Membalikkan rekayasa amplifier operasional dengan noise rendah dari komputer analog pada tahun 1969

Artikel dari blog Ken Shirrif dari Museum Sejarah Komputer

Kami sedang memulihkan komputer vintage (1969, dinilai dari penandaan chip), baru-baru ini ditemukan oleh salah satu karyawan kami. Komputer analog pernah populer untuk perhitungan ilmiah cepat, tetapi hampir mati pada 1970-an. Mereka menarik dalam paradigma yang sama sekali berbeda dari komputer digital. Dalam posting ini, saya akan fokus pada penguat operasional (op amp) yang digunakan dalam komputer analog ini, Model 240 dari Simulators Inc.


Model 240 Analog Computer oleh Simulators Inc. - "komputer desktop analog presisi tinggi tujuan umum" yang berisi hingga 24 op-amp (ada 20 dalam model ini).

Apa itu komputer analog?

Komputer analog melakukan perhitungan menggunakan nilai-nilai fisik, variabel kontinu, seperti tegangan. Berbeda dengan ini, komputer digital menggunakan nilai-nilai biner diskrit. Komputer analog memiliki sejarah panjang - ini termasuk persneling dan persneling, aturan geser , integrator bola disk mekanis , komputer pasang surut , dan sistem panduan mekanis. Namun, komputer analog "klasik" pada 1950-an dan 1960-an menggunakan op-amp dan integrator untuk menyelesaikan persamaan diferensial. Biasanya mereka diprogram dengan menghubungkan kabel ke panel patch, yang menyebabkan munculnya mishmash of wires.


"Memprogram" komputer analog dengan menghubungkan kabel ke panel patch. Panel ini dari komputer analog EAI

Keuntungan besar dari komputer analog adalah kecepatannya. Mereka menghitung hasil hampir secara instan, karena komponen mereka bekerja secara paralel. Komputer digital terkadang dibutuhkan untuk menyedot komputasi dalam waktu yang lama. Akibatnya, komputer analog paling berguna dalam simulasi waktu nyata. Kerugian dari komputer analog adalah keakuratannya secara langsung bergantung pada keakuratan komponen mereka; jika Anda membutuhkan akurasi hingga 4 digit, Anda membutuhkan resistor mahal dengan akurasi 0,01%. Pada saat yang sama, komputer digital dapat dilakukan dengan presisi apa pun, cukup menggunakan lebih banyak bit. Sayangnya untuk komputer analog, kecepatan dan kekuatan komputer digital tumbuh secara eksponensial, dan pada tahun 1970 praktis tidak ada alasan untuk menggunakan analog.

Di dalam komputer analog

Jantung dari sebuah komputer analog adalah penguat operasionalnya (op amp). Opamp dapat meringkas dan skala sinyal input, memberikan perhitungan matematika paling sederhana. Lebih penting lagi, dengan menggabungkan op-amp dengan kapasitor yang akurat, integrator dapat dibuat. Integrator mengintegrasikan input dari waktu ke waktu, mengisi kapasitor. Ini memungkinkan komputer analog untuk menyelesaikan persamaan diferensial. Mungkin tampak aneh bahwa integrasi, operasi matematika yang kompleks, adalah dasar pembangun komputer analog, tetapi itulah cara perangkat keras bekerja.


Integrator komputer analog menggunakan kapasitor presisi besar. Di bagian atas Anda dapat melihat kapasitor variabel (dapat disesuaikan) pada 10 nF, dan kotak logam besar di bagian bawah adalah kapasitor variabel pada 10 uF. Kapasitor ini dibuat sehingga kebocorannya sangat kecil dan nilai yang dapat diintegrasikan tidak bocor keluar. Di latar depan adalah relay untuk memilih kapasitor.

Komputer analog menggunakan beberapa potensiometer untuk menetapkan nilai input dan penskalaan konstanta. Untuk memastikan akurasi penyetelan tinggi, potensiometer dapat diputar hingga 10 kali. Untuk memeriksa potensiometer, voltmeter digunakan. Ini juga dapat digunakan untuk menunjukkan nilai output, tetapi lebih sering mereka ditampilkan pada osiloskop, tape chart, atau plotter.


Di atas adalah bagian digital dari komputer analog. Di bagian bawah adalah potensiometer; Model komputer ini tidak memiliki beberapa potensiometer. Alih-alih panel kosong, voltmeter digital bisa berada di kiri atas.

Beberapa komputer analog juga memiliki komponen digital - gerbang, pemicu, multivibrator monostable, dan penghitung. Fungsionalitas seperti itu memungkinkan untuk melakukan perhitungan yang lebih kompleks - misalnya, beralih pada solusi di ruang solusi. Komputer kami memiliki beberapa logika digital yang dapat diakses melalui panel tambalan warna (gambar di atas).

Pada foto di bawah ini, komputer dibongkar sebagian. Di dalam, ternyata lebih kompleks dari yang saya harapkan, dengan banyak papan sirkuit. Kami menghapus panel tambalan, yang membuka kisi kontak kepada kami. Kabel yang terhubung ke panel patch menutup kontak dan mengkonfigurasi program. Lima modul ditemukan di belakang panel komputer: yang paling kiri dihapus dan terletak di depan komputer (secara umum, ada tempat untuk enam modul di dalamnya, tetapi satu tidak terpasang - tampaknya ini adalah model yang lebih murah, dan karena itu belum menginstal beberapa potensiometer). Papan, yang terlihat di bagian atas, mendukung logika digital dan dua pengganda analog. Sirkuit daya dan panel depan terletak di bagian bawah.


Komputer analog dengan penutup dilepas. Salah satu modul dihapus dan terletak di depannya.

Di bawah ini adalah foto close-up dari modul, serta kontak panel di bagian depan. Delapan papan terlihat di belakang. Dari kiri ke kanan pada papan: empat op amp (4 papan), berbagai sirkuit (1 papan) dan pengali (3 papan). Dalam komputer analog, multiplikasi secara tak terduga sulit untuk diterapkan; Diperlukan tiga papan untuk satu sirkuit yang mengalikan dua nilai.

Komputer analog dapat menghitung fungsi sewenang-wenang menggunakan jaringan dioda-resistor. Untuk multiplikasi, jaringan disetel untuk menghitung fungsi parabola. Perkalian dianggap melalui identitas X × Y = ((X + Y) ² - (XY) ² ) / 4. Jumlah dan perbedaan dihitung dengan menggunakan op-amp, dan kuadrat melalui generator dari fungsi parabola.


Salah satu modul. "Jari" pada kontak depan dimasukkan ke panel patch. Di belakangnya terlihat resistor presisi tinggi persegi (0,01%).

Penguat operasional

Pada foto di atas, setiap op-amp memiliki papan tersendiri, diisi dengan berbagai komponen. Setiap papan memiliki sirkuit terintegrasi op-amp, yang membuat Anda bertanya-tanya mengapa begitu banyak komponen lain yang diperlukan. Jawabannya sederhana - komputer analog memerlukan operasi op-amp yang sangat presisi. Secara khusus, opamps harus bekerja dengan sinyal pada arus konstan dan frekuensi rendah, tetapi, sayangnya, opamps berperilaku sangat buruk dalam kisaran ini, mereka lebih menyukai frekuensi tinggi.

Pada tahun 1949, sebuah solusi dikembangkan untuk pengoperasian op-amp pada frekuensi rendah: amplifier chopper . Idenya adalah ini: helikopter memodulasi sinyal input, katakanlah, pada 400 Hz. Op-amp dengan gembira memperkuat sinyal bolak-balik ini pada 400 Hz. Chopper kedua mendemodulasi sinyal variabel output kembali ke konstan, yang memberikan hasil yang jauh lebih baik daripada amplifikasi langsung dari sinyal konstan. Papan untuk op-amp di komputer analog menambahkan sirkuit chopper, melengkapi sirkuit terintegrasi op-amp dan meningkatkan kualitas operasinya.

Karya chopper dapat dibayangkan sebagai karya penguat amplitudo sinyal radio AM. Benar, tidak seperti AM, demodulasi harus "peka fase" untuk membedakan antara sinyal positif dan negatif.

Diagram (dari brosur ini) menunjukkan diagram papan op-amp. Idenya adalah bahwa bagian dari sinyal input melewati kapasitor (high-pass filter) ke penguat AC. Juga, input masuk ke "amplifier DC menstabilkan", di input yang ada chopper. Output didemodulasi dan melewati filter low-pass (resistor / kapasitor). Dua output dari penguat digabungkan dan termasuk dalam "penguat DC", penguat output.

Perhatikan elemen untuk mengenali dan mencegah kelebihan. Dalam komputer analog, kelebihan beban dapat terjadi dengan mudah ketika nilai yang dihitung lebih tinggi dari yang diharapkan dan melampaui op-amp (± 10 V). Akibatnya, hasilnya akan salah. Op-amp menangkap kelebihan beban dan menyalakan lampu di panel sehingga pengguna tahu apa masalahnya. Bagian penting dari pekerjaan seorang programmer komputer analog adalah untuk memahami bagaimana skala data sehingga nilai-nilai matematika sesuai dengan keterbatasan fisik sistem.



Diagram di bawah ini menunjukkan salah satu papan opamp. Saat ini, op-amp biasanya memiliki input positif dan negatif, tetapi komputer analog biasanya hanya memiliki input negatif - sehingga mereka merangkum data dan membalikkannya. Di sebelah kanan Anda dapat melihat pintu masuk (dipisahkan dari semua kontak lain di sebelah kiri untuk menghindari kebisingan). Pintu masuk dibagi menjadi tiga jalur. Yang pertama mengarah ke penguat helikopter DC. Sinyal melewati filter low-pass untuk mengekstraksi sinyal arus searah dan frekuensi rendah. Helikopternya sederhana: transistor efek medan dengan sambungan JFET PN secara bergantian membumikan sinyal di bawah kendali osilator 400 Hz eksternal. Sinyal termodulasi semacam itu dipasok ke IC op amp Amelco 809, yang muncul pada tahun 1967 (perusahaan Amelco, yang sekarang dilupakan, pernah memainkan peran penting dalam produksi op amp; khususnya, itu membuat op amp JFET pertama). IP adalah silinder logam bundar; maka kasus-kasus seperti itu populer, dan membantu melindungi op-amp dari kebisingan. Akhirnya, output IC melewati chopper kedua dan filter untuk demodulasi.


Papan OA dari komputer analog, dengan kelompok fungsional bertanda. Meskipun board menggunakan op amp dengan IC, body kit tambahan diperlukan untuk mencapai kinerja op amp yang diperlukan.
Ada kontak di sisi kiri, dan ini adalah hasil dari rekayasa terbalik saya dari dewan:
L: keseimbangan dalam
K: landasan helikopter
J: sinyal kelebihan beban keluar
H: drive chopper masuk
F: ground
E: tanah
D: -15V
C: + 15V
B: keluaran op amp
A: tidak digunakan

Kemudian jalur input kedua dikombinasikan dengan output dari amplifier DC. Kebanyakan op amp menggunakan pasangan diferensial, dan papan ini tidak terkecuali. Pada pasangan diferensial, dua transistor memberikan keuntungan besar pada perbedaan antara dua sinyal yang masuk. Sinyal input dari pasangan diferensial adalah sinyal input papan dan sinyal dari penguat chopper DC, sehingga menguatkan input awal dan sinyal konstan. Agar op-amp bekerja dengan benar, dua transistor pada pasangan diferensial harus seimbang sempurna. Secara khusus, transistor harus beroperasi pada suhu yang sama, sehingga mereka terhubung dengan klip logam.


Transistor penting dihubungkan dengan klip logam sehingga mereka bekerja pada suhu yang sama. Pasangan diferensial di sebelah kanan dan di sebelah kiri adalah buffer input transistor.

Jalur input ketiga menuju amplifier AC. Sinyal yang masuk melewati filter high-pass (resistor dan kapasitor), dan kemudian melalui buffer transistor sederhana. Sinyal "propagasi maju" dikombinasikan dengan output dari pasangan diferensial untuk meningkatkan respons frekuensi amplifier. Pada titik ini, sinyal input diperkuat dalam tiga cara berbeda, yang memberikan kualitas yang baik pada frekuensi rendah dan tinggi.

Tahap terakhir dari papan op-amp adalah penguat output yang memberikan arus kuat, yang digunakan di seluruh komputer. Ini adalah penguat kelas AB . Pada saat itu, masing-masing transistor kekurangan daya, sehingga menggunakan dua transistor NPN dan dua transistor PNP.

Setiap papan memiliki input dan output yang terhubung ke panel patch. Di bawah ini di foto, panel op-amp (dari A1 ke A4) dalam bentuk potongan kue; pintu masuknya berwarna hijau dan pintu keluarnya berwarna merah. Op-amp yang digunakan dalam integrator juga terhubung ke mengintegrasikan kapasitor.


Tampilan panel patch dengan konektor untuk A1, A3 dan A4. Pintu masuk berwarna hijau, pintu keluar berwarna merah. Kondisi awal IC berwarna putih. Konektor potensiometer berwarna kuning.

Pada panel tambalan, setiap op-amp memiliki beberapa konektor input dengan nilai resistor yang berbeda untuk penskalaan; ini adalah angka 10 dan 100 di foto. Foto di bawah ini menunjukkan resistor berpresisi tinggi ini (silinder hitam) yang terhubung langsung ke kontak panel patch. Input integrator dikendalikan oleh relai (di bawah) dan sakelar elektronik sehingga komputer analog dapat menginisialisasi kapasitor pengintegrasi, memulai kalkulasi dan menyimpan hasilnya untuk analisis.


Resistor (silinder hitam) terhubung langsung ke terminal panel patch. Relay di bagian tengah mengontrol berbagai kondisi komputer: kondisi awal, pengoperasian, dan penyimpanan. Papan terhubung ke pin hijau di bawah ini.

Kesimpulan

Meskipun sirkuit terintegrasi dengan op-amp ada pada akhir 1960-an, kualitasnya tidak cukup untuk komputer analog. Sebagai gantinya, untuk setiap op-amp, digunakan seluruh papan dengan komponen, yang menggabungkan IC op-amp dengan helikopter dan elemen lainnya, yang memungkinkan untuk menerapkan op-amp presisi tinggi. Meskipun peningkatan dalam kualitas IP telah menyebabkan peningkatan eksponensial dalam kecepatan komputer digital, komputer analog memiliki, dibandingkan dengan mereka, keuntungan yang sangat kecil dari IP. Akibatnya, komputer digital menang, dan komputer analog saat ini hanyalah artefak sejarah.


Panel tambalan yang dapat dilepas untuk komputer analog. Itu diprogram dengan menghubungkan kabel melalui lubang. Panel dapat dilepas, jadi ketika satu programmer menggunakan komputer, yang lain dapat menghubungkan kabel pada saat itu.

Saya menggambarkan rangkaian komputer analog dengan sangat detail karena kami berusaha mengembalikannya, tetapi kami kekurangan dokumentasi. Oleh karena itu, saya terlibat dalam rekayasa terbalik, mencoba memahami cara mengembalikannya ke kondisi kerja dan cara memprogramnya. Meskipun diagram sirkuit papan cukup sederhana, komputer memiliki banyak komponen yang perlu dianalisis. Yang paling sulit adalah memahami koneksi dalam ikatan kabel yang ketat, dan pada dasarnya perlu melakukan ini dengan multimeter.