来自计算机历史博物馆的Ken Shirrif博客的文章我们正在恢复一台由一位员工最近发现的老式计算机（根据芯片的标记来判断）（1969年）。 模拟计算机曾一度受到快速科学计算的欢迎，但在1970年代几乎消失了。 它们在与数字计算机完全不同的范例中很有趣。 在本文中，我将重点介绍该模拟计算机（Simulators Inc.的Model 240）中使用的运算放大器（运放）。
Simulators Inc.的240型模拟计算机 -包含多达24个运算放大器的“通用高精度模拟台式计算机”（此型号有20个）。什么是模拟计算机？
模拟计算机使用物理连续可变值（例如电压）执行计算。 与此相反，数字计算机使用离散的二进制值。 模拟计算机的历史悠久-包括齿轮和齿轮，
滑尺 ，
机械磁盘-球积分器 ，
潮汐计算机和机械制导系统。 但是，1950年代和1960年代的“经典”模拟计算机使用运算放大器和积分器来求解微分方程。 通常，它们是通过将电线连接到配线架上进行编程的，从而导致电线杂乱的外观。
通过将电线连接到接线板来“编程”模拟计算机。 该面板来自EAI模拟计算机模拟计算机的最大优势在于速度。 他们的组件并行工作，因此几乎可以立即计算出结果。 数字计算机有时需要长时间使用计算。 结果，模拟计算机在实时仿真中最有用。 模拟计算机的缺点是其准确性直接取决于其组件的准确性。 如果需要4位精度，则需要使用精度为0.01％的昂贵电阻。 同时，数字计算机可以用任何精度完成，只需使用更多位即可。 不幸的是，对于模拟计算机，数字计算机的速度和功能呈指数级增长，到1970年代，几乎没有理由使用模拟。
在模拟计算机内部
模拟计算机的心脏是其运算放大器（运算放大器）。 运算放大器可以汇总和缩放输入信号，提供最简单的数学计算。 更重要的是，通过将运算放大器与精确的电容器相结合，可以创建积分器。 积分器随时间对输入进行积分，为电容器充电。 这使得模拟计算机可以解微分方程。 集成，一个复杂的数学运算，是模拟计算机的基本组成部分，这似乎很奇怪，但这就是硬件的工作方式。
模拟计算机集成商使用大型精密电容器。 在顶部，您可以看到一个10 nF的可变（可定制）电容器，在底部的一个大金属盒是一个10 uF的可变电容器。 制作这些电容器的目的是使泄漏极小，并且可积值不会泄漏出去。 在前景是用于选择电容器的继电器。模拟计算机使用多个电位计来设置输入值和缩放常数。 为确保高调谐精度，电位器最多可旋转10次。 为了检查电位计，使用了电压表。 它也可以用来演示输出值，但是更多时候它们会显示在示波器，图表磁带或绘图仪上。
上面是模拟计算机的数字部分。 底部是电位器。 该计算机型号没有某些电位计。 代替空白面板，数字电压表可以位于左上方。一些模拟计算机还具有数字组件-门，触发器，单稳态多谐振荡器和计数器。 此类功能使进行更复杂的计算成为可能-例如，在解决方案空间中迭代解决方案。 我们的计算机具有一些数字逻辑，可以通过色标面板（如上图）进行访问。
在下面的照片中，计算机已部分拆卸。 在内部，事实证明它与许多电路板相比要复杂得多。 我们卸下了配线架，这为我们打开了一个联系网格。 连接到配线架的电缆将闭合触点并配置程序。 在计算机的面板后面发现了五个模块：最左侧的一个被卸下并位于计算机的前面（通常，内部有六个模块的位置，但未安装一个-显然这是一种较便宜的型号，因此未安装多个电位计）。 该板在顶部可见，支持数字逻辑和两个模拟乘法器。 电源和前面板电路位于底部。
模拟计算机的主机盖已卸下。 其中一个模块已卸下，位于其前面。下面是该模块以及正面的面板触点的特写照片。 后面有八个木板。 从左到右在板上：四个运算放大器（4个板），各种电路（1个板）和一个乘法器（3个板）。 在模拟计算机中，乘法出乎意料地难以实现。 单电路将两个值相乘需要三块电路板。
模拟计算机可以使用二极管电阻网络来计算任意函数。 对于乘法，调整网络以计算抛物线函数。 通过恒等式X×Y =（（X + Y）
2- （XY）
2 ）/ 4来考虑乘法。 求和和差通过运算放大器计算，并通过抛物线函数的生成器计算平方。
模块之一。 前触点上的“手指”已插入配线架。 它们后面是可见的方形高精度电阻器（0.01％）。运算放大器
在上面的照片中，每个运算放大器都有自己的独立板，里面装有各种组件。 每个板都有一个运算放大器集成电路，这使您想知道为什么还需要许多其他组件。 答案很简单-模拟计算机要求运算放大器非常精确的操作。 特别是，运算放大器必须在恒定电流和低频下处理信号，但不幸的是，在这个范围内，运算放大器的性能非常差，它们更喜欢高频。
1949年，开发了一种用于运算放大器在低频下运行的解决方案：
斩波放大器。 想法是这样的：斩波器以400 Hz的频率调制输入信号。 运算放大器以400 Hz的频率愉快地放大了该交流信号。 第二个斩波器将输出变量信号解调回恒定值，这比直接放大恒定信号要好得多。 模拟计算机中用于运算放大器的板增加了斩波器电路，补充了运算放大器的集成电路并提高了其操作质量。
可以将斩波器的工作想象为幅度放大器AM无线电信号的工作。 的确，与AM不同，解调必须是“相位敏感的”，以便区分正信号和负信号。
该图（来自本
手册 ）显示了运算放大器板的图。 这个想法是输入信号的一部分通过电容器（高通滤波器）进入交流放大器。 同样，输入到达“稳定直流放大器”，在该输入端有一个斩波器。 输出经过解调，并通过一个低通滤波器（电阻/电容器）。 放大器的两个输出被组合并包含在输出放大器“ DC放大器”中。
注意识别和防止过载的要素。 在模拟计算机中，当计算值高于预期并超过运算放大器（±10 V）时，过载很容易发生。 结果，结果将是不正确的。 运算放大器可以捕获过载并点亮面板上的灯，以便用户知道问题所在。 模拟计算机程序员工作的重要部分是了解如何缩放数据，以使数学值适合系统的物理限制。
下图显示了其中一个运算放大器板。 如今，运算放大器通常具有正负输入，但是模拟计算机通常只有负输入-因此它们汇总数据并将其取反。 在右侧，您可以看到入口（与左侧的所有其他触点分开，以避免产生噪音）。 入口分为三个轨道。 第一条连接到直流斩波放大器。 信号通过低通滤波器以提取直流和低频信号。 斩波器很简单：带有JFET PN结的场效应晶体管在外部400 Hz振荡器的控制下交替接地。 这样的调制信号被提供给1967年出现的Amelco 809运算放大器IC（现已被遗忘的Amelco公司曾经在运算放大器的生产中起着重要作用；特别是它制造了第一个JFET运算放大器）。 IP是圆形金属圆柱； 然后这种情况很流行，并帮助屏蔽了运算放大器。 最后，IC的输出通过第二个斩波器和一个滤波器进行解调。
模拟计算机上的OA板，带有标记的功能组。 尽管该板使用带有IC的运算放大器，但仍需要一个额外的主体套件来实现所需的运算放大器性能。
左侧有触点，这是我对板子进行反向工程的结果：
L：平衡
K：斩波器
J：过载信号输出
H：斩波驱动
F：地面
E：地面
D：-15V
C：+ 15V
B：运算放大器输出
答：未使用然后，第二输入轨道与直流放大器的输出合并。 大多数运算放大器使用差分对，因此该板也不例外。 在差分对中，两个晶体管为两个输入信号之间的差异提供了很大的增益。 差分对的输入信号是电路板的输入信号以及来自直流斩波放大器的信号，因此它会同时放大初始输入和恒定信号。 为了使运算放大器正常工作，差分对中的两个晶体管必须完美平衡。 特别是，晶体管必须在相同的温度下工作，因此它们通过金属夹连接。
重要的晶体管与金属夹相连，以便它们在相同的温度下工作。 左右两侧的差分对是输入晶体管缓冲器。第三输入轨道进入交流放大器。 进入的信号通过高通滤波器（电阻和电容器），然后通过简单的晶体管缓冲器。 “前向传播”信号与差分对的输出组合在一起，以改善放大器的频率响应。 此时，输入信号将以三种不同的方式进行放大，从而在低频和高频下均具有良好的质量。
运算放大器板的最后一级是一个输出放大器，该放大器提供强大的电流，该电流在计算机的其余部分中使用。 它是
AB类放大器。 当时，每个晶体管都没有电源，因此它使用了两个NPN晶体管和两个PNP晶体管。
每个板的输入和输出均连接到配线架。 在照片的下面，运算放大器面板（从A1到A4）呈小块形式； 他们的入口是绿色，出口是红色。 积分器中使用的运算放大器还连接到积分电容器。
带有A1，A3和A4连接器的配线架的特写。 入口是绿色，出口是红色。 IC的初始条件是白色。 电位计连接器为黄色。在配线架上，每个运算放大器都有几个输入连接器，这些输入连接器具有不同的电阻值以进行缩放； 这些是照片中的数字10和100。 下图显示了这些直接连接到配线架触点的高精度电阻器（黑色圆柱）。 积分器输入由继电器（在下面）和电子开关控制，因此模拟计算机可以初始化积分电容器，开始计算并保存结果以供分析。
电阻（黑色圆柱）直接连接到配线架的端子。 中间的继电器控制计算机的各种状态：初始条件，操作和保留。 这些板连接到下面的绿色引脚。结论
尽管带有运放的集成电路在1960年代后期就已存在，但其质量还不足以支持模拟计算机。 取而代之的是，对于每个运算放大器，都使用一块带有组件的整块板，将运算放大器IC与斩波器和其他允许实现高精度运算放大器的元件组合在一起。 尽管IP质量的提高导致计算数字计算机的速度呈指数级增长，但与它们相比，模拟计算机的IP优势却很小。 结果，赢得了数字计算机，今天的模拟计算机仅是历史文物。
用于模拟计算机的可移动配线架。 通过将电线穿过孔进行编程。 面板可以卸下，因此当一个程序员使用计算机时，另一位程序员当时可以连接电线。我之所以对模拟计算机的电路进行了如此详细的描述，是因为我们试图对其进行恢复，但是我们缺少文档。 因此，我从事反向工程，试图了解如何使其恢复工作状态以及如何对其进行编程。 尽管这些板的电路图非常简单，但是计算机中有很多组件需要分析。 最难的事情是了解紧密的电线束中的连接，并且基本上有必要用万用表来完成。