Reverse Engineering von rauscharmen Operationsverstärkern von einem analogen Computer im Jahr 1969

Ein Artikel aus dem Blog von Ken Shirrif vom Museum of Computer History

Wir restaurieren einen Vintage-Computer (1969, gemessen an der Kennzeichnung der Chips), der kürzlich von einem unserer Mitarbeiter gefunden wurde. Analoge Computer waren einst für schnelle wissenschaftliche Berechnungen beliebt, starben jedoch in den 1970er Jahren fast aus. Sie sind interessant in einem Paradigma, das sich von digitalen Computern völlig unterscheidet. In diesem Beitrag werde ich mich auf die Operationsverstärker (Operationsverstärker) konzentrieren, die in diesem analogen Computer, Modell 240 von Simulators Inc., verwendet werden.


Analoger Computer Modell 240 von Simulators Inc. - „Allzweck-Hochpräzisions-Analog-Desktop-Computer“ mit bis zu 24 Operationsverstärkern (in diesem Modell sind es 20).

Was ist ein analoger Computer?

Ein analoger Computer führt Berechnungen mit physikalischen, stufenlosen Werten wie z. B. Spannung durch. Im Gegensatz dazu verwendet ein digitaler Computer diskrete Binärwerte. Analoge Computer haben eine lange Geschichte - dazu gehören Zahnräder und Zahnräder, Rechenschieber , mechanische Scheibenball-Integratoren , Gezeitencomputer und mechanische Leitsysteme. Die „klassischen“ analogen Computer der 1950er und 1960er Jahre verwenden jedoch Operationsverstärker und Integratoren, um Differentialgleichungen zu lösen. Normalerweise wurden sie durch Anschließen der Drähte an das Patchfeld programmiert, was zum Auftreten einer Mischung aus Drähten führte.


Analoge Computer „programmieren“, indem Kabel an das Patchfeld angeschlossen werden. Dieses Panel stammt von einem analogen EAI-Computer

Der große Vorteil von analogen Computern war ihre Geschwindigkeit. Sie berechneten die Ergebnisse fast sofort, da ihre Komponenten parallel arbeiteten. Digitale Computer mussten manchmal lange Zeit über das Rechnen pusten. Infolgedessen waren analoge Computer in Echtzeitsimulationen am nützlichsten. Der Nachteil von analogen Computern war, dass ihre Genauigkeit direkt von der Genauigkeit ihrer Komponenten abhing; Wenn Sie eine Genauigkeit von 4 Stellen benötigen, benötigen Sie teure Widerstände mit einer Genauigkeit von 0,01%. Gleichzeitig können digitale Computer mit jeder Präzision ausgeführt werden, indem einfach mehr Bits verwendet werden. Unglücklicherweise für analoge Computer nahmen Geschwindigkeit und Leistung digitaler Computer exponentiell zu, und in den 1970er Jahren gab es praktisch keinen Grund, analoge Computer zu verwenden.

In einem analogen Computer

Das Herzstück eines analogen Computers sind seine Operationsverstärker (Operationsverstärker). Die Operationsverstärker können das Eingangssignal zusammenfassen und skalieren und bieten so die einfachsten mathematischen Berechnungen. Noch wichtiger ist, dass durch die Kombination eines Operationsverstärkers mit einem genauen Kondensator Integratoren erzeugt werden könnten. Der Integrator integrierte den Eingang über die Zeit und lud den Kondensator auf. Dies ermöglichte es analogen Computern, Differentialgleichungen zu lösen. Es mag seltsam erscheinen, dass die Integration, eine komplexe mathematische Operation, der Grundbaustein analoger Computer war, aber so funktionierte die Hardware.


Analoge Computerintegratoren verwendeten Kondensatoren mit großer Präzision. Oben sehen Sie einen variablen (anpassbaren) Kondensator bei 10 nF, und eine große Metallbox unten ist ein variabler Kondensator bei 10 uF. Diese Kondensatoren wurden so hergestellt, dass die Leckage extrem klein war und der integrierbare Wert nicht aus ihnen austrat. Im Vordergrund steht ein Relais zur Auswahl von Kondensatoren.

Analoge Computer verwendeten mehrere Potentiometer, um Eingabewerte und Skalierungskonstanten einzustellen. Um eine hohe Abstimmgenauigkeit zu gewährleisten, können die Potentiometer bis zu 10-mal gedreht werden. Zur Überprüfung der Potentiometer wurde ein Voltmeter verwendet. Es könnte auch verwendet werden, um Ausgabewerte zu demonstrieren, aber häufiger wurden sie auf einem Oszilloskop, einem Diagrammband oder einem Plotter angezeigt.


Oben ist der digitale Teil eines analogen Computers. Unten sind Potentiometer; Dieses Computermodell verfügt nicht über einige Potentiometer. Anstelle eines leeren Feldes könnte sich oben links ein digitales Voltmeter befinden.

Einige analoge Computer hatten auch digitale Komponenten - Gates, Trigger, monostabile Multivibratoren und Zähler. Diese Funktionalität ermöglichte es, komplexere Berechnungen durchzuführen - beispielsweise über Lösungen im Lösungsraum zu iterieren. Unser Computer verfügt über eine digitale Logik, auf die über das Farbfeld (siehe Abbildung oben) zugegriffen werden kann.

Auf dem Foto unten ist der Computer teilweise zerlegt. Im Inneren stellte sich heraus, dass es mit vielen Leiterplatten komplexer war als ich erwartet hatte. Wir haben das Patchfeld entfernt, das uns ein Kontaktraster geöffnet hat. Ein an das Patchfeld angeschlossenes Kabel schließt die Kontakte und konfiguriert das Programm. Hinter dem Panel des Computers wurden fünf Module gefunden: Das am weitesten links liegende Modul wird entfernt und liegt vor dem Computer (im Allgemeinen ist Platz für sechs Module im Inneren, aber eines wurde nicht installiert - anscheinend handelt es sich um ein billigeres Modell, und daher wurden nicht mehrere Potentiometer installiert). Die Karte, die oben sichtbar ist, unterstützt digitale Logik und zwei analoge Multiplikatoren. Strom- und Frontplattenkreise befinden sich unten.


Analoger Computer mit abgenommener Abdeckung. Eines der Module wird entfernt und liegt davor.

Unten sehen Sie ein Nahaufnahmefoto des Moduls sowie die Bedienfeldkontakte auf der Vorderseite. Acht Bretter sind dahinter sichtbar. Von links nach rechts auf den Platinen: vier Operationsverstärker (4 Platinen), verschiedene Schaltkreise (1 Platine) und ein Multiplikator (3 Platinen). In einem analogen Computer war die Multiplikation unerwartet schwierig zu implementieren. Für eine einzelne Schaltung, die zwei Werte multipliziert, werden drei Karten benötigt.

Analoge Computer könnten beliebige Funktionen unter Verwendung von Diodenwiderstandsnetzwerken berechnen. Zur Multiplikation wurden die Netzwerke abgestimmt, um eine Parabelfunktion zu berechnen. Die Multiplikation wurde durch die Identität X × Y = ((X + Y) ² - (XY) ² ) / 4 betrachtet. Die Summen und Differenzen wurden mit Hilfe des Operationsverstärkers und das Quadrat durch den Generator der Parabelfunktion berechnet.


Eines der Module. "Finger" an den vorderen Kontakten werden in das Patchfeld eingesetzt. Dahinter befinden sich hochpräzise quadratische Widerstände (0,01%).

Operationsverstärker

Auf dem Foto oben hat jeder Operationsverstärker eine eigene Platine, die mit verschiedenen Komponenten gefüllt ist. Jede Karte verfügt über eine integrierte Operationsverstärkerschaltung, sodass Sie sich fragen, warum so viele andere Komponenten benötigt werden. Die Antwort ist einfach: Analoge Computer erforderten einen sehr präzisen Betrieb des Operationsverstärkers. Insbesondere mussten die Operationsverstärker mit Signalen mit konstantem Strom und niedriger Frequenz arbeiten, aber leider verhalten sich die Operationsverstärker in diesem Bereich sehr schlecht, sie mögen hohe Frequenzen mehr.

1949 wurde eine Lösung für den Betrieb des Operationsverstärkers bei niedrigen Frequenzen entwickelt: Chopper- Verstärker. Die Idee ist folgende: Der Chopper moduliert das Eingangssignal beispielsweise mit 400 Hz. Der Operationsverstärker verstärkt dieses Wechselsignal freudig mit 400 Hz. Der zweite Chopper demoduliert das Signal der Ausgangsvariablen wieder auf konstant, was viel bessere Ergebnisse liefert als die direkte Verstärkung eines konstanten Signals. Die Karten für den Operationsverstärker in einem analogen Computer fügen eine Zerhackerschaltung hinzu, die die integrierte Schaltung des Operationsverstärkers ergänzt und die Qualität seines Betriebs verbessert.

Die Arbeit des Zerhackers kann als die Arbeit eines AM-Funksignals eines Amplitudenverstärkers vorgestellt werden. Im Gegensatz zu AM muss die Demodulation zwar „phasensensitiv“ sein, um zwischen einem positiven und einem negativen Signal zu unterscheiden.

Das Diagramm (aus dieser Broschüre ) zeigt das Diagramm der Operationsverstärkerplatine. Die Idee ist, dass ein Teil des Eingangssignals durch einen Kondensator (Hochpassfilter) in einen Wechselstromverstärker gelangt. Der Eingang geht auch zum "stabilisierenden Gleichstromverstärker", an dessen Eingang sich ein Chopper befindet. Der Ausgang wird demoduliert und durchläuft ein Tiefpassfilter (Widerstand / Kondensator). Die beiden Ausgänge des Verstärkers sind kombiniert und im "DC-Verstärker", dem Ausgangsverstärker, enthalten.

Achten Sie auf die Elemente, um eine Überlastung zu erkennen und zu verhindern. In einem analogen Computer kann es leicht zu einer Überlastung kommen, wenn der berechnete Wert höher als erwartet ist und über den Operationsverstärker (± 10 V) hinausgeht. Infolgedessen sind die Ergebnisse falsch. Der Operationsverstärker fängt die Überlast auf und zündet die Lampe auf dem Bedienfeld an, damit der Benutzer das Problem erkennt. Ein wichtiger Teil der Arbeit eines analogen Computerprogrammierers besteht darin, zu verstehen, wie die Daten so skaliert werden, dass die mathematischen Werte in die physikalischen Einschränkungen des Systems passen.



Das folgende Diagramm zeigt eine der Opamp-Karten. Heutzutage hat ein Operationsverstärker normalerweise einen positiven und einen negativen Eingang, aber analoge Computer hatten normalerweise nur einen negativen Eingang - also haben sie die Daten zusammengefasst und invertiert. Rechts sehen Sie den Eingang (getrennt von allen anderen Kontakten links, um Geräusche zu vermeiden). Die Eingänge sind in drei Gleise unterteilt. Der erste führt zu einem DC-Chopper-Verstärker. Das Signal durchläuft ein Tiefpassfilter, um Gleichstrom und Niederfrequenzsignal zu extrahieren. Der Chopper ist einfach: Ein Feldeffekttransistor mit einem JFET-PN-Übergang erdet abwechselnd das Signal unter der Steuerung eines externen 400-Hz-Oszillators. Ein solches moduliertes Signal wird an den 1967 erschienenen Operationsverstärker-IC Amelco 809 geliefert (die inzwischen vergessene Firma Amelco spielte einst eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Operationsverstärkern; insbesondere stellte sie den ersten JFET-Operationsverstärker her). IP ist ein runder Metallzylinder; dann waren solche Fälle beliebt und halfen, den Operationsverstärker vor Rauschen zu schützen. Schließlich durchläuft der Ausgang des IC einen zweiten Chopper und einen Filter zur Demodulation.


OA-Karte von einem analogen Computer mit markierten Funktionsgruppen. Obwohl das Board Operationsverstärker mit ICs verwendet, ist ein zusätzliches Bodykit erforderlich, um die erforderliche Operationsverstärkerleistung zu erzielen.
Auf der linken Seite befinden sich Kontakte, und hier ist das Ergebnis meines Reverse Engineering der Platine:
L: Gleichgewicht in
K: Hubschrauberboden
J: Überlastsignal aus
H: Chopper einfahren
F: Boden
E: Boden
D: -15 V.
C: + 15V
B: Operationsverstärkerausgang
A: unbenutzt

Dann wird die zweite Eingangsspur mit dem Ausgang des Gleichstromverstärkers kombiniert. Die meisten Operationsverstärker verwenden ein Differentialpaar, und diese Karte ist keine Ausnahme. In einem Differenzpaar geben zwei Transistoren der Differenz zwischen den beiden eingehenden Signalen eine große Verstärkung. Die Eingangssignale des Differenzpaars sind das Eingangssignal der Karte und das Signal vom DC-Chopper-Verstärker, sodass sowohl der anfängliche Eingang als auch das konstante Signal verstärkt werden. Damit der Operationsverstärker ordnungsgemäß funktioniert, müssen die beiden Transistoren im Differentialpaar perfekt ausbalanciert sein. Insbesondere müssen Transistoren bei der gleichen Temperatur arbeiten, damit sie durch eine Metallklammer verbunden sind.


Wichtige Transistoren sind mit einem Metallclip verbunden, damit sie bei der gleichen Temperatur arbeiten. Das Differenzpaar rechts und links sind die Eingangstransistorpuffer.

Die dritte Eingangsspur geht an einen Wechselstromverstärker. Das eingehende Signal durchläuft ein Hochpassfilter (Widerstand und Kondensator) und dann einen einfachen Transistorpuffer. Das "Vorwärtsausbreitungs" -Signal wird mit dem Ausgang eines Differenzpaars kombiniert, um den Frequenzgang des Verstärkers zu verbessern. Zu diesem Zeitpunkt wird das Eingangssignal auf drei verschiedene Arten verstärkt, was sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen eine gute Qualität ergibt.

Die letzte Stufe der Operationsverstärkerplatine ist ein Ausgangsverstärker, der einen starken Strom liefert, der im Rest des Computers verwendet wird. Es ist ein Verstärker der AB-Klasse . Zu diesem Zeitpunkt fehlte einzelnen Transistoren die Leistung, so dass zwei NPN-Transistoren und zwei PNP-Transistoren verwendet werden.

Jede Karte verfügt über einen Ein- und Ausgang, der mit einem Patchfeld verbunden ist. Unten auf dem Foto sind die Operationsverstärker-Panels (von A1 bis A4) in Form von Kuchenstücken; Ihre Eingänge sind grün und ihre Ausgänge sind rot. Die in Integratoren verwendeten Operationsverstärker sind auch mit Integrationskondensatoren verbunden.


Nahaufnahme eines Patchfeldes mit Anschlüssen für A1, A3 und A4. Die Eingänge sind grün, die Ausgänge sind rot. Die Anfangsbedingungen von IC sind weiß. Potentiometeranschlüsse gelb.

Auf dem Patchfeld verfügt jeder Operationsverstärker über mehrere Eingangsanschlüsse mit unterschiedlichen Widerstandswerten für die Skalierung. Dies sind die Nummern 10 und 100 auf dem Foto. Das Foto unten zeigt diese hochpräzisen Widerstände (schwarze Zylinder), die direkt mit den Kontakten des Patchfelds verbunden sind. Die Integratoreingänge werden über Relais (unten) und elektronische Schalter gesteuert, sodass der analoge Computer die Integrationskondensatoren initialisieren, die Berechnung starten und das Ergebnis zur Analyse speichern kann.


Widerstände (schwarze Zylinder) werden direkt an die Klemmen des Patchfelds angeschlossen. Die Relais in der Mitte steuern verschiedene Zustände des Computers: Anfangsbedingungen, Betrieb und Aufbewahrung. Die Platinen werden mit den grünen Stiften unten verbunden.

Fazit

Obwohl es Ende der 1960er Jahre integrierte Schaltkreise mit Operationsverstärkern gab, reichte ihre Qualität für analoge Computer nicht aus. Stattdessen wurde für jeden Operationsverstärker eine ganze Platine mit Komponenten verwendet, wobei die Operationsverstärker-ICs mit Choppern und anderen Elementen kombiniert wurden, wodurch ein hochpräziser Operationsverstärker implementiert werden konnte. Obwohl Verbesserungen in der Qualität von IPs zu einer exponentiellen Erhöhung der Geschwindigkeit der Berechnung digitaler Computer geführt haben, haben analoge Computer im Vergleich zu ihnen äußerst geringe Vorteile von IPs. Infolgedessen haben digitale Computer gewonnen, und analoge Computer sind heute nur noch historische Artefakte.


Abnehmbares Patchfeld für einen analogen Computer. Es wurde durch Verbinden von Drähten durch die Löcher programmiert. Das Bedienfeld kann entfernt werden, sodass ein Programmierer zu diesem Zeitpunkt Kabel anschließen konnte, während ein Programmierer einen Computer verwendete.

Ich beschreibe die Schaltung eines analogen Computers so detailliert, weil wir versuchen, sie wiederherzustellen, aber uns fehlt die Dokumentation. Daher beschäftige ich mich mit Reverse Engineering und versuche zu verstehen, wie man es wieder in den Betriebszustand versetzt und wie man es programmiert. Obwohl die Schaltpläne der Karten recht einfach sind, enthält der Computer viele Komponenten, die analysiert werden müssen. Am schwierigsten ist es, die Verbindungen in engen Drahtbündeln zu verstehen, und im Grunde ist es notwendig, dies mit einem Multimeter zu tun.