模擬計算機
模擬計算機（英語：Analog computer），是計算機的一種形式，它使用電子的，機械的或液壓的量等物理現象的不斷變化的方面來模擬所要解決的問題。 相反，數字計算機象徵性地表示不同數量，因為它們的數值發生了變化。 由於模擬計算機不使用離散值，而是使用連續值，所以過程不能像精確等同那樣可靠地重複進行，就像它們可以使用圖靈機一樣。 與數字信號處理不同，模擬計算機不受量化噪聲的影響，但受模擬噪聲的限制。
模擬計算機廣泛用於當時數字計算機缺乏足夠性能的科學和工業應用中。 模擬計算機可能具有非常廣泛的複雜性。 計算尺和諾謨圖是最簡單的，而海軍槍炮控制計算機和大型混合數字/模擬計算機是最複雜的[1]。過程控制和保護繼電器系統使用模擬計算來執行控制和保護功能。
數字計算的出現使得簡單的模擬計算機早在1950年代和1960年代就已經過時了，儘管模擬計算機仍然在某些特定應用中使用，例如飛機上線傳飛控系統的飛行計算機以及大學教學控制系統。 更複雜的應用，如合成孔徑雷達，在1980年代仍然是模擬計算的領域，因為數字計算機不足以完成任務[2]。
模擬計算機的時間軸
- 約公元前3,500年 - 日晷被用於古埃及，巴比倫尼亞。
- 約公元前2,000年 - 水鐘在巴比倫使用。
- 公元前1,000年 - 指南車在中國被發明。這是一輛機械齒輪輪式車輛，用於辨別南方的主要方向。
- 公元前255年 - 古希臘的埃拉托斯特尼製造了一個環形球儀。
- 公元前150 - 100年 - 太陽系儀被用於古希臘的計算天體運行。根據德瑞克·約翰·德索拉·普萊斯(Derek J. de Solla Price)的說法，安提基特拉機械是一個太陽系儀，和據稱是早期的機械式模擬計算機[4]。
- 2世紀 - 東漢的張衡建造水力推動的渾天儀。
- 8世紀 - 唐朝的一行禪師等在環形球儀引入擒縱機構。
- 11世紀 - 北宋的蘇頌創造了水力天文鐘。
- 1620年 - 1630年 - 計算尺被發明。
- 1876年 - 微分分析儀被發明。實際使用開始於1920年代和30年代。
- 在第二次世界大戰期間，使用模擬計算機（使用模擬計算機原理的設備設備）作為基本的火控系統設備等。
- 1950年代 - General Precision Systems 公司生產電子模擬計算器（模擬計算機，運算放大器等）。
- 1950年代 - 威廉·菲利普斯(Alban William Phillips)製作了MONIAC液壓機械模擬計算機。
- 1963年 - Heath生產和銷售Heathkit EC-1，用於教育模擬計算機組裝，在《無線電和實驗》雜誌Gravure中介紹。
- 之後，由於數字計算機的高速發展，取代了作為模擬計算機（最後剩下的）的強度和響應時間等優點。
電子模擬計算機
線性機械部件（如彈簧和緩衝器（粘滯流體阻尼器））和電氣部件（如電容器，電感器和電阻器）之間的相似性在數學上引人注目。它們可以使用相同形式的方程來建模。
但是，這些系統之間的區別在於模擬計算的有用性。如果考慮一個簡單的質量彈簧系統，構建物理系統需要製造或修改彈簧和質量。隨後將它們連接在一起並安裝適當的錨，收集具有適當輸入範圍的測試設備，最後進行測量。在更複雜的情況下，如賽車懸架，實驗性建造，改裝和測試既複雜又昂貴。
電氣等效物可以由一些運算放大器（op amps）和一些無源線性元件構成;所有的測量都可以直接用示波器進行。在電路中，例如，（模擬）彈簧的'剛度'可以通過調整電容器的參數來改變。電氣系統類似於物理系統，因此稱為名稱，但其構造更便宜，通常更安全，並且通常更容易修改。
而且，電子電路通常可以在比正在模擬的系統更高的頻率下工作。 這使得模擬運行速度比實時更快（在某些情況下，可能需要數小時，數周或更長時間）。 電子模擬計算機的經驗豐富的用戶表示，他們相對於數字模擬提供了對問題的相當親密的控制和理解。
機械-電子類比的缺點是電子器件受變量變化範圍的限制。 這就是所謂的動態範圍。 它們也受到噪音水平的限制。 浮點數字計算具有相對較大的動態範圍。
模擬-數字混合計算機
模擬計算機速度快，數字計算機則更加準確並具有泛用性，所以就有了將這兩種處理方式結合的思路來獲得更高的效率。這種混合簡易設備的一個例子是混合倍增器，其中一個輸入是模擬信號，另一個輸入是數字信號，輸出是模擬信號。它像是一種可數字化升級的模擬電位器。這類混合技術主要用於雷達的信號處理以及嵌入式系統中的控制器等對計算時間要求嚴格的專用實時計算。
在20世紀70年代早期，模擬計算機製造商嘗試將他們的模擬計算機和數字計算機結合起來，以獲得這兩種技術的優勢。在這種系統中，數字計算機能夠控制模擬計算機，進行初始設置、啟動多次模擬運行和自動輸入及收集數據的工作。數字計算機也可以通過模數轉換和數模轉換直接進行計算。
1980年之後，純數字計算機的發展越來越快，速度足以與模擬計算機抗衡。模擬計算機運算速度的一個關鍵因素是它們完全並行運算，但這同時也是一個限制。解決一個問題所需要的方程越多，需要的模擬元器件也越多，即使這個問題對於時間沒有嚴格要求。對一個問題的「編程」指的是模擬器件的相互連接，即使有一個可拆卸的接線板，模擬計算機也不是很通用。如今已經沒有大型混合計算機了，只有混合元器件。
實際例子
以下是已構建或實際使用的模擬計算機的示例：
模擬（音頻）合成器也可以視為模擬計算機的一種形式，其技術最初部分基於電子模擬計算機技術。 ARP 2600的環形調製器實際上是一個中等精度的模擬乘法器。
參閱
參考資料
- ^ Gears of war: When mechanical analog computers ruled the waves. [2018-04-29]. （原始內容存檔於2018-09-08）.
- ^ Johnston, Sean F. Holographic Visions: A History of New Science. OUP Oxford. 2006: 90 [2018-04-29]. ISBN 0191513881. （原始內容存檔於2019-08-30）.
- ^ Earliest Clocks. A Walk Through Time. NIST Physics Laboratory. [2008-04-02]. （原始內容存檔於2008-03-15）.
- ^ The Antikythera Mechanism Research Project （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, The Antikythera Mechanism Research Project. Retrieved 1 July 2007.