Equipo analógico atrás en el tiempo

Después de varias peticiones de muchos sectores decidí publicar un artículo sobre las computadoras (ordenadores) analógico.

Voy a tratar en este documento para disipar el rumor de que son muy complejas, Ciertamente no es simple, pero, Sólo debido a que requieren un enfoque mental diferente por las computadoras digitales.

Esencialmente sólo tenemos dos tipos de computadoras en la base de todos los desarrollos futuros, el análogo derivado de reglas de cálculo ya utilizados en 1600

Y el digital que se deriva de la ábaco

En el pasado para resolver un problema difícil con el cálculo electrónico se podía elegir entre un ordenador analógico, un ordenador digital, o los dos juntos en una configuración híbrida.

Para un matemático muy complejo que involucra ecuaciones diferenciales y otros cálculos desordenado, computadora analógica era inmejorable. Ser capaz de resolver los casos diferenciales casi al instante.

Con las computadoras analógicas era normal para hacer cálculos paralelos, muchas partes de un problema podría ser resuelto de forma simultánea, la aceleración de la solución.

Esto hizo que la simulación de sistemas físicos grandes y complejos rápidos y prácticos.

En el pasado, las computadoras digitales eran muy lentos, mientras que él es capaz de ser programado para hacer los cálculos y otros algoritmos matemáticos más altos, que eran esencialmente poco práctico para simulaciones.

Cuando las computadoras digitales crecieron en la velocidad estaba claro que iban a competir con las computadoras analógicas.

hoy, casi todos los ordenadores digitales, desde los grandes ordenadores centrales a la PC más pequeña, Realiza cálculos y otros matemáticas superiores en un instante y con precisión sin igual.

El análogo ya no podía competir y simplemente han desaparecido. Al igual que muchas otras tecnologías electrónicas, estas máquinas impresionantes tuvieron su ciclo de vida.

sin embargo, Fue y sigue siendo una tecnología fresca. Los ordenadores analógicos eran constantes y variables con niveles de voltaje analógico proporcional. Estos son entonces procesadas por varios circuitos electrónicos que realizan operaciones matemáticas en forma analógica.

El circuito de procesamiento de clave fue el amplificador operacional.

El amplificador operacional se puede reconfigurar fácilmente para realizar una amplia gama de operaciones matemáticas, suma / resta, multiplicación / división, la integración y la diferenciación y muchos más. El amplificador operacional también se puede configurar para realizar operaciones logarítmicas y trigonométricas con circuitos de retroalimentación no lineal especial.

PAGer programa de un ordenador analógico fue suficiente para simplemente escribir las ecuaciones que quería resolver, convertirlos en un diagrama de bloques, entonces cablavano los diversos elementos de cálculo para formar los bloques individuales en un gran panel.

Ejemplo de la resolución matemática

Supongamos, por ejemplo, de tener que resolver una ecuación del tipo

Paloma , mi son constantes y mi son voltajes variables en el tiempo que pueden ser analógicas correspondientes funciones de tiempo.

Puede resolver la ecuación que describe el sistema físico, adoptando el siguiente procedimiento:

• aislar el derivado de mayor ecuación orden; A continuación, toma la forma
• 
• los términos se añaden al segundo miembro en un sumador al amplificador operacional de acuerdo con el siguiente esquema, a continuación, la salida será igual a
• posteriormente se integra esta salida tantas veces como sea necesario para obtener el problema de la variable, es decir, dos veces
• a continuación, se da cuenta de un bucle de realimentación que devuelve a las entradas de los valores sumadores mi y si correcciones de la amplitud con los potenciómetros de entrada.
• A continuación, se aplica la tensión a la otra entrada del sumador. el valor Se obtiene mediante el intercambio de signo con otro inversor operacional

La mayoría de los problemas se han resuelto realizar circuitos de simulación, También grandes sistemas complejos que implican procesos químicos o los viajes espaciales.

A la vista de los que dicen que un ordenador analógico es complicado de programa.

Con componentes analógicos, la precisión del cálculo no era tan grande en comparación con lo que se podría conseguir con una computadora digital, pero era lo suficientemente bueno para la mayoría de los puestos de trabajo.

Muchos de los problemas realmente duros se han resuelto de esta manera. Estos equipos dieron respuestas a los cálculos que no podría encontrarse en el papel por falta de una solución adecuada.

El software de matemáticas disponibles en la actualidad a resolver fácilmente los problemas complejos, imposible hasta los años setenta del siglo pasado.

Uno de estos sistemas simula la primera misión del Apolo a la luna en la NASA en Houston.

Un sistema digital de gran tamaño simulaba el largo vuelo desde la Tierra a la Luna, mientras que un par de computadoras analógicas simulación de dinámica rápida de la nave espacial Apolo en las condiciones iniciales y finales.

Las interfaces de ADC y DAC permitido a las cámaras analógicas y digitales para el intercambio de datos. ¿Se imaginan que las ecuaciones complejas pueden ser simulados con una hibridez .

Los sistemas híbridos también se utilizaron para las empresas aeroespaciales y petroquímica. Un sistema similar fue utilizado por Bell Helicopter en Fort Worth, donde simularon sus proyectos de helicópteros.

La mayoría de estas computadoras analógicas fueron los iterativo en el que se utilizaron suplementos rápidas y el problema se solucionó y repetidamente redujeron muchas veces por segundo.

Esto podría mostrar los resultados gráficos en un osciloscopio. Al permitir la interacción dinámica de la solución que tiene permiso para ver los problemas y optimizar los diseños.

La primera válvula operativa

Los primeros amplificadores operacionales fueron la K2-W constituida con dos tubos de vacío 12HACHA7.

El primer propósito general comercial operativa, Fue producido por George A. nel Philbrick Investigaciones Incorporated 1952. Llamado K2-W, construido alrededor de dos triodos dobles montado junto con un zócalo octal (8-alfiler) para una fácil instalación y mantenimiento en los marcos de tiempo de los equipos electrónicos. Lo que hace posible sólo después de rodear de esto fue tomado del secreto militar.

El diagrama esquemático muestra los dos tubos, junto a diez resistencias y dos condensadores, un diseño bastante simple, pero, recordemos que fue el 1952:

En caso de que usted no conoce los tubos de vacío, que operan de una manera análoga a la MOSFET de canal N, que llevan más corriente cuando la rejilla de control (la línea de puntos) Es más positivo con respecto al cátodo (la línea de doblado cerca de la parte inferior de la símbolo de canalización) y llevar a cabo menos corriente cuando la rejilla de control es menos positiva (o más negativa) respecto al cátodo. El tubo triodo doble izquierdo funciona como un par diferencial, la conversión de las entradas diferenciales (inversora y no inversora) en una única señal de tensión amplificada. Dicha señal piloto de la rejilla de control triodo izquierda de la segunda válvula a través de un divisor de tensión (1 MO-2,2 mO). Triodo que amplifica e invierte la salida del par diferencial con una ganancia de voltaje más alto, a continuación, la señal amplificada se acopla a la segunda triodo del mismo tubo en una configuración de amplificador no inversor para una amplificación de corriente. I due “tubos de neón” actúan como reguladores de voltaje, su comportamiento es similar a los diodos zener semiconductor, su tarea es proporcionar una tensión de polarización en el acoplamiento entre la amplificación dos triodos.

Con una tensión de doble suministro +/- 300 voltio, Este amplificador permite una subida de salida +/- 50 voltio, lo que es muy pobre para los estándares de hoy en día.

Las características esenciales eran:

• de circuito abierto variable de ganancia de voltaje desde 15.000 un 20.000 (Depende del envejecimiento de la válvula)
• subir la velocidad de 12 voltio / microsegundos,
• corriente de salida máxima de 1 mA,
• en el resto de disipación sobre 3 vatio (excluyendo los filamentos!)

Le costó a la modesta acerca 24 dólares, entonces, más o menos en torno 800 dólares de hoy.

El principal problema con todos estos amplificadores iniciales era que tenía que equilibrar para obtener el desplazamiento de CC para la máxima precisión.

Hoy tenemos excelentes amplificadores, multiplicador analógico y otros componentes analógicos de análisis mayor.

Varias veces me preguntaron tendría sentido a una versión moderna de una computadora analógica?

Tal vez podría ser una solución a algún problema de mal cálculo como una situación de investigación.

Un ordenador analógico especial podría ser construido para simular las ecuaciones de forma rápida y con la capacidad de jugar con las diversas variables y así sucesivamente. Sin duda, sería más pequeña, más barato y más preciso que los monstruos del pasado. Los circuitos analógicos son inherentemente más rápido que todavía digital, de manera tal que podría ocurrir.

sin embargo, Esto es ahora una tecnología perdida. Con equipo rápido eqiuipaggiati digital con DSP para la simulación de software de fórmulas matemáticas, que las necesidades no pueden tener una computadora analógica?

¡Qué lástima.

Pero supongo que se puede decir lo mismo de muchas otras tecnologías electrónicas perdidos.

Volver al Futuro Analógico

Mientras que documentavo red para una posible integración de las ideas artículo me encontré con una publicación del año pasado.

de hecho, Ellos han creado un híbrido / monociclo computadora analógica. Se describe en detalle en un documento IEEE :

norte. Guo, Y. Huang, T. más, S. Patil, do. alto, METRO. Seok, S. Sethumadhavan, e y. Tsividis, “Energía Eficiente híbrido Cálculo aproximado Analógico / Digital en Tiempo Continuo,” Revista IEEE de Circuitos de Estado Sólido, vol. 51, no. 7, páginas. 1514-1524, julio 2016 .

Esta es la prueba de que tal vez las computadoras analógicas todavía tienen un lugar en el cálculo.

El análogo son particularmente eficientes en el cálculo, haciendo ecuaciones diferenciales casi trivial. Con una solución casi instantánea. Jugando con las variables, puedes probar con otras condiciones y escenarios.

Los ordenadores analógicos eran siempre rápido, pero no siempre es exacta. Ellos sufrieron y la deriva compensados, tolerancias de los componentes y la degradación, y otras enfermedades similares de los circuitos analógicos. hoy, amplificadores y otros componentes están extremadamente mejoradas, a continuación, un ordenador analógico con características superiores es alcanzable. La cuestión principal es: “Sería de gran ayuda, con procesadores más rápidos y de bajo costo hoy?” probablemente no, pero se puede hacer versiones especiales para resolver problemas específicos.

Profesor Tsividis y sus colegas han creído en este enfoque mediante la creación de un circuito de cálculo analógico / híbrido en un solo chip. utilizando CMOS 65 Nuevo Méjico, el equipo es capaz de resolver ecuaciones diferenciales no lineales a 4 orden °. Uso bloques analógicos consisten en amplificador operacional en clase AB con calibración asistida digitalmente. La precisión de cálculo está en el intervalo desde 0,5% un 5%, con los tiempos de resolución de menos de un microsegundo a varios cientos de microsegundos.

El artículo en cuestión describe solamente una computadora puede resolver ecuaciones 4 orden °, pero hoy Tsividis y su equipo tienen un chip 16 orden °. Con dos de ellos en una tarjeta, Han creado un ordenador 32 Para que las interfaces ° a un ordenador portátil mediante un puerto USB. Tal sistema puede resolver algunos problemas serios en un escritorio – un cambio agradable de los grandes sistemas analógicos / híbridos del pasado que llenó habitaciones enteras.

en general, analógico sigue siendo una buena solución para algunos problemas. sin embargo, No parece probable que alguna vez veremos un / computadora comercial híbrido analógico.

Sin embargo computadora especial podría construirse fácilmente con los circuitos modernos a un costo razonable.

La esperanza todavía nunca muere

Según una investigación realizada por la Universidad de Sannio en Benevento con fondos de la Oficina de Investigación Naval, metamateriales podrían diseñarse de modo que realice un "cálculo fotónico" en las señales de luz que pasan a través de ellos, sentando así las bases teóricas para las computadoras analógicas del futuro.

Los metamateriales se crean artificialmente materiales con propiedades electromagnéticas especiales, y cuyas características macroscópica dependerá no sólo de la estructura molecular sino también por la forma de realización geometría.