مقال من مدونة كين شريف من متحف تاريخ الكمبيوترإننا نقوم باستعادة جهاز كمبيوتر قديم (1969) ، استنادًا إلى وضع علامة على جهاز الكمبيوتر الخاص بالرقائق) ، تم العثور عليه مؤخرًا بواسطة أحد موظفينا. كانت الحواسيب التناظرية شائعة الاستخدام للحسابات العلمية السريعة ، لكنها تلاشت تقريباً في السبعينيات. أنها مثيرة للاهتمام في نموذج مختلف تماما عن أجهزة الكمبيوتر الرقمية. في هذا المنشور ، سأركز على مضخمات التشغيل (المرجع أمبير) المستخدمة في هذا الكمبيوتر التمثيلي ، طراز 240 من Simulators Inc.
نموذج 240 جهاز كمبيوتر تمثيلي من شركة Simulators Inc. - "كمبيوتر سطح مكتب تمثيلي عالي الدقة للأغراض العامة" يحتوي على ما يصل إلى 24 أمبير (هناك 20 في هذا النموذج).ما هو الكمبيوتر التناظرية؟
يقوم الكمبيوتر التمثيلي بإجراء العمليات الحسابية باستخدام القيم الفعلية والمتغيرة باستمرار ، مثل الجهد. على النقيض من ذلك ، يستخدم الكمبيوتر الرقمي قيمًا ثنائية منفصلة. تتمتع أجهزة الكمبيوتر التناظرية بتاريخ طويل - ويشمل ذلك التروس والتروس ،
وقواعد الشرائح ، ووحدات
تكامل كرة القرص الميكانيكية ،
وأجهزة الكمبيوتر المدية ، وأنظمة التوجيه الميكانيكية. ومع ذلك ، فإن أجهزة الكمبيوتر التمثيلية "الكلاسيكية" في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي تستخدم مقاييس أمبير ومكامل لحل المعادلات التفاضلية. عادة ما تكون مبرمجة عن طريق توصيل الأسلاك بلوحة التصحيح ، مما أدى إلى ظهور خليط من الأسلاك.
"برمجة" أجهزة الكمبيوتر التمثيلية عن طريق توصيل الأسلاك بلوحة التصحيح. هذه اللوحة من كمبيوتر تمثيلي EAIوكانت ميزة كبيرة من أجهزة الكمبيوتر التناظرية سرعتها. لقد قاموا بحساب النتائج على الفور تقريبًا ، حيث عملت مكوناتها بشكل متوازٍ. تحتاج أجهزة الكمبيوتر الرقمية في بعض الأحيان إلى النفخ على الحوسبة لفترة طويلة. نتيجة لذلك ، كانت أجهزة الكمبيوتر التمثيلية مفيدة للغاية في عمليات المحاكاة في الوقت الفعلي. كان عيب أجهزة الكمبيوتر التناظرية أن دقتها تعتمد مباشرة على دقة مكوناتها. إذا كنت بحاجة إلى دقة إلى 4 أرقام ، فأنت بحاجة إلى مقاومات غالية بدقة 0.01 ٪. في الوقت نفسه ، يمكن إجراء أجهزة الكمبيوتر الرقمية بأية دقة ، وذلك ببساطة باستخدام المزيد من وحدات البت. لسوء الحظ بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر التمثيلية ، نمت سرعة أجهزة الكمبيوتر الرقمية وقوتها بشكل كبير ، وبحلول السبعينيات لم يكن هناك أي سبب عملي لاستخدام التناظرية.
داخل جهاز كمبيوتر تمثيلي
قلب الكمبيوتر التمثيلي هو مكبرات الصوت التشغيلية (المرجع أمبير). يمكن لـ opamps تلخيص وتوسيع إشارة الدخل ، مما يوفر أبسط العمليات الحسابية. الأهم من ذلك ، من خلال الجمع بين المرجع أمبير مع مكثف دقيق ، يمكن إنشاء دمج. دمج متكامل المدخلات مع مرور الوقت ، وشحن مكثف. سمح هذا لأجهزة الكمبيوتر التمثيلية بحل المعادلات التفاضلية. قد يبدو من الغريب أن التكامل ، وهو عملية رياضية معقدة ، كان لبنة البناء الأساسية لأجهزة الكمبيوتر التمثيلية ، ولكن هذه هي الطريقة التي تعمل بها الأجهزة.
تستخدم أجهزة تكامل الكمبيوتر التناظرية مكثفات عالية الدقة. في الجزء العلوي ، يمكنك رؤية مكثف متغير (قابل للتخصيص) بسرعة 10 فهرنهايت ، ومربع معدني كبير في الأسفل هو مكثف متغير بقدرة 10 فائق التردد. تم تصنيع هذه المكثفات بحيث كان التسرب صغيرًا جدًا ولم تتسرب منه القيمة القابلة للتكامل. في المقدمة هو تتابع لاختيار المكثفات.تستخدم أجهزة الكمبيوتر التناظرية العديد من مقاييس الجهد لتعيين قيم الإدخال وثوابت التحجيم. لضمان دقة ضبط عالية ، يمكن تدوير مقاييس الجهد حتى 10 مرات. للتحقق من مقاييس الجهد ، تم استخدام الفولتميتر. يمكن استخدامه أيضًا لإظهار قيم المخرجات ، ولكن في أغلب الأحيان يتم عرضها على مرسمة الذبذبات أو شريط المخطط أو المخطط.
أعلاه هو القسم الرقمي لجهاز الكمبيوتر التمثيلي. في الجزء السفلي هي مقاييس الجهد. لا يحتوي طراز الكمبيوتر هذا على بعض مقاييس الجهد. بدلا من لوحة فارغة ، يمكن أن يكون الفولتميتر الرقمي في الجزء العلوي الأيسر.تحتوي بعض أجهزة الكمبيوتر التمثيلية أيضًا على مكونات رقمية - البوابات والمشغلات وأجهزة الهزاز المتعددة الأحادية والعدادات. هذه الوظيفة مكنت من إجراء حسابات أكثر تعقيدًا - على سبيل المثال ، التكرار على الحلول في مساحة الحلول. يحتوي الكمبيوتر الخاص بنا على بعض المنطق الرقمي الذي يمكن الوصول إليه من خلال لوحة تصحيح الألوان (في الصورة أعلاه).
في الصورة أدناه ، يتم تفكيك الكمبيوتر جزئيًا. في الداخل ، اتضح أنه أكثر تعقيدًا مما كنت أتوقع ، مع العديد من لوحات الدوائر. أزلنا لوحة التصحيح ، التي فتحت شبكة من الاتصالات لنا. يقوم الكبل المتصل بلوحة التصحيح بإغلاق جهات الاتصال وتكوين البرنامج. تم العثور على خمس وحدات خلف لوحة الكمبيوتر: تتم إزالة الوحدة الموجودة في أقصى اليسار وتقع أمام الكمبيوتر (بشكل عام ، يوجد مكان لست وحدات في الداخل ، ولكن لم يتم تثبيتها - يبدو أن هذا نموذج أرخص ، وبالتالي فهو لم يقم بتثبيت العديد من مقاييس الجهد). اللوحة ، المرئية في الأعلى ، تدعم المنطق الرقمي واثنين من مضاعفات التناظرية. توجد دوائر الطاقة واللوحة الأمامية في الأسفل.
الكمبيوتر التناظرية مع إزالة الغطاء. تتم إزالة إحدى الوحدات وتقع أمامها.يوجد أدناه صورة عن قرب للوحدة ، وكذلك جهات اتصال اللوحة في المقدمة. ثمانية لوحات واضحة وراء. من اليسار إلى اليمين على اللوحات: أربع أمبير أمبير (4 لوحات) ، دوائر مختلفة (لوحة واحدة) ومضاعف (3 لوحات). في الكمبيوتر التمثيلي ، كان من الصعب تطبيق الضرب ؛ هناك حاجة إلى ثلاث لوحات لدائرة واحدة تتضاعف قيمتين.
يمكن لأجهزة الكمبيوتر التناظرية حساب الوظائف التعسفية باستخدام شبكات مقاومة الصمام الثنائي. للضرب ، تم ضبط الشبكات لحساب وظيفة مكافئ. تم اعتبار الضرب من خلال الهوية X × Y = ((X + Y)
2 - (XY)
2 ) / 4. تم حساب المبالغ والاختلافات عن طريق المرجع أمبير ، والمربع من خلال مولد وظيفة مكافئ.
واحدة من الوحدات. يتم إدراج "الأصابع" على جهات الاتصال الأمامية في لوحة التصحيح. توجد خلفها مقاومات عالية الدقة مربعة الشكل (0.01٪).مكبرات الصوت التشغيلية
في الصورة أعلاه ، كل op-amp لديها لوحة منفصلة خاصة بها ، مليئة بمكونات مختلفة. تحتوي كل لوحة على دارة op-amp متكاملة ، مما يجعلك تتساءل عن سبب الحاجة إلى العديد من المكونات الأخرى. الجواب بسيط - تتطلب أجهزة الكمبيوتر التمثيلية تشغيلًا دقيقًا للغاية لأمر المرجع. على وجه الخصوص ، كان على opamps العمل مع إشارات على تردد ثابت ومنخفض مستمر ، ولكن لسوء الحظ ، فإن opamps تتصرف بشكل سيء للغاية في هذا النطاق ، فإنها تحب الترددات العالية أكثر.
في عام 1949 ، تم تطوير حل لتشغيل المرجع أمبير على ترددات منخفضة: مكبرات الصوت
المروحية . الفكرة هي: يقوم المروحية بتعديل إشارة الدخل ، على سبيل المثال ، عند 400 هرتز. يعمل المرجع أمبير بتضخيم هذه الإشارة بالتناوب بسرعة 400 هرتز. تقلل المروحية الثانية إشارة متغير الخرج إلى الثابت ، مما يعطي نتائج أفضل بكثير من التضخيم المباشر لإشارة ثابتة. تضيف ألواح op-amp الموجودة في جهاز كمبيوتر تمثيلي دائرة مروحية ، لتكمل الدائرة المتكاملة لـ op-amp وتحسن من جودة تشغيلها.
يمكن تخيل عمل المروحية كعمل إشارة راديو AM amplifier. صحيح ، على عكس AM ، يجب أن تكون إزالة التشكيل "حساسة للطور" من أجل التمييز بين الإشارة الإيجابية والسلبية.
يوضح المخطط (من هذا
الكتيب ) الرسم التخطيطي للوحة الأمبير أمبير. الفكرة هي أن جزءًا من إشارة الدخل يمر عبر مكثف (مرشح تمرير عالي) إلى مكبر للصوت AC. أيضا ، يذهب المدخلات إلى "مكبر للصوت DC استقرار" ، والتي يوجد فيها إدخال المروحية. يتم إزالة تشكيل الإخراج ويمر عبر مرشح تمرير منخفض (المقاوم / مكثف). يتم الجمع بين مخرجات مكبر للصوت اثنين ويتم تضمينها في "مكبر للصوت DC" ، مكبر للصوت الإخراج.
إيلاء الاهتمام للعناصر للاعتراف ومنع الحمل الزائد. في الكمبيوتر التمثيلي ، يمكن أن يحدث الحمل الزائد بسهولة تامة عندما تكون القيمة المحسوبة أعلى من المتوقع وتتجاوز المرجع (V 10 فولت). نتيجة لذلك ، ستكون النتائج غير صحيحة. يلتقط المرجع الإضافي الزائد ويضيء المصباح الموجود على اللوحة حتى يعرف المستخدم ماهية المشكلة. يتمثل جزء مهم من عمل مبرمج الكمبيوتر التمثيلي في فهم كيفية قياس البيانات بحيث تتناسب القيم الرياضية مع القيود المادية للنظام.
يُظهر الرسم البياني أدناه إحدى لوحات opamp. اليوم ، عادةً ما يكون لمرجع أمبير إدخال إيجابي وسالب ، لكن أجهزة الكمبيوتر التمثيلية عادةً ما يكون لها إدخال سلبي فقط - لذلك قاموا بتلخيص البيانات وعكسوها. على اليمين ، يمكنك رؤية المدخل (مفصول عن جميع جهات الاتصال الأخرى على اليسار لتجنب الضوضاء). تنقسم المداخل إلى ثلاثة مسارات. الأول يؤدي إلى مكبر للصوت العاصمة المروحية. تمر الإشارة عبر مرشح تمرير منخفض لاستخراج إشارة التيار المنخفض والتردد المباشر. المروحية بسيطة: ترانزستور تأثير المجال مع تقاطع JFET PN الأرض بالتناوب إشارة تحت سيطرة مذبذب خارجي 400 هرتز. يتم تقديم هذه الإشارة المعدلة إلى Amelco 809 op amp IC ، التي ظهرت في عام 1967 (شركة Amelco ، المنسيّة الآن ، لعبت ذات مرة دورًا مهمًا في إنتاج op amp ؛ على وجه الخصوص ، صنعت أول JFET op amp). IP هو اسطوانة معدنية مستديرة. ثم كانت مثل هذه الحالات شعبية ، وساعدت في حماية المرجع أمبير من الضوضاء. أخيرًا ، يمر إخراج IC عبر مروحية ثانية ومرشح لإزالة التشكيل.
لوحة OA من كمبيوتر تمثيلي ، مع مجموعات وظيفية محددة. على الرغم من أن اللوحة تستخدم الأمبير op مع ICs ، هناك حاجة إلى طقم جسم إضافي لتحقيق أداء أمبير المطلوبة.
هناك جهات اتصال على الجانب الأيسر ، وهنا هي نتيجة هندسي العكسي للوحة:
L: التوازن في
K: الأرض المروحية
J: إشارة الزائد خارج
H: محرك المروحية في
F: الأرض
E: الأرض
D: -15V
ج: + 15 فولت
B: المرجع أمبير الإخراج
ج: غير المستخدمةثم يتم دمج مسار الإدخال الثاني مع إخراج مكبر للصوت DC. تستخدم معظم أمبير المرجع زوجًا تفاضليًا ، وهذه اللوحة ليست استثناء. في الزوج التفاضلي ، يعطي اثنان من الترانزستورات مكسبًا كبيرًا للفرق بين الإشارتين الواردتين. إشارات الدخل للزوج التفاضلي هي إشارة الدخل للوحة والإشارة الصادرة عن مضخم تقطيع التيار المستمر (DC chopper amplifier) ، لذلك فهي تضخيم كل من المدخلات الأولية والإشارة الثابتة. لكي تعمل وحدة التشغيل (op-amp) بشكل صحيح ، يجب أن يكون توازن الترانزسترين في الزوج التفاضلي متوازنًا تمامًا. على وجه الخصوص ، يجب أن تعمل الترانزستورات في نفس درجة الحرارة ، بحيث تكون متصلة بواسطة مقطع معدني.
ترتبط الترانزستورات الهامة بمشبك معدني حتى يعمل في نفس درجة الحرارة. زوج التفاضلية على اليمين وعلى اليسار هي المخازن المؤقتة الترانزستور الإدخال.مسار الإدخال الثالث يذهب إلى مكبر للصوت AC. تمر الإشارة الواردة من خلال مرشح تمرير عالي (المقاوم والمكثف) ، ومن ثم من خلال مخزن مؤقت الترانزستور بسيط. يتم دمج إشارة "الانتشار الأمامي" مع إخراج زوج تفاضلي لتحسين استجابة تردد مكبر الصوت. عند هذه النقطة ، يتم تضخيم إشارة الدخل بثلاث طرق مختلفة ، مما يعطي جودة جيدة في كل من الترددات المنخفضة والعالية.
المرحلة الأخيرة من لوحة op-amp هي مضخم إخراج يوفر تيارًا قويًا ، يُستخدم في بقية الكمبيوتر. وهو مكبر للصوت
فئة AB . في ذلك الوقت ، كانت الترانزستورات الفردية تفتقر إلى القوة ، لذلك تستخدم ترانزستورات NPN واثنين من الترانزستورات PNP.
كل لوحة لديها المدخلات والمخرجات متصلة لوحة التصحيح. أدناه في الصورة ، لوحات op-amp (من A1 إلى A4) في شكل قطع من الكعكة. مداخلهم خضراء ومخارجهم حمراء. ترتبط op-amps المستخدمة في الأعداد الصحيحة أيضًا بدمج المكثفات.
صورة مقربة للوحة التصحيح مع موصلات A1 و A3 و A4. المداخل خضراء ، المخارج حمراء. الشروط الأولية لل IC هي بيضاء. موصلات الجهد الأصفر.في لوحة التصحيح ، يحتوي كل عنصر op-amp على عدة موصلات إدخال بقيم المقاوم المختلفة للتحجيم ؛ هذه هي الأرقام 10 و 100 في الصورة. توضح الصورة أدناه هذه المقاومات عالية الدقة (الأسطوانات السوداء) المتصلة مباشرة بجهات الاتصال في لوحة التصحيح. يتم التحكم في مدخلات Integrator بواسطة المرحلات (أدناه) والمفاتيح الإلكترونية حتى يتمكن الكمبيوتر التمثيلي من تهيئة المكثفات المدمجة وبدء الحساب وحفظ نتيجة التحليل.
ترتبط المقاومات (الاسطوانات السوداء) مباشرة بأطراف لوحة التصحيح. تتحكم المرحلات في الوسط في حالات مختلفة من الكمبيوتر: الشروط الأولية والتشغيل والاحتفاظ. لوحات اتصال دبابيس الأخضر أدناه.استنتاج
على الرغم من وجود دارات متكاملة مع المرجع أمبير في أواخر 1960s ، جودتها لم تكن كافية لأجهزة الكمبيوتر التناظرية. بدلاً من ذلك ، تم استخدام لوحة كاملة تحتوي على مكونات لكل عملية أمبير ، حيث تم الجمع بين المرحلتين المرحلتين الأمريكيتين المتكاملتين (op-amp) وبين المروحيات وعناصر أخرى ، مما جعل من الممكن تنفيذ عملية op-amp عالية الدقة. على الرغم من أن التحسينات التي أدخلت على جودة عناوين IP قد أدت إلى زيادة هائلة في سرعة الحوسبة الرقمية ، إلا أن أجهزة الكمبيوتر التناظرية تتمتع بمزايا صغيرة للغاية من عناوين IP. نتيجةً لذلك ، فازت أجهزة الكمبيوتر الرقمية ، وأصبحت أجهزة الكمبيوتر التناظرية اليوم مجرد قطع أثرية تاريخية.
لوحة التصحيح القابلة للإزالة لجهاز كمبيوتر تمثيلي. تمت برمجته عن طريق توصيل الأسلاك عبر الثقوب. يمكن إزالة اللوحة ، لذلك أثناء استخدام أحد المبرمجين للكمبيوتر ، يمكن للآخر توصيل الأسلاك في ذلك الوقت.أصف دارة الكمبيوتر التمثيلي بمثل هذه التفاصيل لأننا نحاول استعادتها ، لكننا نفتقر إلى الوثائق. لذلك ، أنا منخرط في الهندسة العكسية ، وأحاول فهم كيفية استعادتها إلى حالة صالحة للعمل وكيفية برمجتها. على الرغم من أن الرسوم البيانية للوحات اللوحات بسيطة للغاية ، فإن الكمبيوتر يحتوي على الكثير من المكونات التي تحتاج إلى تحليل. أصعب شيء هو فهم الاتصالات في حزم ضيقة من الأسلاك ، وأساسا لا بد من القيام بذلك مع المتعدد.