1969 में एक एनालॉग कंप्यूटर से कम शोर परिचालन एम्पलीफायरों की रिवर्स इंजीनियरिंग

कंप्यूटर इतिहास के संग्रहालय से केन शिरिफ के ब्लॉग का एक लेख

हम एक पुराने (1969, चिप्स के अंकन द्वारा) कंप्यूटर को बहाल कर रहे हैं, जिसे हाल ही में हमारे एक कर्मचारी ने पाया है। एनालॉग कंप्यूटर एक बार त्वरित वैज्ञानिक गणना के लिए लोकप्रिय थे, लेकिन 1970 के दशक में लगभग मर गए। वे एक प्रतिमान में दिलचस्प हैं जो डिजिटल कंप्यूटर से पूरी तरह से अलग है। इस पोस्ट में, मैं इस एनालॉग कंप्यूटर में उपयोग किए जाने वाले ऑपरेशनल एम्पलीफायरों (op amps) पर ध्यान केंद्रित करूँगा, जो सिमुलेटर इंक से मॉडल 240 है।


सिमुलेटर इंक द्वारा मॉडल 240 एनालॉग कंप्यूटर। - "सामान्य-उद्देश्य उच्च-सटीक एनालॉग डेस्कटॉप कंप्यूटर" जिसमें 24 से अधिक ऑप्स होते हैं (इस मॉडल में 20 हैं)।

एक एनालॉग कंप्यूटर क्या है?

एक एनालॉग कंप्यूटर भौतिक, निरंतर चर मानों, जैसे वोल्टेज का उपयोग करके गणना करता है। इसके विपरीत, एक डिजिटल कंप्यूटर असतत बाइनरी मान का उपयोग करता है। एनालॉग कंप्यूटर का एक लंबा इतिहास है - इसमें गियर और गियर, स्लाइड नियम , मैकेनिकल डिस्क-बॉल इंटीग्रेटर्स , ज्वारीय कंप्यूटर और मैकेनिकल गाइड सिस्टम शामिल हैं। हालाँकि, 1950 और 1960 के “क्लासिक” एनालॉग कंप्यूटर, अंतर समीकरणों को हल करने के लिए op-amps और इंटीग्रेटर्स का उपयोग करते हैं। आमतौर पर उन्हें तारों को पैच पैनल से जोड़कर प्रोग्राम किया जाता था, जिसके कारण तारों की मिश्मश दिखाई देती थी।


पैच पैनल से तारों को जोड़कर "प्रोग्रामिंग" एनालॉग कंप्यूटर। यह पैनल ईएआई एनालॉग कंप्यूटर से है

एनालॉग कंप्यूटर का महान लाभ उनकी गति थी। उन्होंने परिणामों की गणना लगभग तुरंत की, क्योंकि उनके घटक समानांतर में काम करते थे। डिजिटल कंप्यूटर को कभी-कभी लंबे समय तक कंप्यूटिंग पर कश लगाने की जरूरत होती है। नतीजतन, वास्तविक समय के सिमुलेशन में एनालॉग कंप्यूटर सबसे उपयोगी थे। एनालॉग कंप्यूटर का नुकसान यह था कि उनकी सटीकता सीधे उनके घटकों की सटीकता पर निर्भर करती थी; यदि आपको 4 अंकों की सटीकता की आवश्यकता है, तो आपको 0.01% की सटीकता के साथ महंगे प्रतिरोधों की आवश्यकता है। एक ही समय में, डिजिटल कंप्यूटर किसी भी परिशुद्धता के साथ किया जा सकता है, बस अधिक बिट्स का उपयोग करके। दुर्भाग्य से एनालॉग कंप्यूटर के लिए, डिजिटल कंप्यूटर की गति और शक्ति तेजी से बढ़ी, और 1970 के दशक तक व्यावहारिक रूप से एनालॉग का उपयोग करने का कोई कारण नहीं था।

एक एनालॉग कंप्यूटर के अंदर

एक एनालॉग कंप्यूटर का दिल इसका परिचालन एम्पलीफायरों (op amps) है। सबसे सरल गणितीय गणना प्रदान करते हुए, ऑप्स इनपुट सिग्नल को संक्षेप और स्केल कर सकता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात, एक सटीक संधारित्र के साथ ऑप-एम्प को मिलाकर, इंटीग्रेटर्स बनाया जा सकता है। संधारित्र ने समय के साथ संधारित्र को चार्ज करते हुए इनपुट को एकीकृत किया। इसने एनालॉग कंप्यूटरों को अंतर समीकरणों को हल करने की अनुमति दी। यह अजीब लग सकता है कि एकीकरण, एक जटिल गणितीय ऑपरेशन, एनालॉग कंप्यूटर का बुनियादी निर्माण खंड था, लेकिन यह हार्डवेयर कैसे काम करता था।


एनालॉग कंप्यूटर इंटीग्रेटर्स ने बड़े सटीक कैपेसिटर का उपयोग किया। शीर्ष पर आप 10 nF पर एक चर (अनुकूलन) संधारित्र देख सकते हैं, और सबसे नीचे एक बड़ा धातु बॉक्स 10 uF पर एक चर संधारित्र है। ये कैपेसिटर इसलिए बनाए गए थे ताकि लीकेज बेहद छोटा हो और इनसे अलग-थलग न हो। अग्रभूमि में कैपेसिटर के चयन के लिए एक रिले है।

एनालॉग कंप्यूटर ने इनपुट मान और स्केलिंग स्थिरांक सेट करने के लिए कई पोटेंशियोमीटर का उपयोग किया। उच्च ट्यूनिंग सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, पोटेंशियोमीटर को 10 गुना तक घुमाया जा सकता है। पोटेंशियोमीटर की जांच करने के लिए, एक वाल्टमीटर का उपयोग किया गया था। इसका उपयोग आउटपुट मानों को प्रदर्शित करने के लिए भी किया जा सकता है, लेकिन अधिक बार वे एक आस्टसीलस्कप, चार्ट टेप या प्लॉटर पर प्रदर्शित होते थे।


ऊपर एक एनालॉग कंप्यूटर का डिजिटल सेक्शन है। सबसे नीचे पोटेंशियोमीटर हैं; इस कंप्यूटर मॉडल में कुछ पोटेंशियोमीटर नहीं हैं। एक खाली पैनल के बजाय, एक डिजिटल वाल्टमीटर शीर्ष बाईं ओर हो सकता है।

कुछ एनालॉग कंप्यूटरों में डिजिटल घटक भी थे - गेट्स, ट्रिगर्स, मोनोस्टेबल मल्टीवीब्रेटर और काउंटर। इस तरह की कार्यक्षमता ने अधिक जटिल गणनाएं करना संभव बना दिया - उदाहरण के लिए, समाधान स्थान में समाधान पर पुनरावृति। हमारे कंप्यूटर में कुछ डिजिटल लॉजिक हैं जिन्हें कलर पैच पैनल (ऊपर चित्र) के माध्यम से एक्सेस किया जा सकता है।

नीचे दी गई तस्वीर में, कंप्यूटर को आंशिक रूप से विघटित किया गया है। अंदर, यह मेरी अपेक्षा से अधिक जटिल हो गया, जिसमें कई सर्किट बोर्ड थे। हमने पैच पैनल को हटा दिया, जिसने हमारे लिए संपर्कों का एक ग्रिड खोला। पैच पैनल से जुड़ी एक केबल संपर्कों को बंद कर देती है और प्रोग्राम को कॉन्फ़िगर करती है। कंप्यूटर पर पैनल के पीछे पांच मॉड्यूल पाए गए: बायां एक हटा दिया गया है और कंप्यूटर के सामने स्थित है (सामान्य रूप से, छह मॉड्यूल के लिए एक जगह है, लेकिन एक स्थापित नहीं था - जाहिर है यह एक सस्ता मॉडल है, और इसलिए इसने कई एंटेंटियोमीटर स्थापित नहीं किए हैं)। शीर्ष पर दिखाई देने वाला बोर्ड, डिजिटल लॉजिक और दो एनालॉग मल्टीप्लायरों का समर्थन करता है। पावर और फ्रंट पैनल सर्किट नीचे स्थित हैं।


कवर हटाए जाने के साथ एनालॉग कंप्यूटर। मॉड्यूल में से एक को हटा दिया गया है और इसके सामने स्थित है।

नीचे मॉड्यूल की एक क्लोज-अप तस्वीर है, साथ ही सामने की तरफ पैनल संपर्क। पीछे आठ बोर्ड दिखाई दे रहे हैं। बोर्डों पर बाएं से दाएं: चार ऑप एम्प्स (4 बोर्ड), विभिन्न सर्किट (1 बोर्ड) और एक गुणक (3 बोर्ड)। एक एनालॉग कंप्यूटर में, गुणा को लागू करना अप्रत्याशित रूप से मुश्किल था; एक एकल सर्किट के लिए तीन बोर्डों की आवश्यकता होती है जो दो मूल्यों को गुणा करते हैं।

एनालॉग कंप्यूटर डायोड-रेज़िस्टर नेटवर्क का उपयोग करके मनमाने कार्यों की गणना कर सकता है। गुणन के लिए, नेटवर्क को एक परवलयिक फ़ंक्शन की गणना करने के लिए ट्यून किया गया था। गुणन को पहचान X × Y = ((X + Y) ² - (XY) ² ) / 4 के माध्यम से माना गया। सम्स और अंतर की गणना ऑप-एम्प के माध्यम से की जाती है, और पैराबोलिक फ़ंक्शन के जनरेटर के माध्यम से वर्ग।


मॉड्यूल में से एक। फ्रंट कॉन्टैक्ट्स पर "फिंगर्स" को पैच पैनल में डाला गया है। उनके पीछे दृश्यमान उच्च-परिशुद्धता प्रतिरोध (0.01%) दिखाई देते हैं।

संचालन एम्पलीफायरों

ऊपर की तस्वीर में, प्रत्येक ऑप-एम्प का अपना अलग बोर्ड होता है, जो विभिन्न घटकों से भरा होता है। प्रत्येक बोर्ड में एक op-amp एकीकृत सर्किट होता है, जो आपको आश्चर्यचकित करता है कि इतने सारे अन्य घटकों की आवश्यकता क्यों है। इसका उत्तर सरल है - एनालॉग कंप्यूटर में ऑप-एम्प के बहुत सटीक संचालन की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, ओपैम्प्स को निरंतर वर्तमान और कम आवृत्ति पर संकेतों के साथ काम करना पड़ता था, लेकिन, दुर्भाग्य से, ओपैम्प्स इस सीमा में बहुत खराब व्यवहार करते हैं, वे उच्च आवृत्तियों को अधिक पसंद करते हैं।

1949 में, कम आवृत्तियों पर op-amp के संचालन के लिए एक समाधान विकसित किया गया था: हेलिकॉप्टर एम्पलीफायरों। विचार यह है: हेलिकॉप्टर इनपुट सिग्नल को नियंत्रित करता है, कहते हैं, 400 हर्ट्ज पर। सेशन-एम्पी खुशी से 400 हर्ट्ज पर इस वैकल्पिक संकेत को बढ़ाता है। दूसरा चॉपर आउटपुट वैरिएबल सिग्नल को वापस स्थिर करता है, जो एक स्थिर सिग्नल के प्रत्यक्ष प्रवर्धन की तुलना में बहुत बेहतर परिणाम देता है। एक एनालॉग कंप्यूटर में ऑप-एम्प के लिए बोर्ड एक चॉपर सर्किट जोड़ते हैं, ऑप-एम्प के एकीकृत सर्किट को पूरक करते हैं और इसके संचालन की गुणवत्ता में सुधार करते हैं।

हेलिकॉप्टर के काम की कल्पना एक एम्पलीफायर एम्पलीफायर एएम रेडियो सिग्नल के काम के रूप में की जा सकती है। सच है, एएम के विपरीत, एक सकारात्मक और नकारात्मक संकेत के बीच अंतर करने के लिए डिमॉड्यूलेशन "चरण-संवेदनशील" होना चाहिए।

आरेख (इस ब्रोशर से ) ऑप-एम्प बोर्ड के आरेख को दर्शाता है। विचार यह है कि इनपुट सिग्नल का हिस्सा एक संधारित्र (उच्च-पास फिल्टर) के माध्यम से एक एसी एम्पलीफायर में गुजरता है। इसके अलावा, इनपुट "स्टेबलाइजिंग डीसी एम्पलीफायर" पर जाता है, जिसके इनपुट पर एक चॉपर होता है। आउटपुट को डिमोड्यूलेट किया जाता है और एक कम-पास फिल्टर (प्रतिरोधक / संधारित्र) से गुजरता है। एम्पलीफायर के दो आउटपुट संयुक्त होते हैं और "डीसी एम्पलीफायर", आउटपुट एम्पलीफायर में शामिल होते हैं।

अधिभार को पहचानने और रोकने के तत्वों पर ध्यान दें। एक एनालॉग कंप्यूटर में, अधिभार काफी आसानी से हो सकता है जब गणना मूल्य अपेक्षा से अधिक होता है और ऑप-एम्प (V 10 वी) से आगे निकल जाता है। परिणामस्वरूप, परिणाम गलत होंगे। Op-amp ओवरलोड को पकड़ता है और पैनल पर दीपक को रोशनी देता है ताकि उपयोगकर्ता को पता हो कि समस्या क्या है। एक एनालॉग कंप्यूटर प्रोग्रामर के काम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह समझना है कि डेटा को कैसे स्केल किया जाए ताकि गणितीय मान सिस्टम की भौतिक सीमाओं में फिट हो।



नीचे दिए गए आरेख में से एक ओपैंप बोर्ड दिखाता है। आज, एक op-amp में आमतौर पर एक सकारात्मक और नकारात्मक इनपुट होता है, लेकिन एनालॉग कंप्यूटर में आमतौर पर केवल एक नकारात्मक इनपुट होता है - इसलिए उन्होंने डेटा को संक्षेप में दिया और उन्हें उलटा कर दिया। दाईं ओर आप प्रवेश द्वार को देख सकते हैं (शोर से बचने के लिए बाईं ओर सभी अन्य संपर्कों से अलग)। प्रवेश द्वार को तीन पटरियों में विभाजित किया गया है। पहले एक डीसी हेलिकॉप्टर एम्पलीफायर की ओर जाता है। सिग्नल प्रत्यक्ष वर्तमान और कम आवृत्ति सिग्नल को निकालने के लिए एक कम-पास फिल्टर से गुजरता है। हेलिकॉप्टर सरल है: एक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर एक जेएफईटी पीएन जंक्शन के साथ एक बाहरी 400 हर्ट्ज थरथरानवाला के नियंत्रण में वैकल्पिक रूप से संकेत देता है। इस तरह के एक संग्राहक संकेत एमेल्को 809 ओप amp आईसी को खिलाया जाता है, जो 1967 में दिखाई दिया (एमेल्को कंपनी, अब भूल गई, एक बार ओप amp के उत्पादन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई थी; विशेष रूप से, इसने पहला JFET op amp बनाया)। आईपी ​​एक गोल धातु सिलेंडर है; तब ऐसे मामले लोकप्रिय थे, और शोर से op-amp को ढालने में मदद मिली। अंत में, आईसी का आउटपुट एक दूसरे हेलिकॉप्टर से गुजरता है और डिमॉड्यूलेशन के लिए एक फिल्टर होता है।


एक एनालॉग कंप्यूटर से OA बोर्ड, चिह्नित कार्यात्मक समूहों के साथ। यद्यपि बोर्ड IC के साथ op amps का उपयोग करता है, लेकिन आवश्यक op amp प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए एक अतिरिक्त बॉडी किट की आवश्यकता होती है।
बाईं ओर संपर्क हैं, और यहां बोर्ड की मेरी रिवर्स इंजीनियरिंग का परिणाम है:
एल: में संतुलन
K: हेलिकॉप्टर जमीन
जम्मू: ओवरलोड सिग्नल आउट
H: हेलिकॉप्टर ड्राइव में
एफ: जमीन
ई: जमीन
डी: -15 वी
सी: + 15 वी
बी: सेशन amp आउटपुट
उ: अप्रयुक्त

फिर दूसरा इनपुट ट्रैक डीसी एम्पलीफायर के आउटपुट के साथ संयुक्त है। अधिकांश ऑप एम्प्स एक अंतर जोड़ी का उपयोग करते हैं, और यह बोर्ड कोई अपवाद नहीं है। एक अंतर जोड़ी में, दो ट्रांजिस्टर दो आने वाले संकेतों के बीच के अंतर को एक बड़ा लाभ देते हैं। अंतर जोड़ी के इनपुट सिग्नल बोर्ड के इनपुट सिग्नल और डीसी चॉपर एम्पलीफायर से सिग्नल हैं, इसलिए यह प्रारंभिक इनपुट और निरंतर सिग्नल दोनों को बढ़ाता है। ऑप-एएमपी सही ढंग से काम करने के लिए, अंतर जोड़ी में दो ट्रांजिस्टर पूरी तरह से संतुलित होना चाहिए। विशेष रूप से, ट्रांजिस्टर को एक ही तापमान पर काम करना चाहिए, इसलिए वे एक धातु क्लिप द्वारा जुड़े हुए हैं।


महत्वपूर्ण ट्रांजिस्टर एक धातु क्लिप के साथ जुड़े हुए हैं ताकि वे एक ही तापमान पर काम करें। दाईं ओर और बाईं ओर विभेदक जोड़ी इनपुट ट्रांजिस्टर बफ़र हैं।

तीसरा इनपुट ट्रैक एक एसी एम्पलीफायर को जाता है। इनकमिंग सिग्नल एक उच्च-पास फिल्टर (प्रतिरोधक और संधारित्र) से गुजरता है, और फिर एक साधारण ट्रांजिस्टर बफर के माध्यम से। एम्पलीफायर की आवृत्ति प्रतिक्रिया में सुधार करने के लिए "आगे प्रसार" संकेत एक अंतर जोड़ी के आउटपुट के साथ जोड़ा जाता है। इस बिंदु पर, इनपुट सिग्नल को तीन अलग-अलग तरीकों से बढ़ाया जाता है, जो निम्न और उच्च आवृत्तियों दोनों पर अच्छी गुणवत्ता देता है।

ऑप-एम्प बोर्ड का अंतिम चरण एक आउटपुट एम्पलीफायर है जो एक मजबूत वर्तमान देता है, जिसका उपयोग कंप्यूटर के बाकी हिस्सों में किया जाता है। यह एक एबी क्लास एम्पलीफायर है। उस समय, व्यक्तिगत ट्रांजिस्टर में शक्ति की कमी थी, इसलिए यह दो NPN ट्रांजिस्टर और दो PNP ट्रांजिस्टर का उपयोग करता है।

प्रत्येक बोर्ड में एक पैच पैनल से जुड़ा एक इनपुट और आउटपुट होता है। फोटो में नीचे, op-amp पैनल (A1 से A4 तक) केक के टुकड़ों के रूप में हैं; उनके प्रवेश द्वार हरे हैं और उनके निकास लाल हैं। इंटीग्रेटर्स में उपयोग किए जाने वाले ऑप-एम्प्स को कैपेसिटर को एकीकृत करने से भी जोड़ा जाता है।


A1, A3 और A4 के लिए कनेक्टर के साथ एक पैच पैनल का क्लोज़-अप। प्रवेश द्वार हरे हैं, निकास लाल हैं। आईसी की प्रारंभिक शर्तें सफेद हैं। पोटेंशियोमीटर कनेक्टर पीले।

पैच पैनल पर, प्रत्येक op-amp में स्केलिंग के लिए अलग-अलग प्रतिरोधक मानों के साथ कई इनपुट कनेक्टर हैं; फोटो में ये नंबर 10 और 100 हैं। नीचे दी गई तस्वीर इन उच्च-सटीक प्रतिरोधों (काले सिलेंडर) को सीधे पैच पैनल के संपर्कों से जोड़ती है। इंटीग्रेटर इनपुट को रिले (नीचे) और इलेक्ट्रॉनिक स्विच द्वारा नियंत्रित किया जाता है ताकि एनालॉग कंप्यूटर एकीकृत कैपेसिटर को आरंभ कर सके, गणना शुरू कर सके और विश्लेषण के लिए परिणाम को बचा सके।


प्रतिरोध (काले सिलेंडर) सीधे पैच पैनल के टर्मिनलों से जुड़े होते हैं। मध्य के रिले कंप्यूटर के विभिन्न राज्यों को नियंत्रित करते हैं: प्रारंभिक स्थिति, संचालन और अवधारण। बोर्ड नीचे हरे रंग की पिन से जुड़ते हैं।

निष्कर्ष

यद्यपि 1960 के दशक के अंत में op-amps के साथ एकीकृत सर्किट मौजूद थे, लेकिन एनालॉग कंप्यूटर के लिए उनकी गुणवत्ता पर्याप्त नहीं थी। इसके बजाय, प्रत्येक op-amp के लिए, घटकों के साथ एक पूरे बोर्ड का उपयोग किया गया था, जिसमें op-amp IC को हेलिकॉप्टरों और अन्य तत्वों के साथ संयोजन किया गया था, जिससे उच्च-परिशुद्धता op-amp को लागू करना संभव हो गया था। हालाँकि IPs की गुणवत्ता में सुधार के कारण कंप्यूटिंग कंप्यूटरों की गति में तेजी से वृद्धि हुई है, एनालॉग कंप्यूटरों की तुलना में, उनके साथ IPs के अत्यंत छोटे लाभ हैं। नतीजतन, डिजिटल कंप्यूटर जीत गए, और एनालॉग कंप्यूटर आज केवल ऐतिहासिक कलाकृतियां हैं।


एक एनालॉग कंप्यूटर के लिए हटाने योग्य पैच पैनल। यह छेद के माध्यम से तारों को जोड़कर प्रोग्राम किया गया था। पैनल को हटाया जा सकता है, इसलिए जब एक प्रोग्रामर कंप्यूटर का उपयोग कर रहा था, तो दूसरा उस समय तारों को जोड़ सकता है।

मैं एक एनालॉग कंप्यूटर के सर्किट का वर्णन इस तरह से करता हूं क्योंकि हम इसे बहाल करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन हमारे पास दस्तावेज की कमी है। इसलिए, मैं रिवर्स इंजीनियरिंग में लगा हुआ हूं, यह समझने की कोशिश कर रहा हूं कि इसे काम करने की स्थिति में कैसे पुनर्स्थापित किया जाए और इसे कैसे प्रोग्राम किया जाए। हालांकि बोर्डों के सर्किट आरेख काफी सरल हैं, कंप्यूटर में बहुत सारे घटक हैं जिनका विश्लेषण करने की आवश्यकता है। सबसे कठिन काम तारों के तंग बंडलों में कनेक्शन को समझना है, और मूल रूप से मल्टीमीटर के साथ ऐसा करना आवश्यक है।