什么是模拟计算机?

[拼音]：moni jisuanji

[外文]：analog computer

用于系统仿真的模拟解算装置。第一台电子模拟计算机于1946年研制成功。与数字计算机不同，模拟计算机的原理是基于不同物理量变化规律在数学描述上的相似性。模拟计算机的机器变量是连续变化的电压变量，对于变量的运算是基于电路中电压、电流、元件等电特性的相似运算关系。例如电路节点上任一支路电流等于其余各支路电流之和（基尔霍夫定律），这是加法运算的基础。又如，电容是积累电荷的元件，当电荷流入电容器，电容两端电压增大，它的数学关系表现为电流对时间的积分，这就是实现积分运算的基础。

通用电子模拟计算机的组成包括:线性运算部件(比例器、加法器、积分器等),非线性运算部件（函数产生器、乘法器等），控制电路，电源，排题接线板，输出显示与记录装置。

模拟计算机特别适合于求解常微分方程，因此也被称为模拟微分分析器。物理系统的动态过程多数是以微分方程的数学形式表示的，因此模拟计算机很适用于动态系统的仿真研究。模拟计算机在工作时是把各种运算部件按照系统的数学模型联结起来，并行地进行运算，各运算部件的输出电压分别代表系统中相应的变量。因此模拟计算机具有处理速度高和能直观表示出系统内部关系的特点。

现代模拟计算机的线性运算部件是由高增益直流放大器、精密电阻和电容等线性元件组合成的。直流放大器一般用图1中的符号表示。图中A是放大倍数，A的数值可以从几万倍到几百万倍。输出电压EO等于输入电压EI与放大倍数A 的乘积并取相反的极性。如果按照负反馈的原理在输入和反馈回路中接入电阻（图2），当A值足够大,相加点电压e即接近于零。根据基尔霍夫定律，流经两个电阻的电流将近似相等，因而可以得出下面的关系式：

只要放大倍数足够大，放大器的输出电压与输入电压之间的关系取决于两个电阻之比，并取相反极性。这就是线性运算部件中最简单的比例运算器。根据同样的原理，可以求出加法运算器电路和积分运算器电路（图3）的运算关系式：

二极管具有单向导通特性，把它接入运算放大器的输入和反馈回路中就能使运算关系呈现非线性特性。这种性质被用来实现平方、正弦、余弦、对数等特定函数特性和限幅、死区、磁滞等典型非线性特性。图4是一个分压器式的函数产生单元电路。根据二极管的单向导通特性，电路中的二极管只有在正端电压 e大于零的情况下才是导通的。因此，当输入电压EI小于参考电压E时，电压e取负值，二极管截止，输出EO为零。当EI大于E时，电压e取正值,二极管导通,输出电压


利用多个单元电路的组合，还可以产生由多个不同斜率的折线段叠加而成的复杂函数。

乘法器也是一种重要的非线性部件，它可以完成两个变量的相乘。乘法器的类型很多，如机电式乘法器、脉冲调制乘法器、四分之一平方乘法器、混合乘法器等。四分之一平方乘法器是最常见的一种乘法器（图5），它是利用平方函数部件和运算放大器的组合电路来实现下面的乘法关系：

模拟计算机的控制电路主要用于运算部件的状态控制。对于多数运算部件控制的状态只有两种：准备状态（用于运算部件的零位调整）和计算状态（运算状态）。积分器除准备状态和计算状态外还有设置状态（用于给定积分器初始电压）和保持状态（保持各运算部件的输出在该瞬时的数值供检测用）。状态控制是通过一组机电式电子开关的组合实现的。

模拟计算机运算部件的输出和输入，通常是连接到一个集中的排题板上。排题板上连接孔的位置是按照一定的规律排列的，连接孔标以不同的色彩，以便连接时区分部件的类型和功能。现代模拟计算机的排题板都是可更换的，一台模拟计算机可有 8～10块排题板，供使用者在机下进行程序编排。更先进的排题方式是采用电子开关矩阵，开关的个数可以达数万个，通过对开关的控制自动完成排题线的连接。

通用模拟计算机的组成还包括作为电压变量运算基准的参考电源、用于记录和显示输出的设备，以及供电用的稳压电源等。

参考文章

什么是模拟计算机?测控技术

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