Computadora analógica
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Computadora analógica. Es un dispositivo electrónico o hidráulico diseñado para manipular la entrada de datos en términos de, por ejemplo, niveles de tensión o presiones hidráulicas, en lugar de hacerlo como datos numéricos. El dispositivo de cálculo analógico más sencillo es la regla de cálculo, que utiliza longitudes de escalas especialmente calibradas para facilitar la multiplicación, la división y otras funciones.
En el típico ordenador analógico electrónico, las entradas se convierten en tensiones que pueden sumarse o multiplicarse empleando elementos de circuito de diseño especial. Las respuestas se generan continuamente para su visualización o para su conversión en otra forma deseada.
Para el modelado se utiliza la analogía existente en términos matemáticos de algunas situaciones en diferentes campos. Por ejemplo, la que existe entre los movimientos oscilatorios en mecánica y el análisis de corrientes alternas en electricidad. Estos dos problemas se resuelven por ecuaciones diferenciales y pueden asemejarse términos entre uno y otro problema para obtener una solución satisfactoria.
Sumario
Historia
Las computadoras analógicas comenzaron a construirse a principios del siglo XX. Los primeros modelos realizaban los cálculos mediante ejes y engranajes giratorios. Con estas máquinas se evaluaban las aproximaciones numéricas de ecuaciones demasiado difíciles como para poder ser resueltas mediante otros métodos. Durante las dos guerras mundiales se utilizaron sistemas informáticos analógicos, primero mecánicos y más tarde eléctricos, para predecir la trayectoria de los torpedos en los submarinos y para el manejo a distancia de las bombas en la aviación.
Regla de Cálculos
Regla de cálculo, dispositivo mecánico que usaban hace años los ingenieros y los científicos para multiplicar, dividir, calcular raíces, elevar a una potencia y otros cálculos simples rápidos y aproximados. La regla de cálculo, que ha sido sustituida casi por completo por la calculadora electrónica portátil, consiste en una regla con escalas logarítmicas grabadas y una placa de cálculo central. El principio de la regla de cálculo es el paso de todas las operaciones a adiciones o sustracciones equivalentes, que puede llevarse a cabo por un conjunto de escalas que se deslizan una sobre otra.
Tipos
Computadores analógicos electrónicos
El AKAT-1, un computador analógico polaco
La semejanza entre los componentes mecánicos lineales, tales como resortes y amortiguadores hidráulicos. Sin embargo, la diferencia entre estos sistemas es lo que hace útil a la computación analógica. Si uno considera un simple sistema masa-resorte, construir el sistema físico requeriría la compra de los resortes y de las masas. Esto sería procedido a sujetarlos el uno al otro y un anclaje apropiado, recaudar equipo de prueba con la apropiada gama de entrada, y finalmente, tomar medidas (algo que es difícil).
El equivalente eléctrico puede ser construido con algunos amplificadores operacionales (Op amps) y algunos componentes lineales pasivos; todas las medidas pueden tomarse directamente con un osciloscopio. En el circuito, la "masa (simulada) del resorte" puede ser cambiada ajustando un potenciómetro. El sistema eléctrico es una analogía del sistema físico, por eso el nombre, pero es menos costoso de construir, más seguro, y más fácil de modificar. También, un circuito electrónico puede operar típicamente en frecuencias más altas que el sistema que es simulado. Esto permite que la simulación funcione más rápidamente que en tiempo real, para resultados más rápidos.
La desventaja de la analogía mecánico-eléctrica es que la electrónica es limitada por el rango sobre el cual las variables pueden variar. Esto es llamado rango dinámico. También son limitados por los niveles de ruido.
Estos circuitos eléctricos también pueden realizar fácilmente otras simulaciones. Por ejemplo, el voltaje puede simular la presión de agua y los amperios pueden simular la corriente del agua en términos de metros cúbicos por segundo.
Un sistema digital usa niveles de voltaje eléctrico discretos para representar códigos para los símbolos. La manipulación de estos símbolos es el método de operación del computador digital. El computador analógico electrónico manipula las cantidades físicas de formas de onda, (voltaje o corriente). La precisión de la lectura de la computadora análoga está limitada principalmente por la precisión del equipo de lectura usado, generalmente tres o cuatro dígitos significativos. La precisión del computador digital es prácticamente infinita (típicamente 15 dígitos de precisión), pero la precisión de su resultado está limitada solo por el tiempo. Un computador digital puede calcular muchos dígitos en paralelo, u obtener el mismo número de dígitos realizando los cómputos en secuencia de tiempo.
Computadores híbridos analógicos-digitales
El ELWAT, un computador analógico polaco.
Artículo principal: Computador híbrido
Hay un dispositivo intermedio, un computador híbrido, en el cual un computador digital es combinado con un computador analógico. Los computadores híbridos son usados para obtener un muy exacto pero no completamente exacto valor de 'semilla', usando un computador analógico como la parte frontal (front-end), que es entonces alimentado dentro de un proceso iterativo del computador digital para alcanzar el grado final de precisión deseado. Con una semilla numérica altamente exacta de tres o cuatro dígitos, es reducido dramáticamente el tiempo total de cómputo digital necesario para alcanzar la precisión deseada, puesto que son requeridas muchas menos iteraciones. O, por ejemplo, el computador analógico puede ser usado para solucionar un problema no analítico de la ecuación diferencial, para el uso en una determinada etapa de un cómputo (donde la precisión no es muy importante).
En todo caso, el computador híbrido generalmente es substancialmente más rápido que un computador digital, pero puede suministrar un cómputo mucho más exacto que un computador analógico. Es útil para aplicaciones en tiempo real que requieren dicha combinación, por ejemplo, un radar phased array de alta frecuencia o un cómputo de sistema de tiempo.
Componentes
Un computador analógico de Newmark de 1960, hecho de cinco unidades. Este computador fue usado para resolver ecuaciones diferenciales y actualmente se encuentra en el Museo de Tecnología de Cambridge.
Los computadores analógicos frecuentemente tienen un armazón complicado, pero tienen en su núcleo, un conjunto de componentes clave que realizan los cálculos, que el operador manipula a través del armazón del computador.
Los componentes hidráulicos clave pueden incluir pipas, válvulas o torres; los componentes mecánicos pueden incluir engranajes y palancas; los componentes eléctricos clave pueden incluir:
- potenciómetros
- amplificadores operacionales
- integradores
- generadores de función-fija
Las principales operaciones matemáticas usadas en un computador analógico eléctrico son:
- adición
- inversión
- exponenciación
- logaritmo
- integración con respecto al tiempo
- diferenciación con respecto al tiempo
- multiplicación y división
La diferenciación con respecto al tiempo no es usada frecuentemente. Corresponde en el dominio de frecuencia a un filtro paso alto, lo que significa que el ruido de alta frecuencia es amplificado.
Limitaciones
En general, los computadores analógicos están limitadas por efectos reales, no-ideales. Una señal analógica está compuesta de cuatro componentes básicos: Magnitudes de corriente contínua y corriente alterna, frecuencia, y fase. Los límites reales de rango en estas características limitan a los computadores analógicos.
Algunos de estos límites incluyen el piso de ruido, la no linealidad, el coeficiente de temperatura, y los efectos parásitos dentro de los dispositivos semiconductores, y la carga finita de un electrón. Para los componentes electrónicos disponibles en el comercio, los rangos de estos aspectos de las señales de entrada y salida son siempre figuras del mérito.
Investigación actual
Mientras que la computación digital es extremadamente popular, la investigación en la computación analógica está siendo hecha por un puñado de gente por todo el mundo. En los Estados Unidos, Jonathan Mills de la Universidad de Indiana, Bloomington, Indiana han estado trabajando en la investigación usando computadores analógicos extendidos. En el Laboratorio de robótica de Harvard, la computación analógica es un tema de investigación.
Fuentes
- Joven Club de Computación Cabaiguán
