Belangrijkste principes van analoge computerwetenschappen:

Analoge computerwetenschap maakt gebruik van continue fysieke verschijnselen (zoals spanning, stroom, mechanische beweging of vloeistofstroom) om informatie weer te geven en te manipuleren. In tegenstelling tot digitale computers die discrete bits (0's en 1's) gebruiken, werken analoge computers met een continu spectrum van waarden. Dit zijn de belangrijkste principes:

* Representatie door analogie: Informatie wordt weergegeven naar analogie met een fysieke grootheid. Bijvoorbeeld:

* Spanning proportioneel aan een variabele: Een spanning van 1 volt kan een waarde van 1 vertegenwoordigen, 2 volt kan een waarde van 2 vertegenwoordigen, enzovoort.

* Tandwielrotatie proportioneel aan een variabele: De hoekpositie van een tandwiel kan een numerieke waarde vertegenwoordigen.

* Continue bewerkingen: Wiskundige bewerkingen worden uitgevoerd door de voortdurende manipulatie van de fysieke grootheid. Bijvoorbeeld:

* Toevoeging: Het optellen van twee spanningen met behulp van een optelversterker.

* Vermenigvuldigen: Een potentiometer (variabele weerstand) gebruiken om een ​​spanning met een constante factor te vermenigvuldigen.

* Integratie: Een integratorcircuit (Op-amp met een condensator) gebruiken om de integraal van een spanningssignaal in de loop van de tijd te berekenen.

* Parallelisme: Analoge computers kunnen meerdere bewerkingen tegelijkertijd uitvoeren. Elke fysieke component kan onafhankelijk werken, wat leidt tot inherent parallellisme.

* Nauwkeurigheid beperkt door componenten en ruis: De nauwkeurigheid van een analoge computer wordt beperkt door de precisie van de gebruikte fysieke componenten (bijvoorbeeld weerstandstoleranties, op-amp-imperfecties), evenals de aanwezigheid van ruis in het systeem.

* Programmeren via bedrading: Analoge computers worden vaak "geprogrammeerd" door componenten fysiek met elkaar te verbinden om de gewenste schakeling of mechanische opstelling te creëren. Deze bedrading bepaalt de vergelijkingen die worden opgelost.

* Realtime verwerking: Analoge computers kunnen in realtime werken, ingangssignalen verwerken en uitgangssignalen genereren zodra ze zich voordoen. Dit is van cruciaal belang voor toepassingen waarbij onmiddellijke reactie vereist is.

Toepassingen van analoge informatica:

Terwijl digitale computers het grotendeels hebben overgenomen, worden analoge computers nog steeds gebruikt in nichegebieden waar hun sterke punten voordelig zijn, of waar digitale oplossingen complex of inefficiënt zijn. Hier zijn enkele belangrijke toepassingen:

* Simulatie en modellering:

* Vluchtsimulators: Historisch gezien werden analoge computers veel gebruikt in vluchtsimulators om de dynamiek van vliegtuigen te modelleren en een realistische trainingsomgeving te bieden. Hun real-time mogelijkheden waren van cruciaal belang voor deze toepassing.

* Procescontrole: Het simuleren van chemische fabrieken, elektriciteitsnetwerken of andere industriële processen om controleparameters te optimaliseren en gedrag te voorspellen.

* Weervoorspelling: Modelleren van atmosferische omstandigheden en voorspellen van weerpatronen. (Vroege weermodellen waren grotendeels analoog.)

* Besturingssystemen:

* PID-regelaars: Implementatie van proportioneel-integrale-afgeleide (PID) regellussen voor het regelen van temperatuur, druk, snelheid en andere fysieke variabelen in industriële automatiseringssystemen. Analoge PID-regelaars staan ​​bekend om hun snelheid en eenvoud.

* Robotica: Het controleren van de bewegingen en acties van robots, vooral in toepassingen die hoge precisie en snelheid vereisen.

* Automobielsystemen: Controle van motorfuncties, ophangingssystemen en andere aspecten van voertuigprestaties.

* Signaalverwerking:

* Filteren: Het implementeren van analoge filters om ruis te verwijderen of specifieke frequentiecomponenten uit signalen te extraheren. Analoge filters kunnen zeer snel en efficiënt zijn voor bepaalde soorten filtering.

* Modulatie en demodulatie: Het uitvoeren van modulatie en demodulatie van radiosignalen in communicatiesystemen.

* Gespecialiseerde berekeningen:

* Differentiaalvergelijkingen oplossen: Analoge computers blinken uit in het oplossen van differentiaalvergelijkingen, die worden gebruikt om veel fysieke systemen te modelleren.

* Optimalisatieproblemen: Het vinden van de optimale oplossing voor problemen door het iteratief aanpassen van parameters in een analoog circuit.

* Opkomende toepassingen:

* Neuromorfisch computergebruik: Sommige onderzoekers onderzoeken analoge circuits voor het bouwen van neuromorfe computers, die de structuur en functie van het menselijk brein nabootsen. Analoge componenten kunnen potentieel voordelen op het gebied van energie-efficiëntie bieden bij de implementatie van neurale netwerken.

* Gemengde signaalsystemen: Het integreren van analoge en digitale componenten in één systeem om de sterke punten van beide benaderingen te benutten. Bijvoorbeeld het gebruik van analoge circuits voor front-end signaalverwerving en digitale verwerking voor data-analyse.

Voordelen van analoge computers:

* Snelheid: Analoge computers kunnen zeer snel berekeningen uitvoeren, vooral voor gespecialiseerde taken zoals het oplossen van differentiaalvergelijkingen.

* Realtime werking: Ideaal voor toepassingen die onmiddellijke reactie vereisen.

* Laag stroomverbruik: In sommige gevallen kunnen analoge circuits minder stroom verbruiken dan gelijkwaardige digitale circuits.

* Eenvoud: Voor bepaalde toepassingen kunnen analoge circuits eenvoudiger en efficiënter te ontwerpen zijn dan digitale implementaties.

* Inherent parallellisme: Maakt gelijktijdige uitvoering van meerdere bewerkingen mogelijk.

Nadelen van analoge computers:

* Beperkte nauwkeurigheid: De nauwkeurigheid wordt beperkt door componenttoleranties, ruis en drift.

* Schaalbaarheid: Het bouwen van grootschalige analoge computers kan moeilijk zijn vanwege de complexiteit en de opeenstapeling van fouten.

* Herprogrammeerbaarheid: "Programmeren" vereist fysieke herbedrading, waardoor het moeilijk wordt om de uitgevoerde berekening te veranderen.

* Drift en kalibratie: Analoge componenten kunnen in de loop van de tijd afwijken, waardoor periodieke kalibratie nodig is.

* Beperkte functionaliteit: Minder veelzijdig dan digitale computers voor algemene berekeningen.

Samenvattend:

Analoge computerwetenschap biedt een unieke benadering van berekeningen die gebruik maakt van de eigenschappen van continue fysieke systemen. Hoewel digitale computers dominant zijn geworden voor algemene taken, zijn analoge computers nog steeds veelbelovend voor gespecialiseerde toepassingen waarbij hun snelheid, real-time mogelijkheden en inherent parallellisme voordelig zijn. Ze zien ook een heropleving van de belangstelling voor gebieden als neuromorfisch computergebruik en mixed-signal-systemen. Het begrijpen van de fundamentele principes van analoog computergebruik biedt waardevolle inzichten in de afwegingen tussen analoge en digitale benaderingen van informatieverwerking.