מחשבים אנלוגיים: מאפיינים, רכיבים, סוגים - טֶכנוֹלוֹגִיָה - 2025

המחשבים האנלוגיים הם סוג של מחשב שמשתמש שינוי היבטים ברציפות של תופעות פיסי, כגון כמויות חשמליות, מכאניות או הידראוליות, למדל את הבעיה נפתרה.

כלומר, מדובר במחשבים הפועלים עם מספרים המיוצגים על ידי ערכים רציפים הניתנים למדידה ישירה, כגון לחץ, טמפרטורה, מתח, מהירות ומשקל. לעומת זאת, מחשבים דיגיטליים מייצגים ערכים אלה באופן סמלי.

מקור: X-15_Analog_computer לפי איך זה עשוי - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, רשות הרבים, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169

מחשבים אנלוגיים יכולים להיות בעלי מגוון רחב מאוד של מורכבות. הפשוטים ביותר הם כללי שקופיות ונוגרמות, בעוד המחשבים השולטים בתותחי ים ומחשבים היברידיים דיגיטליים / אנלוגיים גדולים הם מהמורכבים ביותר. באותה תקופה היו אלה מכונות המחשבים הראשונות שפותחו.

מערכות בקרת תהליכים וממסרי הגנה משתמשים במחשוב אנלוגי לצורך ביצוע פונקציות בקרה והגנה.

בשנות ה -60 היצרן העיקרי היה החברה האלקטרונית Associates, עם המחשב האנלוגי 231R שלה, עם צינורות ואקום ו -20 אינטגרטורים. מאוחר יותר, עם מחשב 8800 האנלוגי שלו, עם מגברי אודיו למצב מוצק ו 64 אינטגרטורים.

החלפה על ידי מחשבים דיגיטליים

בשנות ה -70 המחשבים הדיגיטליים, שהתבססו תחילה על צינורות ואקום, ובהמשך על טרנזיסטורים, מעגלים משולבים ומעבדים, הפכו חסכוניים ומדויקים יותר.

זה הוביל לכך שמחשבים דיגיטליים החליפו ברובם מחשבים אנלוגיים. עם זאת, מחשבים אנלוגיים המשיכו להשתמש ביישומים מדעיים ותעשייתיים, מכיוון שבאותה תקופה הם היו בדרך כלל מהירים הרבה יותר.

לדוגמה, הם המשיכו להשתמש בכמה יישומים ספציפיים, כמו מחשב הטיסה במטוסים.

יישומים מורכבים יותר, כמו מכ"ם צמצם סינטטי, נותרו תחת שליטת המחשוב האנלוגי עוד בשנות השמונים, שכן מחשבים דיגיטליים לא הספיקו למשימה.

מחקרים אנלוגיים עדיין נמשכים. חלק מאוניברסיטאות עדיין משתמשות במחשבים אנלוגיים כדי ללמד את התיאוריה של מערכות בקרה.

מאפיינים

עיבוד נתונים אנלוגי

מחשב אנלוגי משמש לעיבוד נתונים אנלוגיים, כגון מתח, טמפרטורה, לחץ, מהירות וכו '. היא מאחסנת ברציפות נתונים אלה של כמויות פיזיות ומבצעת חישובים בעזרת מדידות אלה.

זה שונה לגמרי מהמחשב הדיגיטלי שמשתמש במספרים סמלים כדי לייצג את התוצאות.

מחשבים אנלוגיים נהדרים עבור מצבים הדורשים מדידת נתונים ישירות, מבלי להמיר אותם למספרים או לקודים.

באמצעות אותות אנלוגיים

המחשב האנלוגי משתמש באות האנלוגי, אותו ניתן לייצג כגל רציף או סינוס, המכיל ערכים המשתנים לאורך זמן.

אות אנלוגי יכול להשתנות במשרעת או בתדר. ערך המשרעת הוא עוצמת האות הקשורה לנקודה הגבוהה ביותר שנקראת הציצה ונקודות הנמוכות ביותר. מצד שני, הערך של התדר הוא האורך הפיזי שלו משמאל לימין.

דוגמאות לאותות אנלוגיים הם דיבור קול או אנושי דרך חוטי נחושת חשמליים.

מחשבים אנלוגיים אינם דורשים נפח אחסון מכיוון שבפעולה יחידה הם מודדים ומשווים כמויות.

דיוק מוגבל

לייצוגים אנלוגיים יש דיוק מוגבל, בדרך כלל למספר מקומות עשרוניים.

הדיוק של מחשב אנלוגי מוגבל על ידי רכיבי המחשוב שלו, כמו גם על ידי איכות הכוח הפנימית וחיבורים חשמליים.

זה מוגבל בעיקר על ידי הדיוק של ציוד הקריאה המשמש, שהוא בדרך כלל שלושה או ארבעה מקומות עשרוניים.

תִכנוּת

תכנות במחשב אנלוגי כוללת הפיכת משוואות הבעיה למעגל המחשב האנלוגי.

בשביל מה מיועדים מחשבים אנלוגיים?

הם משמשים לייצוג נתונים בכמויות מדידות, כמו מתח או סיבוב הילוכים, על מנת לפתור בעיה, במקום לבטא את הנתונים כמספרים.

פיקוח ובקרה

במערכות ניטור ובקרה הם משמשים לקביעת נוסחת בקרה ולחישוב פרמטרי תהליכים, כגון יעילות, כוח, ביצועים ואחרים.

אם אתה יכול להקצות ביטוי מתמטי המגדיר את הקשר של פרמטר לקואורדינטות של אובייקט, המחשב האנלוגי יכול לפתור את המשוואה המתאימה.

לדוגמה, מחשבים אנלוגיים נמצאים בשימוש נרחב כדי להעריך את היעילות הכלכלית של מערכות כוח, ויכולים לשמש כוויסות אוטומטיות.

הם משמשים לרוב לבקרת תהליכים כמו אלה שבבתי זיקוק בשמן, שבהם חשיבות למדידות זרימה וטמפרטורה.

ניתוח מתקדם

על ידי פתרון חוזר ונשנה של מערכת המשוואות המתארת ​​תהליך מבוקר, מחשב אנלוגי יכול לסרוק מספר רב של פתרונות חלופיים תוך זמן קצר. לשם כך הוא משתמש בערכים שונים בפרמטרים שיכולים להשתנות במהלך התהליך.

ניתן להבטיח את האיכות הנדרשת באמצעות אותות בקרה שהוכרזו על ידי המחשב האנלוגי.

הערכים שנקבעים על ידי המחשב מועברים להתקן וויסות, המתאים את נקודות הבקרה.

קביעת אותות מטרידים או שימושיים

גודל האות המטריד או השימושי נקבע על ידי משוואות דיפרנציאליות המתארות את המערכת הדינמית, את ערכי התנאים הראשוניים, בנוסף לשינויים שנקבעים בסטטיסטיקה המודדים רעש ואות.

ניתן להשתמש במחשב אנלוגי גם לבניית מכשירים המתעדים באופן אוטומטי הפרעות ומפיקים אות בקרה, שתלוי באופי ובהפרעות בכמות.

הדמיית מערכות דינמיות

ניתן לבצע את ההדמיות בזמן אמת או במהירויות גבוהות מאוד, וכך לאפשר ניסויים עם ריצות חוזרות ונשנות עם המשתנים שהשתנו.

הם שימשו רבות בהדמיות מטוסים, בתחנות כוח גרעיניות, וגם בתהליכים כימיים תעשייתיים.

רכיבים

מגבר תפעולי

רוב המחשבים האנלוגיים החשמליים פועלים על ידי מניפולציה של מתחים או הבדלים פוטנציאליים. המרכיב הבסיסי שלו הוא המגבר התפעולי, שהוא מכשיר שזרם היציאה שלו פרופורציונלי להבדל פוטנציאל הקלט שלו.

על ידי גרימת זרם תפוקה זה לזרום באמצעות הרכיבים המתאימים, מתקבלים הבדלים פוטנציאליים רבים יותר וניתן לבצע מגוון רחב של פעולות מתמטיות, כולל הוספה, חיסור, היפוך ואינטגרציה.

מחשב אנלוגי חשמלי מורכב מסוגים רבים של מגברים. ניתן לחבר אלה כדי ליצור ביטוי מתמטי של מורכבות רבה ועם שלל משתנים.

רכיבים הידראוליים

רכיבים הידראוליים עיקריים יכולים לכלול צינורות, שסתומים ומכולות.

רכיבים מכניים

ייתכנו פירי סיבוב להעברת נתונים בתוך המחשב, הילוכים דיפרנציאליים, אינטגרטורים של דיסק, כדור או רולר, מצלמות דו-מימדיות ותלת-ממדיות, רזולוציה מכנית ומכפילים ומומנטים סרוו.

רכיבים חשמליים ואלקטרוניים

- נגדים וקבלים דיוק.

- מגברי תפעול.

- מכפילים.

- פוטנציומטרים.

- מחוללי פונקציות קבועים.

בהתאם לאופי הפעולות המתמטיות

לינארית

רכיבים לינאריים מבצעים את פעולות ההוספה, האינטגרציה, שינויי הסימנים, הכפלת קבוע ואחרים.

לא לינארי

מחוללי פונקציות משחזרים מערכות יחסים לא לינאריות. ישנם רכיבי מחשב המיועדים לשכפל פונקציה שהוקצתה, מתוך טיעון אחד, שניים או יותר.

מקובל במחלקה זו להבחין בין מכשירים המשחזרים פונקציות רצופות של טיעון יחיד לבין מכשירי מחלק מכפיל.

הגיוני

בין מרכיבי ההיגיון ניתן למצוא התקני לוגיקה אנלוגיים, שנועדו להפריד את הכמות הגדולה או הקטנה יותר בין כמויות שונות, התקני לוגיקה נפרדים, מעגלי מיתוג ממסר וכמה יחידות מיוחדות אחרות.

בדרך כלל כל המכשירים הלוגיים משולבים לאחד, הנקרא התקן לוגי מקביל. הוא מצויד בלוח תיקון משלו לחיבור התקני לוגיקה בודדים זה לזה ולרכיבים האנלוגיים האחרים של המחשב.

סוגים

מחשבים מכניים

הם בנויים מרכיבים מכניים, כמו מנופים והילוכים, ולא מרכיבים אלקטרוניים.

הדוגמאות הנפוצות ביותר הן הוספת מכונות ומונים מכניים, המשתמשים בסיבוב הילוכים כדי לבצע תוספות או ספירות. דוגמאות מורכבות יותר יכולות לבצע כפל וחלוקה ואפילו ניתוח דיפרנציאלי.

המחשבים המכניים המעשיים ביותר משתמשים בצירים מסתובבים כדי להעביר משתנים ממנגנון אחד למשנהו.

בסינתיסייזר פורייה, שהיה מכונה לחיזוי גאות ושפל, השתמשו בכבלים וגלגלות שהוסיפו את הרכיבים ההרמוניים.

חשוב להזכיר את מכשירי הטיסה המכניים בחללית המוקדמת, שהראו את התוצאה המחושבת לא בצורה של ספרות, אלא באמצעות תזוזות של משטחי המחוון.

חלליות סובייטיות משומנות היו מצוידות בכלי שנקרא גלובוס. זה הראה את התנועה הפיגורטיבית של כדור הארץ דרך העקירה של כדור הארץ יבשתי מיניאטורי, בנוסף לאינדיקטורים לרוחב ואורך.

מחשבים חשמליים

הם נפוצים יותר מכיוון שיש להם פס פס רחב באופן משמעותי ונוחים לחיבור למחשבים אחרים ולרכיבי בקרה למכשירים.

הם משתמשים באותות חשמליים הזורמים בנגדים וקבלים שונים כדי לדמות תופעות פיזיות, ולא אינטראקציה מכנית של רכיבים.

תכנון האלמנטים האנלוגיים של המחשב מבוסס על מגברים אלקטרוניים בעלי זרם ישיר. אלה בעלי רווח גבוה במצב מעגל פתוח.

בהתאם למבנה מעגלי הקלט והמשוב, מגבר אודיו מבצע פעולות מתמטיות ליניאריות או לא לינאריות. גם שילוב של פעולות אלה.

סוג זה של מחשב אנלוגי נעשה שימוש נרחב במחשוב ובטכנולוגיה צבאית באמצע המאה ה -20, כמו למשל בבדיקות מטוסים וטילים.

ההבדלים עם הדיגיטל

העברת אותות

לאותות דיגיטליים שני מצבים נפרדים, כבוי או פועל. מצב הכיבוי הוא אפס וולט ומצב ההפעלה הוא חמישה וולט. זו הסיבה שמחשבים דיגיטליים משתמשים בנתוני מספר בינאריים, בצורה של 0 ו -1.

אותות אנלוגיים הם רציפים. הם יכולים להיות בכל מקום בין שני קצוות, כגון -15 ו- +15 וולט. המתח של אות אנלוגי יכול להיות קבוע או להשתנות לאורך זמן.

כלומר, במחשבים אנלוגיים הנתונים מועברים בצורה של אותות רציפים. במחשבים דיגיטליים הם מועברים בצורה של אותות נפרדים.

סוגי מעגלים

מעגלי מחשב אנלוגיים משתמשים במגברי תפעול, מחוללי אותות, רשתות נגד וקבלים. מעגלים אלה מעבדים אותות מתח רציפים.

מחשבים דיגיטליים משתמשים במגוון מעגלי הפעלה / כיבוי, כמו מעבדים מיקרו, מחוללי שעון ושערי היגיון.

כלומר, המחשב הדיגיטלי משתמש במעגלים אלקטרוניים ואילו המחשב האנלוגי משתמש בנגדים לזרימה הרציפה של האות.

דיוק

מחשבים אנלוגיים חייבים להתמודד עם רמה מסוימת של רעש חשמלי במעגלים, המשפיעים על רמת הדיוק שלהם. במעגלים של מחשב דיגיטלי יש גם רעש חשמלי, אם כי אין לכך השפעה על הדיוק או האמינות.

מצד שני, המחשב האנלוגי לא יכול לייצר תוצאות חוזרות בהתאמה מדויקת. המשמעות היא שמחשבים אנלוגיים פחות מדויקים בהשוואה למחשבים דיגיטליים.

תִכנוּת

ניתן לתכנת גם מחשבים אנלוגיים וגם דיגיטליים, אם כי השיטות שונות.

מחשבים דיגיטליים משתמשים ברצפי הוראות מורכבים, כגון השוואה או הכפלת שני מספרים, או העברת נתונים ממקום למקום.

לתכנת מחשב אנלוגי, מערכות משנה שונות מחוברות חשמליות עם כבלים זה לזה. לדוגמה, מחולל אותות מחובר לכפתור בקרה, כדי לשנות את עוצמת האות.

דוגמאות

שעון טירה

מחשב מפורסם זה היה מסוגל לאחסן הוראות תכנות. בגובה של יותר משלושה מטרים, המכשיר הציג את השעה, גלגל המזלות וגם מסלולי השמש והירח.

החלק החישובי של המכשיר איפשר אפוא למשתמשים להגדיר את אורך המשתנה של היום בהתאם לעונה. תואר בשנת 1206, מחשב זה היה מורכב מאוד לתקופתו.

כלל השקופיות

אחד המחשבים המכניים האנלוגיים הפשוטים והזוהים ביותר הוא כלל השקופיות. זהו מכשיר המקורב לחישובים מתמטיים בסיסיים.

משתמשים מחליקים מוט מסומן כדי ליישר אותו עם סימנים שונים על מוט אחר, ובכך לקרוא את המכשיר על סמך יישור הסימנים השונים.

מנתח דיפרנציאלי

מחשב אנלוגי מכני זה היה מסוגל לפתור משוואות דיפרנציאליות. עם תכנון עתיק כמו בראשית שנות ה -18 של המאה העשרים, הניתוח הדיפרנציאלי הושלם בשנות השלושים של המאה העשרים והשתמש עד אמצע המאה העשרים.

זה נחשב למחשב המודרני הראשון. הוא שקל 100 טונות והכיל 150 מנועים, בתוספת מאות מיילים של כבלים המחברים ממסרים וצינורות ואקום.

בסטנדרטים של ימינו, המכונה הייתה איטית. למעשה, זה היה מהיר רק פי מאה יותר מאשר מפעיל אנושי שהשתמש במחשבון שולחני.

דוגמאות נוספות

- החזוי קריסון.

- מחשב ליברסקופ, איזון ומשקל של כלי טיס.

- אינטגרטורים מכניים כמו פלנטימטר.

- נומוגרמה.

- מגן הפגזה של נורדן.

- מחשבים הקשורים לבקרת אש.

- אינטגרטורים למים.

- מוניאק, דוגמנות כלכליות.

מועצת הסימולציה הייתה אגודה של משתמשי מחשבים אנלוגיים בארצות הברית.

עלוני מועצת הסימולציה בין השנים 1952 עד 1963 זמינים כעת ברשת. הם מראים את הטכנולוגיות באותה תקופה וגם את השימוש הנפוץ במחשבים אנלוגיים.

הפניות

1. ויקיפדיה, האינציקלופדיה החופשית (2019). מחשב אנלוגי. נלקח מ: en.wikipedia.org.
2. Techopedia (2019). מחשב אנלוגי. לקוח מ: ceilingpedia.com.
3. דינש תאקור (2019). מהו מחשב אנלוגי? - הגדרה. הערות מחשב אלקטרוני. נלקח מ: ecomputernotes.com.
4. אנציקלופדיה בריטניקה (2019). מחשב אנלוגי. נלקח מ: britannica.com.
5. ג'ון פפייבסקי (2019). 10 הבדלים בין מחשבים אנלוגיים ודיגיטליים. נלקח מ: techwalla.com.
6. המילון החופשי (2019). מחשב אנלוגי. נלקח מ: encyclopedia2.thefreedictionary.com.
7. אנציקלופדיה (2002). מחשב, אנלוגי. נלקח מ: encyclopedia.com.