Computadores analógicos: características, componentes, tipos - Ciência - 2023

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As computadores analógicos eles são um tipo de computador que usa aspectos em constante mudança de fenômenos físicos, como quantidades elétricas, mecânicas ou hidráulicas, para modelar o problema que está sendo resolvido.

Ou seja, são computadores que operam com números representados por valores contínuos mensuráveis diretamente, como pressão, temperatura, tensão, velocidade e peso. Em contraste, os computadores digitais representam esses valores simbolicamente.

Os computadores analógicos podem ter uma gama muito ampla de complexidade. Os mais simples são as regras de cálculo e os nomogramas, enquanto os computadores que controlam armas navais e grandes computadores híbridos digitais / analógicos estão entre os mais complicados. Na época, eles foram os primeiros computadores desenvolvidos.

Os sistemas de controle de processo e relés de proteção usam computação analógica para realizar funções de controle e proteção.

Na década de 1960, o principal fabricante era a americana Electronic Associates, com seu computador analógico 231R, com válvulas e 20 integradores. Mais tarde, com seu computador analógico 8800, com amplificadores operacionais de estado sólido e 64 integradores.

Substituição por computadores digitais

Na década de 60 dos anos 70, os computadores digitais, baseados primeiro em válvulas, e depois em transistores, circuitos integrados e microprocessadores, tornaram-se mais econômicos e precisos.

Isso levou os computadores digitais a substituir em grande parte os computadores analógicos. No entanto, os computadores analógicos continuaram a ser usados em aplicações científicas e industriais, porque naquela época eles eram comumente muito mais rápidos.

Por exemplo, eles continuaram a ser usados em algumas aplicações específicas, como o computador de vôo em aviões.

Aplicações mais complexas, como o radar de abertura sintética, permaneceram sob o domínio da computação analógica até a década de 1980, já que os computadores digitais eram insuficientes para a tarefa.

A pesquisa ainda está em andamento na computação analógica. Algumas universidades ainda usam computadores analógicos para ensinar a teoria dos sistemas de controle.

Caracteristicas

Processamento de dados analógico

Um computador analógico é usado para processar dados analógicos, como tensão, temperatura, pressão, velocidade, etc. Ele armazena continuamente esses dados de quantidade física e executa cálculos com a ajuda dessas medições.

É bem diferente do computador digital, que usa números simbólicos para representar os resultados.

Os computadores analógicos são ótimos para situações que exigem que os dados sejam medidos diretamente, sem convertê-los em números ou códigos.

Usando sinais analógicos

O computador analógico usa o sinal analógico, que pode ser representado como uma onda contínua ou senoidal, que contém valores que variam com o tempo.

Um sinal analógico pode variar em amplitude ou frequência. O valor da amplitude é a intensidade do sinal em relação ao seu ponto mais alto, chamado de crista, e seus pontos mais baixos. Por outro lado, o valor da frequência é seu comprimento físico da esquerda para a direita.

Exemplos de sinais analógicos são som ou fala humana por meio de fio de cobre eletrificado.

Os computadores analógicos não requerem nenhuma capacidade de armazenamento porque em uma única operação medem e comparam quantidades.

Precisão limitada

As representações analógicas têm precisão limitada, geralmente com algumas casas decimais.

A precisão de um computador analógico é limitada por seus elementos computacionais, bem como pela qualidade da alimentação interna e das interconexões elétricas.

É limitado principalmente pela precisão do equipamento de leitura usado, que geralmente é de três ou quatro casas decimais.

Programação

A programação em um computador analógico envolve a transformação das equações do problema no circuito do computador analógico.

Para que servem os computadores analógicos?

Eles são usados para representar dados por quantidades mensuráveis, como tensões ou rotação de engrenagem, a fim de resolver um problema, em vez de expressar os dados como números.

Monitoramento e controle

Em sistemas de monitoramento e controle, eles são usados para determinar uma fórmula de controle e calcular parâmetros de processo, como eficiência, potência, desempenho e outros.

Se você pode atribuir uma expressão matemática que define a associação de um parâmetro com as coordenadas de um objeto, o computador analógico pode resolver a equação correspondente.

Por exemplo, os computadores analógicos são amplamente usados para avaliar a eficiência econômica dos sistemas de energia e podem servir como reguladores automáticos.

Eles são frequentemente usados para controlar processos como os de refinarias de petróleo, onde o fluxo contínuo e as medições de temperatura são importantes.

Análise avançada

Resolvendo repetidamente o sistema de equações que descreve um processo controlado, um computador analógico pode varrer um grande número de soluções alternativas em um curto espaço de tempo. Para fazer isso, ele usa diferentes valores nos parâmetros sujeitos a alterações durante o processo.

A qualidade exigida pode ser garantida por meio de sinais de controle anunciados pelo computador analógico.

Os valores determinados pelo computador são transmitidos a um dispositivo regulador, que ajusta os pontos de controle.

Determinação de sinais perturbadores ou úteis

A magnitude de um sinal perturbador ou útil é determinada por meio de equações diferenciais que descrevem o sistema dinâmico, os valores das condições iniciais, além das mudanças determinadas nas estatísticas que medem ruído e sinal.

Um computador analógico também pode ser usado para construir instrumentos que registram automaticamente as perturbações e produzem um sinal de controle, que dependerá do caráter e da quantidade das perturbações.

Simulação de sistemas dinâmicos

As simulações podem ser realizadas em tempo real ou a velocidades muito elevadas, permitindo assim experimentar corridas repetidas com as variáveis alteradas.

Eles têm sido amplamente utilizados em simulações de aeronaves, usinas nucleares e também em processos químicos industriais.

Componentes

Amplificador operacional

A maioria dos computadores elétricos analógicos funcionam manipulando tensões ou diferenças de potencial. Seu componente básico é o amplificador operacional, que é um dispositivo cuja corrente de saída é proporcional à diferença de potencial de entrada.

Fazendo com que esta corrente de saída flua através dos componentes apropriados, mais diferenças de potencial são obtidas e uma ampla variedade de operações matemáticas podem ser realizadas, incluindo adição, subtração, inversão e integração.

Um computador elétrico analógico consiste em muitos tipos de amplificadores. Estes podem ser conectados para gerar uma expressão matemática de grande complexidade e com uma infinidade de variáveis.

Componentes hidráulicos

Os principais componentes hidráulicos podem incluir tubos, válvulas e recipientes.

Componentes mecânicos

Pode haver eixos rotativos para transportar dados dentro do computador, engrenagens diferenciais, integradores de disco, esfera ou rolo, cames 2-D e 3-D, resolvedores e multiplicadores mecânicos e servo-torques.

Componentes elétricos e eletrônicos

- Resistores e capacitores de precisão.

- Amplificadores operacionais.

- Multiplicadores.

- Potenciômetros.

- Geradores de função fixa.

De acordo com a natureza das operações matemáticas

Linear

Os componentes lineares realizam as operações de adição, integração, mudanças de sinal, multiplicação por uma constante e outras.

Não linear

Os geradores de funções reproduzem relacionamentos não lineares. Existem componentes de computador projetados para reproduzir uma função atribuída, a partir de um, dois ou mais argumentos.

É comum nesta classe distinguir entre dispositivos que reproduzem funções descontínuas de argumento único e dispositivos de divisão de multiplicador.

Lógico

Entre os componentes lógicos estão os dispositivos lógicos analógicos, projetados para separar a quantidade maior ou menor entre várias quantidades, dispositivos lógicos discretos, circuitos de comutação de relé e algumas outras unidades especiais.

Todos os dispositivos lógicos são geralmente combinados em um, chamado de dispositivo lógico paralelo. É equipado com sua própria placa de patch para conectar dispositivos lógicos individuais uns aos outros e a outros componentes analógicos do computador.

Tipos

Computadores mecânicos

Eles são construídos com componentes mecânicos, como alavancas e engrenagens, em vez de componentes eletrônicos.

Os exemplos mais comuns são máquinas de somar e contadores mecânicos, que usam o giro de engrenagens para realizar adições ou contagens. Exemplos mais complexos podem realizar multiplicação e divisão, e até mesmo análise diferencial.

Os computadores mecânicos mais práticos usam eixos rotativos para transportar variáveis de um mecanismo para outro.

No sintetizador de Fourier, que era uma máquina de previsão das marés, eram usados cabos e roldanas que somavam os componentes harmônicos.

É importante mencionar os instrumentos de vôo mecânicos nas espaçonaves primitivas, que mostravam o resultado calculado não na forma de dígitos, mas por meio de deslocamentos das superfícies indicadoras.

As naves espaciais soviéticas tripuladas foram equipadas com um instrumento chamado Globus. Isso mostrou o movimento figurativo da Terra por meio do deslocamento de um globo terrestre em miniatura, além de indicadores de latitude e longitude.

Computadores Elétricos

Eles são mais comuns porque têm uma banda passante substancialmente mais ampla e são convenientes para conexão com outros computadores e elementos de controle do dispositivo.

Eles usam sinais elétricos que fluem através de vários resistores e capacitores para simular fenômenos físicos, ao invés da interação mecânica de componentes.

O design dos elementos analógicos do computador é baseado em amplificadores eletrônicos de corrente contínua. Eles têm alto ganho no modo de circuito aberto.

Dependendo da estrutura do circuito de entrada e do circuito de feedback, um amplificador operacional executa uma operação matemática linear ou não linear. Também uma combinação dessas operações.

Esse tipo de computador analógico foi amplamente utilizado em tecnologia de computação e militar em meados do século 20, como em testes de aeronaves e mísseis.

Diferenças com digital

Transmissão de sinal

Os sinais digitais têm dois estados discretos, desligado ou ligado. O estado desligado é zero volts e o estado ligado é cinco volts. É por isso que os computadores digitais usam dados numéricos binários, na forma de 0 e 1.

Os sinais analógicos são contínuos. Eles podem estar em qualquer lugar entre dois extremos, como -15 e +15 volts. A tensão de um sinal analógico pode ser constante ou variar com o tempo.

Ou seja, em computadores analógicos, os dados são transmitidos na forma de sinais contínuos. Em computadores digitais, eles são transmitidos na forma de sinais discretos.

Tipos de circuito

Os circuitos de computador analógico usam amplificadores operacionais, geradores de sinal, redes de resistores e capacitores. Esses circuitos processam sinais de tensão contínua.

Os computadores digitais usam uma variedade de circuitos liga / desliga, como microprocessadores, geradores de relógio e portas lógicas.

Ou seja, o computador digital usa circuitos eletrônicos, enquanto o computador analógico usa resistores para o fluxo contínuo do sinal.

Precisão

Os computadores analógicos devem lidar com um determinado nível de ruído elétrico nos circuitos, afetando sua precisão. Os circuitos de um computador digital também têm ruído elétrico, embora isso não tenha efeito sobre a precisão ou confiabilidade.

Por outro lado, o computador analógico não pode produzir resultados repetidos com uma correspondência exata. Isso significa que os computadores analógicos são menos precisos em comparação com os computadores digitais.

Programação

Computadores analógicos e digitais podem ser programados, embora os métodos sejam diferentes.

Os computadores digitais usam sequências complexas de instruções, como comparar ou multiplicar dois números ou mover dados de um lugar para outro.

Para programar um computador analógico, diferentes subsistemas são conectados eletricamente com cabos entre si. Por exemplo, um gerador de sinal é conectado a um botão de controle, para variar a intensidade do sinal.

Exemplos

Relógio do castelo

Este famoso computador era capaz de armazenar instruções de programação. Com mais de três metros de altura, o dispositivo exibia o tempo, o zodíaco e também as órbitas do sol e da lua.

A parte computacional do dispositivo, portanto, permitia aos usuários definir a duração variável do dia, dependendo da estação. Descrito em 1206, este computador era muito complexo para a época.

Régua de cálculo

Um dos computadores analógicos mecânicos mais simples e reconhecíveis é a régua de cálculo. Este é um dispositivo para aproximar cálculos matemáticos básicos.

Os usuários deslizam uma haste marcada para alinhá-la com várias marcas em outra haste, lendo o dispositivo com base no alinhamento dessas várias marcas.

Analisador diferencial

Este computador mecânico analógico era capaz de resolver equações diferenciais. Com um design que data do início de 1800, o analisador diferencial foi aperfeiçoado na década de 1930 e foi usado até meados do século XX.

É considerado o primeiro computador moderno. Pesava 100 toneladas e continha 150 motores, além de centenas de quilômetros de cabos conectando relés e tubos de vácuo.

Pelos padrões de hoje, a máquina era lenta. Na verdade, era apenas cerca de cem vezes mais rápido do que um operador humano usando uma calculadora de mesa.

Outros exemplos

- Predictor Kerrison.

- Librascópio, computador de equilíbrio e peso de uma aeronave.

- Integradores mecânicos como o planímetro.

- Nomograma.

- Viseira de bombardeio Norden.

- Computadores relacionados ao controle de fogo.

- Integradores de água.

- MONIAC, modelagem econômica.

O Simulation Council era uma associação de usuários de computadores analógicos nos Estados Unidos.

Os boletins do Simulation Council de 1952 a 1963 estão atualmente disponíveis online. Eles mostram as tecnologias da época e também o uso comum dos computadores analógicos.

Referências

Wikipedia, a enciclopédia livre (2019). Computador analógico. Retirado de: en.wikipedia.org.
Techopedia (2019). Computador analógico. Retirado de: roofpedia.com.
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