的辉光会先转移到第五根 G3。紧接着和上面相同的原理，在 R4、C4 的作用下，G3 电势升高，辉光转移到指示极 K6。各位读者可以尝试自己分析一下这个过程。
相比于传统双脉冲驱动方式，该方式的最大不同点是：驱动步进的过程并不依赖脉冲信号电压本身的高低，而是依赖脉冲变化的过程，专业说法就是：边沿触发。该驱动系统通过增加简单的外围电路，达到了简化控制系统，增加稳定性的要求。不过付出的代价则是更加复杂的管子构造。
改进与创新
为了进一步改进 Dekatron 的设计，提高管子性能，工程师们也作出了很多的努力，单脉冲驱动仅仅是其中一项。下面将介绍几种经过改进，具有代表性的 Dekatron。
变小一点——单向单脉冲驱动
为了实现单脉冲而引入的引导极 G3 不但增加了管子的复杂度，也增大了管子的体积。工程师最先想做的是如何能在单脉冲驱动条件下再次简化管子构造，单向单脉冲驱动的 Dekatron 被制造出来。该类型的 Dekatron 仅有一组引导极 G，在十进制情况下，可以将管子的总阴极数缩减到 20 根。其原理本身和双脉冲驱动一致，但是因为没有第二组引导极的导向和隔离，在脉冲结束后辉光会随机转移到引导极两侧任何一根阴极上，这会使得步进方向变得不确定。为了解决这个问题，工程师对阴极的性状做出调整，从原先的柱状改为弯钩状，并相对于阳极倾斜一定角度。这将使管子工作时内部的电场分布发生改变，某根阴极发光时只有靠近阳极盘的一侧会产生辉光，进而导致只有一侧阴极被辉光包裹。这就实现了单向步进。
上图所示的管子是该类 Dekatron 的代表之一——Soviet Anod A107 系列。该管子是一个 5 进制的选择管，由苏联所造，仅有 10 根阴极。以此为代价所换来的则是世界上最小的体积，没有之一。该系列包含 A107、A108 和 A109。A107 和 A109 内填充氦氢气体，发蓝紫色辉光；A108内填充氦氖气体但以氦气为主，发粉红色辉光。
除了弯钩状阴极外还有另一种异形阴极类别，其代表是 Western Electric 的 6167 Dekatron（如下图所示）。该管子为十进制计数管，阴极都被设计成独特的弹簧性状，形成一个中空管状结构，弹簧顶端突出一段，延伸到另一根阴极弹簧的中心。与普通柱状阴极相比，在管内发光所需的维持电压要更低，因此 6167 是 Dekatron 中唯一一个仅需 180 V 左右就能启辉的管子，几乎与辉光管一致。辉光转移时才会从弹簧管内转移到突出端，进入下一根弹簧管内，这也造就了其独特的无旋转显示效果。
如同辉光管家族包含 Nixie 和 Pixie 两个分支一样，步进管家族除了 Dekatron 外还有另一个分支——Nomotron。这种类别的管子在 Dekatron 的基础上加入了屏蔽罩，罩子上有观察辉光的小孔或数字孔。除此之外，Nomotron 的特殊之处还在它的阴极上：Nomotron 并不依赖阴极的倾斜方向完成辉光的单向转移，而是创新性地使用了不同性状的合金，这会使得导向极与指示极之间的放电电压产生差异。根据实际使用来看，该方案能大幅增加步进管的计数精度，不过代价是更多的外围元件的加入。下图展示的是 Nomotron 的代表：STC G10/241E Nomotron。
反转一下——逆十进制步进
玩辉光管的人都知道，当某一阴极长时间点亮时，其产生的金属溅射现象会导致其它阴极表面被不活跃物质掩盖，影响辉光产生，即所谓的阴极中毒。Dekatron 拥有更多数量的阴极，自然也会产生中毒现象。和辉光管不同，Dekatron 的阴极排布方式会导致每根阴极都有被辉光完整包裹的机会，以及引导极和指示极正常步进时的工作时间并不一致，都会导致管子正常使用时不可避免地发生阴极中毒。轻微阴极中毒会使产生的辉光聚集在阴极尖端，仅仅影响观察，而严重情况下可能会导致某根阴极完全不能启辉，管子将无法正常步进，管子报废。
该管子因长期工作导致轻微阴极中毒，每根阴极发出的辉光都极不均匀。
为了解决这个问题，苏联生产过这样一个管子——A201 多阳极逆十进制 Dekatron。如下图所示，该管子的构造和一般的 Dekatron 完全相反：十根阳极围绕中心的阴极盘，外围还有一个环状屏蔽极用于收集大部分阴极盘产生的溅射物质，可以最大程度避免阴极中毒现象。由于阴极被屏蔽，因此只能从侧面看到管子的辉光。该型号管子并未大量生产，绝大部分均产自 Plasma 实验室。
创新之作——这就是艺术
要是想在 Dekatron 发展历史中选出一个最特别的管子，瑞士 Elesta 生产的 ECT 100 Dekatron 敢说第二则没有其他管子敢说第一。可以毫不夸张地说，ECT 100 的设计几乎是选择管的终极解决方案，是 Dekatron 多年发展的集大成之作！从体积上看，该管子仅次于上面提到的苏联 A107 系列，是世界上最小的步进管之一；从速度上看，该管子采用氢气填充，步进速度最大可达 1 MHz，也是世界上速度最快的步进管之一；从稳定性看，该管子可以在极端温度，大波动电压下稳定工作。且根据官方技术手册指导，在正确使用前提下，其寿命可达百万小时。而最为特别的要从功能角度来说：ECT 100 仅仅利用 20 根阴极就实现了双向步进的目标！ECT 100 通过采用了一种极具创新的内部设计和驱动系统，实现了这个看似不可能的任务。
左图为小尺寸 Dekatron 的真实大小对比。从左到右依次为：Elesta EZ10A，Westinghouse 6879，Sylvania 7155，Elesta ECT 100，Soviet A108，Soviet A109。
ECT 100 内部有四个星形冲压金属件组，每个冲压件上有5根均匀分布的阴极。四个星形冲压件由中心的陶瓷圆盘互相绝缘，由上到下交错排布，构成了 ECT 100 的 20 根阴极（如下图所示）。这四组阴极中一、三组代表引导极 G1、G2；二、四组代表指示极 K，根据排布可以看作奇数组和偶数组。阴极外围则是呈环状的阳极，将阴极包裹其中。
ECT 100 的驱动方式也很特殊。和普通管子仅有引导极接收脉冲信号不同，ECT 100 的所有阴极均需接收到控制信号才能完成步进过程。控制电路为双稳态电路，驱动管子步进时产生两个互补的信号源，一个输出高电平（60 V）时另一个就会输出低电平（0 V）。两个信号源直连奇数组指示极和偶数组指示极，而引导极 G1 和 G2 会施加一个 +30 V 偏压，分别通过一组 RC 延时电路耦合到两个信号源上。因为管子内充氢气，因此其点亮后的维持电压高达 300 V。官方建议为管子施加其 2 倍大小的阳极电压以保持稳定的电流输出，但有稳压措施的情况下，阳极电压可以降低到 400 V，这与普通 Dekatron 阳极电压几乎一致。
依然假设辉光发生在 K5 上，不难猜测该电极所在的奇数组指示极均处在 0 V 的低电平上，其相邻的引导极 G1 和 G2 为 30 V，而偶数组指示极处在 60 V 的高电平。当双稳态状态改变，两个信号源电平反转后，K5 升至 60 V，K6 降至 0 V。因为 RC 电路耦合原因，G1 电势在信号变换瞬间会被抬升至 60 V 以上，而 G2 电势降至 0 V 以下。因此，辉光会从 K5 转移到相邻的 G2，然后当 G2 再次回升至 30 V 时，辉光转移到 K6。若要反转步进方向，只需交换 G1 和 G2 接入的信号源即可。
因为 ECT 100 的所有 20 根阴极都接入了控制电路，因此想要读取管子的步进位置必须另辟蹊径。ECT 100 在 10 根指示极 K 的下方都加入了一个音叉状的感测阳极，插入指示极的两侧。当某根指示阴极工作时，辉光会从阴极两侧的缝隙中出现，包裹对应感测阳极的叉状结构，使得其上产生 200 V 左右的电压输出。
毫无疑问，Elesta ECT 100 的速度、功能和尺寸都能使其成为 Dekatron 发展史上最先进的十进制选择管。尽管如此，它诞生时恰逢半导体技术的突破性进步。先进又省电的小型集成电路发展的如日中天，这使得 ECT 100 在当时处在非常尴尬的地位。因此，ECT 100 既是 Dekatron 的巅峰之作，也是 Dekatron 最后的绝唱……