模拟式电子计算机

随着科学技术的发展，人类的生活有了很大的变化。电视机、雷达使人们有了“千里眼”。电话、收音机使人们有了“顺风耳”。而电子计算机代替了人们的许多脑力劳动，替人们迅速地解决许多非常复杂的问题，因而有“电脑”之称。

早在一千多年以前，我们的祖先就发明了算盘。这就是最简单的“数字计算机”。后来，人们为了更快地计算更复杂的问题，又发明了目前会计部门常用的机械式数字计算机。随着电子学的发展，电子式的数字计算机也飞速地发展起来。不管哪一种数字计算机都是按数值计算的法则，即加、减、乘、除，来进行运算的。

人们还有另一种进行计算的方法，不是直接去计算数学问题，而是用一个类似这个数学问题的“模型”，间接地进行计算。这种“模型”就叫做“模拟计算机”。人们常用的计算尺，就是最简单的一种模拟计算机。计算尺实际是两个带对数刻度的尺子，利用这两个尺子做“模型”，以尺子长度的加减来模拟两个对数的加减，这就间接地进行了乘除运算。

1947年，世界上出现了第一台电子式模拟计算机产品。它是利用电流电压的变化来模拟数学问题中的加、减、乘、除、微分、积分等运算的。由于它使用方便、机动灵活，很快就被应用到各个技术领域中。近几年来，更有了飞跃的发展。

数字式和模拟式电子计算机的制造，在科学技术先进的国家里都得到了极大的发展。电子计算机已成为发展现代化科学，建立现代化国防必不可少的一种电子设备。

计算尺和算盘都能作乘法或除法运算。哪一种好？工程技术人员使用计算尺而不用算盘，做会计工作的要用算盘，而决不使用计算尺。对于模拟式电子计算机和数字式电子计算机也是这样。由于它们进行计算的方式根本不同，各具特点。数字式计算机只要计数的位数足够多，就可以达到非常高的准确度。这是模拟式计算机无法与之相比的。但人们使用算盘计算时，总得按一定的程序、按部就班地拨动算盘珠子，才算得出结果来。使用数字式电子计算机也得按一定程序，按部就班地进行运算。就是说，把数据输入数字式计算机之后，总得要一段时间，才能得出一个答数来。虽然，许多年来，科学家们为提高数字式计算机的计算速度作了很大的努力。但它总得需要一段时间。在模拟式电子计算机上，则不存在这个问题。它的所有运算都是同时进行的。

模拟式电子计算机一般都是用电压模拟数值来进行运算的。利用一些精密元件，电阻器、电容器或二极管等和直流放大器配合就能组成不同的运算器，如加法器、比例器、乘法器、积分器及各种函数发生器，等等。将不同的运算器按一定要求组合起来，就能进行模拟运算。在输入端加上电压时，在运算电路的输出端就可得到对应于运算结果的输出电压。

我们先拿乘法器作例子，粗略地谈一谈模拟计算机的一些运算器是怎样工作的。这里介绍的乘法器称为“伺服乘法器”，因为它主要是利用伺服电动机工作的 （如图1）。把对应于被乘数X1的电压e1加在图1所示的电位器的两端。对应于乘数X2的电压e2被放大后，控制伺服马达的转动，马达带动电位器的滑片转动。电位器滑片的停止位置是用另外一个电路来控制的（图中未绘出），使它与e2成比例。这样，输出电压就与乘积X1X2相对应了（伺服乘法器的结构请参阅本期封底彩画）。

我们再谈一谈“积分器”是怎样运算的。“积分”是高等数学中的一种运算法则。许多无线电爱好者都熟悉的绕制变压器线圈用的绕线机，其实就是一种简单的机械式积分器。绕线工作也是一个很好的积分运算的例子。对绕线速度进行积分运算的结果，就是绕完的总匝数。绕线时，匝数随时间不断增加，绕得愈快、匝数也增加得愈快。速度为零、匝数也就不变。反转来绕，匝数就减少（见图2）。在模拟式电子计算机上是利用输入电压通过电阻对电容器的充电，来模拟积分运算的，输入电压愈大，电容器充电的输出电压上升愈快。输入为零、输出电压就保持不变。输入电压极性反过来，电容反方向充电，输出电压就下降（见图3）。

一台模拟式电子计算机具有多少个积分器，就有可能解多少阶的方程。“阶”是高等数学中的专用名词。阶数愈多，问题愈复杂。一般就用多少阶来说明模拟计算机规模的大小。譬如说，一台二十阶模拟计算机就具有二十个积分器和相应的其它各种运算部件。

模拟计算机的各个运算部件的输入端和输出端常常是集中在一起，排成一个矩阵形。我们叫它“配线板”或“排题板”。使用的人根据自己研究的问题的需要，用导线在排题板上把各个运算器或部件连接起来，就可以解题。解答的结果，可以用一般电压表或数字式电压表读出，也可以用超低频示波器或记录仪器来显示波形。

前面已经介绍了模拟计算机可以用来解许多复杂的数学问题。所以它像计算尺一样，广泛应用到许多工程技术领域。如航空、电力、水利、化工、机械、交通运输、原子能、宇宙飞行，等等。

我们已经知道，模拟计算机是一种数学“模型”。用模型来进行科学研究和工程设计是十分方便的。特别是有许多需要多作试验，而由于经济上、技术上或安全上的原因无法进行试验的工作，诸如，当我们设计规模巨大的电力网或水利枢纽的时候，当我们研究内燃机内的燃烧、电子的运动、飞机或导弹的飞行或原子爆炸的时候，模拟计算机就可以构成我们需要的“模型”。这个“模型”很方便，如果打算把设计方案中的某个参数修改一下，就把相应的一个电位器重新调整一下就行了，我们可以几十次、几百次地修改设计方案，得出许许多多的试验数据，而不用费很多时间和资金。

当用模拟计算机模拟一个物理过程时，能够把一个短暂的瞬时过程延长时间来研究。也能够把一个缓慢的过程缩短时间来研究。当然也可以用和实际过程一样长的时间来研究。因为模拟计算机能以实际过程同样的速度进行运算，这就使它可以和实物联合在一起进行试验、研究或自动控制。这就大大地扩大了它的应用范围。

模拟计算机在自动控制中的应用非常广。用于控制高射炮火的模拟计算机，当雷达站发现敌机的时候，雷达测出敌机活动的各项参数不断地用电信号传给模拟机，模拟机就同时计算出结果，输出电压加到高射炮火的自动控制系统上，使它准确地跟踪着敌机，瞄准着敌机，敌机一进入火力圈内，就会受到准确的致命打击。

用模拟计算机做的驾驶员训练器，可以用来训练飞行员。这种训练器是一个飞机的座舱。它没有发动机，也没有真的机翼等。它的操纵系统和飞行仪表都是接到一台专用的模拟计算机上。当飞行员坐在这个舱内“驾驶”飞机的时候，各种飞行仪表就告诉飞行员，飞机在怎样飞行着，如果教员在模拟机上故意给人一个飞机发生某种故障的信号，飞行员就可以在飞行仪表上发现这个故障。应该赶快排除。飞行员操作对了，“飞机”又恢复正常飞行。操作错了，造成了“严重事故”。不过，不要紧，这是在训练器上，实际是平安无事。又安全、又省油省飞机。飞行员却可以练出在夜空中、在云层中飞行的本领。

模拟计算机不仅是一种灵活方便的计算装置，还可以作为一种模型，一种控制器或训练器。模拟计算机近几年来发展很快，出现了许多新的类型，以适用于各方面的需要。在工业产品上，像许多其他电子设备一样，正走向半导体化，数字化和自动化的方向。使它的性能更高，使用更方便，应用范围更广泛。（辛仲勤）