Um artigo do blog de Ken Shirrif do Museu de História da ComputaçãoEstamos restaurando um computador antigo (1969, a julgar pela marcação dos chips), recentemente encontrado por um de nossos funcionários. Os computadores analógicos já foram populares para cálculos científicos rápidos, mas quase desapareceram na década de 1970. Eles são interessantes em um paradigma completamente diferente dos computadores digitais. Neste post, vou focar nos amplificadores operacionais (op amps) usados neste computador analógico, Modelo 240 da Simulators Inc.
Computador analógico modelo 240 da Simulators Inc. - “computador de mesa analógico de alta precisão para uso geral” contendo até 24 amplificadores operacionais (existem 20 neste modelo).O que é um computador analógico?
Um computador analógico executa cálculos usando valores físicos variáveis continuamente, como tensão. Em contraste com isso, um computador digital usa valores binários discretos. Os computadores analógicos têm uma longa história - isso inclui engrenagens e
réguas ,
regras de slides ,
integradores mecânicos de bolas de disco ,
computadores de marés e sistemas de orientação mecânica. No entanto, os computadores analógicos “clássicos” das décadas de 1950 e 1960 usam amplificadores operacionais e integradores para resolver equações diferenciais. Geralmente eles eram programados conectando os fios ao patch panel, o que levava ao aparecimento de uma confusão de fios.
“Programação” de computadores analógicos conectando fios ao painel de conexões. Este painel é de um computador analógico EAIA grande vantagem dos computadores analógicos era a velocidade deles. Eles calcularam os resultados quase instantaneamente, pois seus componentes funcionavam em paralelo. Às vezes, os computadores digitais precisam se preocupar com a computação por um longo tempo. Como resultado, os computadores analógicos foram mais úteis em simulações em tempo real. A desvantagem dos computadores analógicos era que sua precisão dependia diretamente da precisão de seus componentes; se você precisava de precisão de 4 dígitos, precisava de resistores caros com uma precisão de 0,01%. Ao mesmo tempo, os computadores digitais podem ser feitos com qualquer precisão, simplesmente usando mais bits. Infelizmente para computadores analógicos, a velocidade e a potência dos computadores digitais aumentaram exponencialmente e, na década de 1970, praticamente não havia razão para usar o analógico.
Dentro de um computador analógico
O coração de um computador analógico são seus amplificadores operacionais (amplificadores operacionais). Os opamps podem resumir e escalar o sinal de entrada, fornecendo os cálculos matemáticos mais simples. Mais importante, combinando um amplificador operacional com um capacitor preciso, os integradores podem ser criados. O integrador integrou a entrada ao longo do tempo, carregando o capacitor. Isso permitiu que computadores analógicos resolvessem equações diferenciais. Pode parecer estranho que a integração, uma operação matemática complexa, tenha sido o alicerce básico dos computadores analógicos, mas foi assim que o hardware funcionou.
Os integradores de computadores analógicos usavam capacitores de grande precisão. No topo, você pode ver um capacitor variável (personalizável) a 10 nF, e uma grande caixa de metal na parte inferior é um capacitor variável a 10 uF. Esses capacitores foram fabricados para que o vazamento fosse extremamente pequeno e o valor integrável não vazasse deles. Em primeiro plano, há um relé para a seleção de capacitores.Os computadores analógicos usavam vários potenciômetros para definir valores de entrada e constantes de escala. Para garantir alta precisão de ajuste, os potenciômetros podem ser girados até 10 vezes. Para verificar os potenciômetros, foi utilizado um voltímetro. Também poderia ser usado para demonstrar os valores de saída, mas mais frequentemente eles eram exibidos em um osciloscópio, fita gráfica ou plotadora.
Acima está a seção digital de um computador analógico. No fundo estão os potenciômetros; Este modelo de computador não possui alguns potenciômetros. Em vez de um painel em branco, um voltímetro digital pode estar no canto superior esquerdo.Alguns computadores analógicos também tinham componentes digitais - portões, gatilhos, multivibradores monoestáveis e contadores. Essa funcionalidade tornou possível realizar cálculos mais complexos - por exemplo, iterar sobre soluções no espaço da solução. Nosso computador possui alguma lógica digital que pode ser acessada através do painel de cores (na foto acima).
Na foto abaixo, o computador está parcialmente desmontado. Por dentro, acabou sendo mais complexo do que eu esperava, com muitas placas de circuito. Removemos o patch panel, que abriu uma grade de contatos para nós. Um cabo conectado ao painel de conexões fecha os contatos e configura o programa. Cinco módulos foram encontrados atrás do painel do computador: o mais à esquerda é removido e fica na frente do computador (em geral, há um lugar para seis módulos no interior, mas um não foi instalado - aparentemente este é um modelo mais barato e, portanto, não instalou vários potenciômetros). A placa, que é visível na parte superior, suporta lógica digital e dois multiplicadores analógicos. Os circuitos de energia e do painel frontal estão localizados na parte inferior.
Computador analógico com a tampa removida. Um dos módulos é removido e fica na frente dele.Abaixo está uma foto em close do módulo, bem como os contatos do painel na frente. Oito placas são visíveis atrás. Da esquerda para a direita nas placas: quatro amplificadores operacionais (4 placas), vários circuitos (1 placa) e um multiplicador (3 placas). Em um computador analógico, a multiplicação foi inesperadamente difícil de implementar; São necessárias três placas para um único circuito que multiplica dois valores.
Computadores analógicos podem calcular funções arbitrárias usando redes de diodos-resistores. Para multiplicação, as redes foram sintonizadas para calcular uma função parabólica. A multiplicação foi considerada através da identidade X × Y = ((X + Y)
2 - (XY)
2 ) / 4. As somas e diferenças foram calculadas por meio do op-amp e o quadrado através do gerador da função parabólica.
Um dos módulos. Os “dedos” nos contatos frontais são inseridos no painel de conexões. Atrás deles, há resistores quadrados de alta precisão visíveis (0,01%).Amplificadores operacionais
Na foto acima, cada amplificador operacional possui sua própria placa separada, preenchida com vários componentes. Cada placa possui um circuito integrado de amplificador operacional, o que faz você se perguntar por que tantos outros componentes são necessários. A resposta é simples - os computadores analógicos exigiam uma operação muito precisa do amplificador operacional. Em particular, os opamps tiveram que trabalhar com sinais a uma corrente constante e baixa frequência, mas, infelizmente, os opamps se comportam muito mal nessa faixa, pois gostam mais de altas frequências.
Em 1949, uma solução foi desenvolvida para a operação do amplificador operacional em baixas frequências: amplificadores
chopper . A idéia é a seguinte: o helicóptero modula o sinal de entrada, digamos, a 400 Hz. O amplificador operacional amplifica com alegria esse sinal alternado a 400 Hz. O segundo helicóptero desmodula o sinal variável de saída de volta à constante, o que fornece resultados muito melhores do que a amplificação direta de um sinal constante. As placas para o amplificador operacional em um computador analógico adicionam um circuito chopper, complementando o circuito integrado do amplificador operacional e melhorando a qualidade de sua operação.
O trabalho do helicóptero pode ser imaginado como o trabalho de um sinal de rádio AM de amplificador de amplitude. É verdade que, diferentemente da AM, a desmodulação deve ser "sensível à fase" para distinguir entre um sinal positivo e um negativo.
O diagrama (deste
folheto ) mostra o diagrama da placa do amplificador operacional. A idéia é que parte do sinal de entrada passe através de um capacitor (filtro passa-alto) para um amplificador CA. Além disso, a entrada vai para o "amplificador DC estabilizador", na entrada da qual existe um helicóptero. A saída é desmodulada e passa por um filtro passa-baixo (resistor / capacitor). As duas saídas do amplificador são combinadas e estão incluídas no "amplificador DC", o amplificador de saída.
Preste atenção aos elementos para reconhecer e evitar sobrecarga. Em um computador analógico, a sobrecarga pode acontecer com bastante facilidade quando o valor calculado é maior que o esperado e vai além do amplificador operacional (± 10 V). Como resultado, os resultados estarão incorretos. O amplificador operacional captura a sobrecarga e acende a lâmpada no painel para que o usuário saiba qual é o problema. Uma parte importante do trabalho de um programador de computador analógico é entender como dimensionar os dados para que os valores matemáticos se ajustem às limitações físicas do sistema.
O diagrama abaixo mostra uma das placas opamp. Hoje, um amplificador operacional geralmente tem uma entrada positiva e negativa, mas os computadores analógicos geralmente só têm uma entrada negativa - então eles resumiram os dados e os inverteram. À direita, você pode ver a entrada (separada de todos os outros contatos à esquerda para evitar ruídos). As entradas são divididas em três faixas. O primeiro leva a um amplificador de helicóptero DC. O sinal passa através de um filtro passa-baixo para extrair sinal de corrente direta e baixa frequência. O helicóptero é simples: um transistor de efeito de campo com uma junção JFET PN aterra alternadamente o sinal sob o controle de um oscilador externo de 400 Hz. Esse sinal modulado é fornecido ao IC de amplificador operacional Amelco 809, que apareceu em 1967 (a empresa Amelco, agora esquecida, uma vez desempenhou um papel importante na produção de amplificador operacional; em particular, produziu o primeiro amplificador operacional JFET). IP é um cilindro de metal redondo; então esses casos eram populares e ajudavam a proteger o amplificador operacional do ruído. Finalmente, a saída do IC passa por um segundo helicóptero e um filtro para desmodulação.
Placa OA de um computador analógico, com grupos funcionais marcados. Embora a placa use amplificadores operacionais com ICs, é necessário um kit de corpo adicional para obter o desempenho necessário do amplificador operacional.
Existem contatos no lado esquerdo, e aqui está o resultado da minha engenharia reversa do quadro:
L: saldo em
K: terreno do helicóptero
J: saída de sinal de sobrecarga
H: unidade do helicóptero em
F: terra
E: terra
D: -15V
C: + 15V
B: saída de amplificador operacional
A: não utilizadoEm seguida, a segunda faixa de entrada é combinada com a saída do amplificador DC. A maioria dos amplificadores operacionais usa um par diferencial, e esta placa não é uma exceção. Em um par diferencial, dois transistores dão um grande ganho à diferença entre os dois sinais recebidos. Os sinais de entrada do par diferencial são o sinal de entrada da placa e o sinal do amplificador chopper DC, de modo que amplifica a entrada inicial e o sinal constante. Para que o op-amp funcione corretamente, os dois transistores no par diferencial devem estar perfeitamente equilibrados. Em particular, os transistores devem operar na mesma temperatura, para que sejam conectados por um clipe de metal.
Transistores importantes são conectados a um clipe de metal para que funcionem na mesma temperatura. Par diferencial à direita e à esquerda são os buffers do transistor de entrada.A terceira faixa de entrada vai para um amplificador CA. O sinal recebido passa por um filtro passa-alto (resistor e capacitor) e depois por um simples buffer de transistor. O sinal de “propagação direta” é combinado com a saída de um par diferencial para melhorar a resposta de frequência do amplificador. Nesse ponto, o sinal de entrada é amplificado de três maneiras diferentes, o que fornece boa qualidade nas frequências baixa e alta.
O último estágio da placa do amplificador operacional é um amplificador de saída que fornece uma corrente forte, que é usada no restante do computador. É um amplificador da
classe AB . Naquela época, os transistores individuais não possuíam energia, então ele usa dois transistores NPN e dois transistores PNP.
Cada placa possui uma entrada e uma saída conectadas a um patch panel. Abaixo na foto, os painéis op-amp (de A1 a A4) estão na forma de pedaços de bolo; suas entradas são verdes e suas saídas são vermelhas. Os amplificadores operacionais usados nos integradores também estão conectados aos capacitores de integração.
Close-up de um patch panel com conectores para A1, A3 e A4. As entradas são verdes, as saídas são vermelhas. As condições iniciais do IC são brancas. Conectores do potenciômetro amarelos.No patch panel, cada amplificador operacional possui vários conectores de entrada com diferentes valores de resistores para dimensionamento; estes são os números 10 e 100 na foto. A foto abaixo mostra esses resistores de alta precisão (cilindros pretos) diretamente conectados aos contatos do painel de conexões. As entradas do integrador são controladas por relés (abaixo) e comutadores eletrônicos, para que o computador analógico possa inicializar os capacitores de integração, iniciar o cálculo e salvar o resultado para análise.
Os resistores (cilindros pretos) são conectados diretamente aos terminais do painel de conexões. Os relés no meio controlam vários estados do computador: condições iniciais, operação e retenção. As placas se conectam aos pinos verdes abaixo.Conclusão
Embora existissem circuitos integrados com amplificadores operacionais no final da década de 1960, sua qualidade não era suficiente para computadores analógicos. Em vez disso, para cada amplificador operacional, uma placa inteira com componentes foi usada, combinando os ICs do amplificador operacional com helicópteros e outros elementos, o que possibilitou a implementação de um amplificador operacional de alta precisão. Embora as melhorias na qualidade dos IPs tenham levado a um aumento exponencial da velocidade dos computadores digitais, os computadores analógicos têm, em comparação com eles, vantagens extremamente pequenas dos IPs. Como resultado, os computadores digitais venceram e os computadores analógicos hoje são apenas artefatos históricos.
Patch panel removível para um computador analógico. Foi programado conectando os fios através dos orifícios. O painel pode ser removido, portanto, enquanto um programador estava usando um computador, outro poderia conectar fios naquele momento.Descrevo o circuito de um computador analógico em detalhes, porque estamos tentando restaurá-lo, mas nos falta documentação. Portanto, estou envolvido em engenharia reversa, tentando entender como restaurá-lo à condição de trabalho e como programá-lo. Embora os diagramas de circuito das placas sejam bastante simples, o computador possui muitos componentes que precisam ser analisados. O mais difícil é entender as conexões em feixes apertados de fios, e basicamente é necessário fazer isso com um multímetro.