Retour ordinateur analogique dans le temps

Après plusieurs demandes de nombreux quartiers, j'ai décidé de publier un article sur les ordinateurs (ordinateurs) analogique.

Je vais essayer dans cet article pour dissiper la rumeur selon laquelle ils sont très complexes, certainement pas simple, mais, seulement parce qu'ils ont besoin d'une approche mentale différente par des ordinateurs numériques.

Essentiellement, nous avons seulement deux types d'ordinateurs à la base de tous les développements futurs, l'analogue dérivé de règles de diapositives déjà utilisés dans 1600

Et l'un numérique qui est dérivé de la abaque

Dans le passé, pour résoudre un problème difficile avec le calcul électronique, vous pouvez choisir entre un ordinateur analogique, un ordinateur numérique, ou les deux ensemble dans une configuration hybride.

Pour un calcul très complexe impliquant des équations différentielles et d'autres calculs en désordre, l'ordinateur analogique était imbattable. Être capable de résoudre presque instantanément des instances différentielles.

Avec les ordinateurs analogiques était normal de faire des calculs parallèles, de nombreuses parties d'un problème pourraient être résolus simultanément, l'accélération de la solution.

Cela a rendu la simulation de grands et complexes systèmes physiques rapides et pratiques.

Dans le passé, les ordinateurs numériques ont été très lents, alors qu'il est capable d'être programmé pour faire des calculs et d'autres algorithmes mathématiques plus élevés, ils étaient essentiellement peu pratique pour les simulations.

Lorsque les ordinateurs numériques se sont accrus de la vitesse, il était clair qu'ils seraient en concurrence avec les ordinateurs analogiques.

aujourd'hui, presque tous les ordinateurs numériques, de grands ordinateurs centraux à petits PC, effectue des calculs et autres mathématiques supérieures dans un flash et avec une précision inégalée.

L'analogue ne pouvait plus soutenir la concurrence et ont tout simplement disparu. Comme beaucoup d'autres technologies électroniques, ces machines impressionnantes avaient leur cycle de vie.

Toutefois, Il a été et est encore une technologie fraîche. Les ordinateurs analogiques sont des constantes et des variables avec des niveaux de tension analogique proportionnel. Ceux-ci sont ensuite traités par différents circuits électroniques qui effectuent des opérations mathématiques sous forme analogique.

Le circuit de traitement de clé est l'amplificateur opérationnel.

L'ampli op peut être facilement reconfiguré pour effectuer un large éventail d'opérations mathématiques, somme / soustraction, multiplication / division, l'intégration et la différenciation et beaucoup d'autres. L'amplificateur opérationnel peut également être configuré pour effectuer des opérations logarithmiques et trigonométriques avec des circuits de contre-réaction non linéaire spéciale.

Pprogramme er un ordinateur analogique suffisait simplement écrire les équations que vous avez voulu résoudre, les convertir en un schéma fonctionnel, puis ils cablavano les différents éléments de calcul pour former des blocs individuels sur un large panel.

Exemple de résolution mathématique

Supposons, par exemple, d'avoir à résoudre une équation du type

Colombe , e sont des constantes et e sont des tensions variant dans le temps qui peuvent être des fonctions correspondantes analogiques de temps.

Vous pouvez résoudre l'équation qui décrit le système physique en adoptant la procédure suivante:

• l'isolement du dérivé de l'équation d'ordre supérieur; il prend alors la forme
• 
• les termes sont ajoutés au second élément dans un additionneur à l'amplificateur opérationnel selon le schéma ci-dessous, la sortie est égale à
• intègre ensuite cette sortie autant de fois que nécessaire pour obtenir le problème de la variable, soit deux fois
• puis réalise une boucle de rétroaction qui renvoie aux entrées des valeurs d'additionneur e et si l'amplitude fixe avec les potentiomètres d'entrée.
• Il applique ensuite la tension à l'autre entrée de l'additionneur. la valeur Il est obtenu en échange signe avec un autre inverseur opérationnel

La plupart des problèmes ont été résolus de réaliser des circuits de simulation, Aussi grands systèmes complexes impliquant des processus chimiques ou Voyage spatial.

Face à ceux qui disent qu'un ordinateur analogique est compliqué à programmer.

Avec des composants analogiques, précision de calcul n'a pas été si grand par rapport à ce que vous pourriez obtenir avec un ordinateur numérique, mais il était assez bon pour la plupart des emplois.

De nombreux problèmes vraiment difficiles ont été résolus de cette façon. Ces ordinateurs ont donné des réponses au calcul que vous ne pourriez pas vous trouver sur le papier, faute d'une solution adaptée.

Le logiciel de mathématiques disponibles aujourd'hui facilement résoudre des problèmes complexes, impossible jusqu'à ce que les années soixante-dix du siècle dernier.

Un tel système simulé la première mission Apollo sur la Lune de la NASA à Houston.

Un grand système numérique simulé le long vol de la Terre à la Lune tandis qu'une paire d'ordinateurs analogiques simulant dynamique rapide de l'engin spatial Apollo dans les conditions initiales et finales.

Les interfaces ADC et DAC permis aux caméras analogiques et numériques pour échanger des données. Pouvez-vous imaginer que les équations complexes peuvent être simulées avec une hybridité .

Les systèmes hybrides ont également été utilisés pour les entreprises de l'aérospatiale et de la pétrochimie. Un système similaire a été utilisé par Bell Helicopter à Fort Worth où ils ont simulé leurs projets d'hélicoptère.

La plupart de ces ordinateurs analogiques étaient une itérative dans laquelle ils ont été utilisés suppléments rapides et le problème a été résolu et à plusieurs reprises revu à la baisse plusieurs fois par seconde.

Cela pourrait afficher les résultats graphiques sur un oscilloscope. En permettant une interaction dynamique de la solution qui a la permission de voir les problèmes et optimiser les conceptions.

vanne opérationnelle Première

Les premiers amplificateurs opérationnels ont été les K2-W constitué de deux tubes à vide 12HACHE7.

Le premier but commercial général opérationnel, Il a été produit par George A. nel Philbrick Incorporated Researches 1952. Appelé K2-W, construit autour de deux doubles triodes monté conjointement avec une douille octal (8-épingle) pour l'installation et l'entretien facile dans les délais des équipements électroniques. Ce qui a rendu possible qu'après encerclant pour cela a été pris du secret militaire.

Le schéma montre les deux tubes, ensemble de dix résistances et deux condensateurs, une conception assez simple, mais, rappelons-nous que c'était la 1952:

Si vous ne connaissez pas les tubes à vide, ils fonctionnent d'une manière analogue au transistor MOSFET à canal N, ils conduisent plus de courant quand la grille de commande (la ligne pointillée) Il est relatif plus positif à la cathode (la ligne pliée vers le bas de la barre verticale) et effectuer moins de courant lorsque la grille de commande est moins positive (ou plus négatif) rapport à la cathode. Le tube double triode gauche fonctionne comme une paire différentielle, convertir les entrées différentielles (inverseuse et non inverseuse) en un seul signal de tension amplifié. Un tel signal pilote de la grille de commande de triode à gauche de la seconde soupape à travers un diviseur de tension (1 MQ-2,2 MQ). Ce triode amplifie et inverse la sortie de la paire différentielle à un gain de tension plus élevée, puis le signal amplifié est couplé à la seconde triode du même tube dans une configuration d'amplificateur non-inverseur pour une amplification de courant. Les deux “tubes néon” agir en tant que régulateurs de tension, leur comportement est similaire aux diodes Zener semi-conducteurs, leur tâche est de fournir une tension de polarisation dans le couplage entre les deux amplification des triodes.

Avec une tension double alimentation +/- 300 volt, Cet ampli-op permet une hausse de sortie +/- 50 volt, qui est très faible par rapport aux normes d'aujourd'hui.

Les caractéristiques essentielles ont été:

• de la variable de gain de tension en circuit ouvert de 15.000 une 20.000 (Cela dépend du vieillissement de la vanne)
• monter la vitesse de 12 volt / xs,
• courant de sortie maximal de 1 mA,
• à la dissipation de repos sur 3 watt (filaments à l'exclusion!)

Il a coûté la modeste au sujet de 24 dollars alors, plus ou moins autour de 800 dollars d'aujourd'hui.

Le principal problème avec tous ces amplificateurs initial était qu'il fallait équilibrer pour obtenir le décalage en courant continu pour la plus haute précision.

Aujourd'hui, nous avons d'excellents amplificateurs, multiplicateurs analogiques et d'autres composants analogiques d'analyse ultérieure.

Plusieurs fois j'ai demandé serait logique d'une version moderne d'un ordinateur analogique?

Peut-être qu'il pourrait être une solution à un problème de calcul mauvais comme une situation de recherche.

Un ordinateur analogique spécial pourrait être construit pour simuler rapidement les équations et avec la possibilité de jouer avec les différentes variables et ainsi de suite. Il serait certainement plus petite, moins cher et plus précis que les monstres du passé. Les circuits analogiques sont encore plus rapides que par nature numérique de sorte qu'il pourrait peut-être arriver.

Toutefois, Ceci est maintenant une technologie perdue. Avec ordinateur rapide eqiuipaggiati numérique avec DSP pour la simulation de logiciels de formules mathématiques, que les besoins ne peuvent jamais avoir un ordinateur analogique?

Quel dommage.

Mais je suppose que nous pouvons dire la même chose de beaucoup d'autres technologies électroniques perdues.

Retour vers le futur analogique

Alors que je documentavo réseau pour l'article possible d'idées d'intégration, je suis tombé sur une publication l'année dernière.

En effet, Ils ont créé un ordinateur analogique / hybride monocycle. Il est décrit en détail dans un document IEEE :

N. Guo, et. Huang, T. plus, S. Patil, C. haut, M. Seok, S. Sethumadhavan, Andy. Tsividis, “À bon rendement énergétique hybride analogique / numérique Calcul approximatif en temps continu,” Journal of Solid-State Circuits IEEE, vol. 51, non. 7, pp. 1514-1524, juillet 2016 .

Ceci est la preuve que peut-être les ordinateurs analogiques ont encore une place dans le calcul.

L'analogue est particulièrement efficace dans le calcul, faire des équations différentielles presque trivial. Avec une solution presque instantanée. Jouer avec des variables, vous pouvez essayer différentes conditions et scénarios.

Les ordinateurs analogiques étaient toujours rapide mais pas toujours précis. Ils ont souffert et dérive du décalage, tolérances et à la dégradation des composants, et d'autres maladies similaires des circuits analogiques. aujourd'hui, amplificateurs et d'autres composants sont très améliorés, puis un ordinateur analogique avec des caractéristiques supérieures est réalisable. La question principale est: “Il serait utile, avec des processeurs plus rapides et peu coûteux aujourd'hui?” probablement pas, mais vous pouvez faire des versions spéciales pour résoudre des problèmes uniques.

Professeur Tsividis et ses collègues ont cru à cette approche en créant un circuit de calcul analogique / hybride sur une seule puce. En utilisant CMOS 65 nm, l'ordinateur est capable de résoudre les équations différentielles non linéaires à 4 commande. Utilisation des blocs analogiques sont constitués d'ampli op en classe AB avec étalonnage numérique assisté. La précision de calcul est dans la plage de 0,5% une 5%, avec des temps de résolution de moins d'une microseconde à plusieurs centaines de microsecondes.

L'article en question ne décrit qu'un ordinateur peut résoudre des équations 4 commande, mais aujourd'hui Tsividis et son équipe ont une puce 16 commande. Avec deux de ces derniers sur une carte, Ils ont créé un ordinateur 32 afin que les interfaces ° à un ordinateur portable via un port USB. Un tel système peut résoudre certains problèmes graves sur un ordinateur de bureau – un changement agréable des grands systèmes analogiques / hybrides du passé qui a rempli des salles entières.

en général, analogique est toujours une bonne solution pour certains problèmes. Toutefois, Il ne semble pas probable que nous verrons jamais un ordinateur commercial analogique / hybride.

Cependant ordinateur spécial pourrait facilement être construit avec des circuits modernes à un coût raisonnable.

L'espoir meurt encore jamais

Selon les recherches menées par l'Université de Sannio à Benevento avec le financement du Bureau américain de la recherche navale, métamatériaux pourraient être conçus de façon à effectuer un « calcul photonique » sur les signaux lumineux qui les traversent, jetant ainsi les bases théoriques pour les ordinateurs analogiques du futur.

Les métamatériaux sont des matériaux artificiellement créés à propriétés électromagnétiques particulières, et dont les caractéristiques macroscopiques dépend non seulement de la structure moléculaire mais également par le mode de réalisation de la géométrie.