کامپیوترهای آنالوگ: تاریخچه، توابع و کاربردهای دنیای واقعی

کامپیوترهای آنالوگ چه هستند:

کامپیوتری که داده‌های آنالوگ را پردازش می‌کند، به عنوان یک کامپیوتر آنالوگ شناخته می‌شود. کامپیوترهای آنالوگ اطلاعات را در کمیت‌های فیزیکی در قالبی پیوسته ذخیره می‌کنند و از اندازه‌گیری‌ها برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند.

کامپیوترهای آنالوگ برای اندازه‌گیری داده‌هایی که نمی‌توانند به اعداد یا کدها تبدیل شوند، مناسب هستند. با این حال، به دلیل طیف گسترده‌ای از پیچیدگی‌های موجود، کامپیوترهای آنالوگ تا حد زیادی توسط کامپیوترهای دیجیتال در کاربردهای صنعتی و علمی مانند سیستم‌های کنترل و هواپیماها جایگزین شده‌اند.

زمانی که کامپیوترهای دیجیتال هنوز وجود نداشتند یا آنهایی که وجود داشتند فاقد عملکرد کافی بودند، کامپیوترهای آنالوگ به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفتند (حتی مکانیزم باستانی آنتیکیترا و خط‌کش محاسبه را می‌توان دستگاه‌های محاسبات آنالوگ در نظر گرفت). ظهور و پیشرفت سریع کامپیوترهای دیجیتال، کامپیوترهای آنالوگ را در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ تا حد زیادی منسوخ کرد، اگرچه آنها در برخی کاربردهای خاص، مانند کامپیوتر پرواز در هواپیما و برای آموزش سیستم‌های کنترل در دانشگاه‌ها، همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این وجود، چندین کامپیوتر آنالوگ شگفت‌انگیز شایسته توجه ما هستند.

کامپیوترهای آنالوگ: یک تعریف دقیق

تعریف کامپیوتر آنالوگ به شرح زیر است:

یک کامپیوتر آنالوگ از کمیت‌های به راحتی قابل اندازه‌گیری مانند ولتاژ یا چرخش (به جای زبان‌های برنامه‌نویسی، کدها یا الگوریتم‌ها) برای نمایش اعداد استفاده می‌کند.

یک کامپیوتر آنالوگ، کامپیوتری است که از عناصری مانند مکانیکی، الکتریکی، هیدرولیکی و غیره که دائماً در حال تغییر هستند، استفاده می‌کند. به عبارت دیگر، یک کامپیوتر آنالوگ با استفاده از ابزارهای مکانیکی (مانند چرخ‌دنده‌ها و ترازها) یا ابزارهای الکترونیکی برای انجام وظایف مختلف مانند حل معادلات ریاضی و دیفرانسیل، شبیه‌سازی پدیده‌ها یا فرآیندهای فیزیکی و تجزیه و تحلیل داده‌ها به صورت بلادرنگ کار می‌کند.

در طول دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰، کامپیوترهای آنالوگ در ابتدا برای علوم، ریاضیات و مهندسی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. با این حال، کامپیوترهای آنالوگ به جای داشتن داده‌های گسسته (مانند ارقام دودویی)، از مقادیر پیوسته استفاده می‌کنند و به الگوریتم‌ها یا زبان‌های برنامه‌نویسی متکی نیستند. در نتیجه، این کامپیوترها بر روی سیگنال‌های آنالوگ کار می‌کنند. علاوه بر این، این سیگنال‌ها، سیگنال‌های پیوسته با ویژگی متغیر با زمان هستند. کامپیوترهای آنالوگ با دستکاری سیگنال‌های الکتریکی پیوسته که ورودی‌ها و خروجی‌های محاسبات مختلف را نشان می‌دهند، کار می‌کنند.

کامپیوترهای آنالوگ چگونه کار می‌کنند؟

کامپیوترهای آنالوگ ماشین‌هایی هستند که متفاوت از کامپیوترهای دیجیتال کار می‌کنند. آن‌ها به جای استفاده از ارقام دودویی، از کمیت‌های فیزیکی پیوسته در حال تغییر مانند سیگنال‌های الکتریکی، فشار سیال یا حرکت مکانیکی برای انجام عملیات و حل مسائل استفاده می‌کنند.

کامپیوترهای آنالوگ از معیارهایی مانند الکتریسیته، فشار یا حرکت برای نمایش اطلاعات در یک مسئله استفاده می‌کنند. سیستم آنالوگ بر اساس شرایط اولیه ساخته می‌شود و سپس به دلخواه تغییر می‌کند. این نوع کامپیوتر با شرایط خاصی شروع می‌شود و سپس در صورت نیاز تغییر می‌کند. برای حل مسئله، کامپیوتر متغیرها را با استفاده از اندازه‌گیری محاسبه می‌کند و پاسخ‌های مورد نیاز شما را می‌دهد. در نهایت، کامپیوتر متغیرها را در مدل آنالوگ محاسبه و اندازه‌گیری می‌کند تا پاسخ‌های مسئله را به دست آورد.

یک کامپیوتر آنالوگ از ماژول‌های مختلفی ساخته شده است که برای جمع، مقیاس‌بندی، ادغام، ضرب یا ایجاد ولتاژهای جدید و تولید توابع جدید با هم کار می‌کنند. این دستگاه‌ها در جدیدترین سیستم‌ها شامل تقویت‌کننده‌های عملیاتی مدار مجتمع و مولدهای تابع هستند. یک کامپیوتر آنالوگ بزرگ ممکن است برای عملکرد صحیح به ده‌ها عدد از این تقویت‌کننده‌ها نیاز داشته باشد.

ورودی‌ها و خروجی‌های ماژول‌های مناسب برای حل یک چالش معین در هم تنیده شده‌اند. این ماژول‌ها از اطلاعاتی که ما وارد می‌کنیم (ورودی‌ها) استفاده می‌کنند و به ما پاسخی (خروجی‌ها) می‌دهند. به عنوان مثال، یک راه برای حل مسئله‌ای که با گذشت زمان تغییر می‌کند، استفاده از معادلات دیفرانسیل است. این شامل گنجاندن مواردی مانند مقیاس‌بندی، بازخورد و ایجاد شرایط اولیه در صورت نیاز، استفاده از ولتاژها برای نمایش کمیت‌های فیزیکی و آنچه در حال رخ دادن است، می‌شود. این رویکرد می‌تواند برای حل معادلات به صورت تک تک یا همه به طور همزمان در کاربردهای مهندسی و محاسبات علمی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی استفاده شود.

چه کسی کامپیوترهای آنالوگ را ساخت؟

تاریخچه کامپیوترهای آنالوگ کمی نامشخص است، زیرا سادگی و اندازه کامپیوترهای آنالوگ باعث شده است که افراد مختلف اعتبار اختراع آنها را به خود اختصاص دهند. یکی از اولین نمونه‌های اولیه کامپیوتر آنالوگ هیدرولیک در اوایل دهه 1890 توسط میهایلو پتروویچ آلاس، ریاضیدان صرب، اختراع شد. این کامپیوترهای آنالوگ اولیه، ماشین‌های تخصصی بودند، مانند پیش‌بینی‌کننده جزر و مد ویلیام تامسون در سال 1873 و در سال 1898، ای. ای. مایکلسون و اس. دبلیو. استراتون یک آنالیزور هارمونیک 80 مولفه‌ای ساختند. آنها می‌توانستند یک حرکت سینوسی (مانند موج یا منحنی) ارائه دهند که می‌توانست با استفاده از یک تکیه‌گاه روی اهرم‌ها در عوامل ثابت ضرب شود. برای تشکیل یک نتیجه، از فنرها برای ترکیب اجزا استفاده می‌شد. آنالیزور دیفرانسیل در اوایل دهه 1930 توسط ونیوار بوش، مهندس برق آمریکایی و همکارانش اختراع شد. این نقطه عطف دیگری در ایجاد کامپیوتر آنالوگ مدرن بود. این دستگاه اولین دستگاه از نوع خود در تاریخ بود که از انتگرال‌گیرهای مکانیکی (چرخ‌دنده‌های با سرعت متغیر) برای حل معادلات دیفرانسیل استفاده می‌کرد.

کاربرد کامپیوترهای آنالوگ چیست؟

کامپیوترهای آنالوگ مدت‌ها پس از اختراع کامپیوترهای دیجیتال، به طور گسترده برای اهداف علمی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفتند، همانطور که مشخصات و اندازه موجود آنها نشان می‌دهد. آنها مزایای متعددی داشتند و اغلب در آن زمان به طور قابل توجهی سریع‌تر بودند. با این حال، آنها در اوایل دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ منسوخ شدند، اگرچه هنوز برای مدت طولانی مفید بودند. به عنوان مثال، ساعت‌های مکانیکی، کامپیوترهای آنالوگ هستند که در آنها عقربه‌های ثانیه، دقیقه و ساعت در ساعت توسط چرخش مداوم و دوره‌ای چرخ‌دنده‌های به هم پیوسته هدایت می‌شوند.

کامپیوترهای آنالوگ همچنان در برخی کاربردهای خاص، مانند شبیه‌سازهای پرواز هواپیما، کامپیوترهای پرواز هواپیما و سیستم‌های کنترل تدریس دانشگاهی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. از آنجا که کامپیوترهای دیجیتال برای کاربردهای پیچیده‌تر، مانند شبیه‌سازهای پرواز هواپیما و رادار روزنه مصنوعی، نامناسب بودند، محاسبات آنالوگ (و محاسبات ترکیبی) تا دهه ۱۹۸۰ در قلمرو محاسبات آنالوگ (و محاسبات ترکیبی) باقی ماندند.

نمونه‌هایی از کامپیوترهای آنالوگ در دنیای واقعی

ما هنوز هم از انواع مختلفی از کامپیوترهای آنالوگ به دلیل اندازه قابل مدیریت و قیمت مناسب آنها استفاده می‌کنیم. در اینجا چند نمونه رایج از آنها آورده شده است:

دماسنج

یک دماسنج آنالوگ با استفاده از یک مقیاس مدرج و خواص جیوه کار می‌کند و به اندازه‌گیری دما کمک می‌کند. با تغییر دما، جیوه داخل دماسنج در پاسخ به بالا یا پایین حرکت می‌کند. در این حالت، جیوه به عنوان ورودی عمل می‌کند و دما اندازه‌گیری و به موقعیت جیوه تبدیل می‌شود. موقعیت جیوه (چه بالاتر باشد چه پایین‌تر روی دماسنج) به عنوان خروجی عمل می‌کند و اطلاعاتی در مورد دمای فعلی ارائه می‌دهد.

سرعت سنج

سرعت‌سنج وسیله‌ای است که سرعت وسیله نقلیه را اندازه‌گیری می‌کند. مقیاس سرعت‌سنج به درستی درجه‌بندی شده است، اغلب بر حسب کیلومتر یا مایل در ساعت. سرعت توسط یک عقربه نشان داده می‌شود که می‌تواند آزادانه در پاسخ به سیگنال آنالوگ دریافتی منحرف شود. کابل سرعت‌سنج به شفت چرخ‌دنده و یک آهنربا متصل است. کاسه فلزی سرعت‌سنج هیچ تماسی با آهنربا ندارد، اما یک فنر به یک میله القایی متصل است که به اتصال کاسه سرعت‌سنج به نشانگر کمک می‌کند. هنگامی که شفت چرخ‌دنده می‌چرخد و سرعت افزایش می‌یابد، آهنربا نیز می‌چرخد و می‌چرخد و یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که کاسه فلزی سرعت‌سنج را جذب می‌کند و باعث حرکت آن می‌شود. سپس این باعث حرکت سوزن می‌شود و سرعت فعلی وسیله نقلیه را نشان می‌دهد.

ساعت آنالوگ یک قطعه رایج در زندگی روزمره ما است و همچنین نوعی کامپیوتر آنالوگ محسوب می‌شود. این ساعت از یک کریستال کوارتز حساس به پیزوالکتریک استفاده می‌کند. کریستال پیزوالکتریک به لطف ولتاژ ارائه شده توسط باتری که یک سیگنال آنالوگ است، با سرعت دقیقاً ۳۲۷۶۸ ارتعاش در ثانیه ارتعاش می‌کند. این ارتعاشات یک پالس تشکیل می‌دهند که حرکت تیک تاک ساعت را ایجاد می‌کند. یک پالس معادل زمانی یک ثانیه است. در نتیجه، یک ثانیه برابر با ۳۲۷۶۸ ارتعاش کریستال پیزوالکتریک است.

لرزه‌سنج

لرزه‌سنج دستگاهی است که بزرگی زلزله را اندازه‌گیری می‌کند. این دستگاه نزدیک به زمین نگه داشته می‌شود. زمین و همچنین لرزه‌سنج هنگام وقوع زلزله می‌لرزند. امواج لرزه‌ای، امواجی هستند که در طول زلزله رخ می‌دهند. سپس امواج لرزه‌ای روی کاغذ گراف در دستگاهی که به آن لرزه‌نگار می‌گویند، ثبت می‌شوند. پس از بررسی و تجزیه و تحلیل کامل لرزه‌نگار، لرزه‌شناسان ما را از بزرگی زلزله مطلع می‌کنند.

ولت متر

از آنجا که ولتاژ به طور مداوم در طول زمان تغییر می‌کند، یک سیگنال آنالوگ است. در نتیجه ولت‌مترهای آنالوگ را می‌توان کامپیوترهای آنالوگ در نظر گرفت. اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در یک شبکه الکتریکی با استفاده از ولت‌متر نمایش داده می‌شود. یک سوزن منحرف‌کننده و یک مقیاس مدرج منحنی روی واحد نمایش ویژگی‌های اصلی ولت‌مترهای آنالوگ هستندولت‌متر به صورت موازی با مدار متصل می‌شود تا افت ولتاژ در مقاومت را اندازه‌گیری کند.

 

سوالات متداول