Reference / Paper · 2009
Demonstrations-Analogrechner (DIY Miniatur-Analogrechner)
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A 9-page German technical description by F. Vogel (2009) of a self-built miniature demonstration analog computer housed in a 188×120×77 mm aluminum enclosure. The machine uses BiFET op-amps with ±10 V machine units and provides 2 integrators, 3 summers, an open amplifier/inverter, 4 ten-turn coefficient potentiometers, a translinear multiplier unit (multiply, divide, square, square-root to ≤0.3% error), and a diode function generator for sine. Auxiliary features include a triangle-wave generator (1.5–75 Hz), 12-position address selector, overload indicator, and ±15 V DC/DC supply powered from a 9 V external adapter.
- Manufacturer
- DIY / Homebrew
- System
- Vogel Miniatur-Demonstrations-Analogrechner
- Author
- F. Vogel
- Year
- 2009
- Type
- Reference / Paper
- Language
- German
- Learning track
- specific applications
- Pages
- 9
- Vogel Miniatur-Demonstrations-Analogrechner
- DIY / Homebrew
- analog computer
- DIY construction
- operational amplifier circuits
- demonstration / education
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Demonstrations-Analogrechner (DIY Miniatur-Analogrechner)
Demonstrations- Analogrechner
F. Vogel 06.05.2009
1. Überblick
Dieser Miniatur-Analogrechner dient zur Demonstration der elektronischen Analogrechentechnik, wie sie in der Zeit von ca. 1950 bis ca.1980 eingesetzt wurde und dann sehr rasch durch
Digitalrechner verdrängt wurde. Das Gerät erlaubt die Lösung einfacher, typischer Beispiele aus
dem Gebiet der Analog-Rechentechnik. Die Anzahl der im Gerät vorhandenen Rechen-Komponenten wurde auf diese Rechenbeispiele abgestimmt.
Der Demonstrations-Rechner wurde mit Standard-Operationsverstärkern in BiFet-Technik
realisiert, mit einem Eingangswiderstand von 1012 Ohm, einer Open-loop-Verstärkung > 3.10 5 und
einer Offsetspannung von typisch 5mV.
Die Rechen-Spannung bzw. die Maschinen-Einheit beträgt ± 10 Volt. Widerstände, die Einfluss
auf die Rechengenauigkeit haben, sind auf ±0,05% Toleranz selektiert. Die Zeitkonstanten der
Integrierer besitzen eine Toleranz von ±1%.
Der Rechner ist in ein Aluminium-Gehäuse mit den Abmessungen 188 x 120 x 77 mm eingebaut.
An der Gehäuse-Frontseite befinden sich die Bedienungselemente und das Programmier-Feld.
Zur Stromversorgung wird ein externes Stecker-Netzgerät 9V DC / 1200mA verwendet.
Folgende Rechen-Komponenten stehen zur Verfügung:
■ 2 Integrierer
■ 3 Summierer
■ 1 Offener Verstärker bzw. Inverter
■ 4 Koeffizienten-Potentiometer
■ 1 Multiplizierer-Einheit
■ 1 Dioden-Funktionsgeber für die Sinus-Funktion
Zusatzeinrichtungen:
■ Referenzspannungs-Quellen für +10,00V und -10,00V
■ Anzeige-Instrument mit LED-Polaritätsanzeige
■ 12-stelliger Adresswahlschalter
■ Übersteuerungs-Anzeige
■ Dreieckspannungs-Generator mit ± 10Vs Ausgangsspannung
■ Stromversorgungseinheit ± 15V
2. Bedienungselemente und Programmier-Feld
9
G
1
H
J
K
D
E
F
2
8
4
5
3
6
7
A
B
C
Bedienungselemente:
Programmier-Feld:
1…Netzschalter
2…Anzeige-Instrument
3…Adress-Wahlschalter
4…Übersteuerungs-Anzeige
5…Polaritäts-Anzeige
6…Schalter für Anzeige-Instrument
7…Umschalter für Potentiometer K3 / K4
8…Integrierer-Steuerung
J…Externer Eingang für Anzeige-Instrument
A…Koeffizienten-Potentiometer
B…Integrierer
C…Summierer
D…Offener Verstärker / Inverter
E…Multiplizierer-Einheit
F…Funktionsgeber für Sinusfunktion
G…Referenz-Spannungen
H…Fußpunkt für Potentiometer K3 / K4
K…Dreieckspannungs-Generator
3. Rechner-Komponenten
3.1 Summierer
y = -(x1 + x2 +10·x3)
Die drei Summierer besitzen je zwei Variablen-Eingänge mit einem
Gewichtsfaktor 1 und einen Variablen-Eingang mit dem
Gewichtsfaktor 10.
Die erzielbare statische Rechenungenauigkeit liegt bei ≤ 0,1%
Fehler.
t
y =0- ∫(x1 + 10·x2)dt - IC
3.2 Integrierer
0∫
t
Die beiden Integrierer besitzen je einen Variablen-Eingang mit
einem Gewichtsfaktor 1 (Zeitkonstante: 1“) und je einen Eingang mit einem Gewichtsfaktor 10 (Zeitkonstante: 0,1“).
Ein weiterer Eingang IC dient zur Vorgabe einer Anfangs-bedingung.
Für die Integrierer können mit einem Umschalter drei Betriebszustände ausgewählt werden:
RUN: Die Eingangs-Signale werden integriert.
HOLD: Der Integrationsvorgang wird angehalten und die zuletzt erreichten AusgangsSpannungen werden gespeichert. (Der Spannungsabfall der Ausgangsspannungen
durch die Entladung der Integrations-Kondensatoren liegt bei ca. 6mV / Minute).
IC: An den Integrierer-Ausgängen liegen die invertierten Spannungen der Eingänge IC
an. Nach Umschalten der Betriebsfunktion von IC auf RUN beginnt der Integrationsvorgang ausgehend von diesen Anfangswerten.
Eine repetierende Integrierer-Steuerung ist für diesen einfachen Demonstrationsrechner
nicht vorgesehen.
3.3 Offener Verstärker bzw. Inverter
Der offene Verstärker besitzt eine nahezu unendlich hohe Ver-stärkung
(> 300.000).
Zusätzlich zu den beiden Summier-Eingängen x1 und x2 ist auch
der Summenpunkt des Verstärkers als eigener Eingang x3 zu-gänglich.
Wird der Summier-Eingang x2 mit dem Ausgang verbunden, arbeitet der
Verstärker als normaler Inverter mit der Übertragungsfunktion:
y = -x1.
3.4 Koeffizienten-Potentiometer
y = k·x
0≤k≤1
Die vier Koeffizienten-Potentiometer sind 10-Gang-Potentiometer mit
feststellbarer Anzeigeskala.
Zur genauen Einstellung der Koeffizienten wird die Referenz-spannung
+10,00V und ein externes Digitalvoltmeter verwendet.
3.5 Multiplizierer-Einheit
Die Multiplizierer-Einheit ist ausgelegt für bipolare Eingangs-Spannungen im Bereich
-10V bis +10V (entsprechend einem Variablenbereich: -1 ≤ x1, x2 ≤ +1). Sie arbeitet nach dem
Translinear-Prinzip und erreicht dadurch eine sehr hohe Rechengenauigkeit.
Durch entsprechende Beschaltung ihrer fünf Eingänge X, Y1, Y2, Z1, Z2 können vier
Rechenfunktionen ausgewählt werden:
Funktion
Programmiersymbol
Multiplikation
Variablen-Bereich
-1 ≤ x1 ≤ +1
statische
Rechengenauigkeit
Fehler ≤ 0,2%
-1 ≤ x2 ≤ +1
Division
-1 ≤ x1 ≤ +1
Fehler ≤ 0,3%
0 ≤ x2 ≤ +1
Quadrieren
-1 ≤ x ≤ +1
Radizieren
0 ≤ x ≤ +1
Fehler ≤ 0,2%
Fehler ≤ 0,2%
(Die Beschreibung der erforderlichen Beschaltungen zur Ausführung der vier Rechenfunktionen
erfolgt in den Abschnitten 3.1 bis 3.4 der Rechenbeispiele).
3.6Dioden-Funktionsgeber für die Sinusfunktion
Die Sinusfunktion wird mit einem Dioden-Funktionsgeber
durch elf Geradenstücke angenähert. Die Knickpunkte
werden durch selektierte Zenerdioden festgelegt.
Der Diodenfunktionsgeber ist für eine Eingangsvariable im
Bereich -1 ≤ x ≤ +1 ausgelegt.
Die maximale Abweichung der angenäherten Kurve vom
mathematischen Verlauf der Sinusfunktion liegt unter 0,5%.
3.7 Referenzspannungs-Quellen
Im Analogrechner sind zwei hochstabile Referenzspannungen integriert, die mit Einstellreglern
auf +10,00V und -10,00V kalibriert werden können.
3.8 Anzeige-Instrument mit LED- Polaritätsanzeige
Der Anzeigebereich des Instrumentes beträgt ±10V bzw. ±1 Maschinen-Einheit. Es besitzt die
Genauigkeitsklasse 2,5 und liegt daher weit unter der Genauigkeit der Rechenkomponenten. Für
rein qualitative Demonstrationen oder für die Trend-Anzeige einer Variablen ist es aber sehr gut
geeignet.
Für genaue statische Messungen besitzt der Analogrechner einen Parallelausgang für ein
externes Digitalvoltmeter, das über Buchsen an der Gehäuse-Rückseite angeschlossen werden
kann. Bei Messungen mit einem Digitalvoltmeter oder einem Oszillografen kann das eingebaute
Anzeige-Instrument abgeschaltet werden.
3.9 Adresswahlschalter
mit einem 12-stufigen Adresswahlschalter werden die Ausgänge der Rechen- Komponenten
und die Koeffizienten-Potentiometer direkt mit dem Anzeige-Instrument bzw. DVM verbunden.
In Schalterstellung 12 wird das Anzeige-Instrument mit einer Eingangsbuchse am Programmierfeld verbunden.
3.10 Übersteuerungs-Anzeige
Kurzzeitige Übersteuerungen von Rechen-Komponenten können mit einem Digitalvoltmeter
nicht erkannt werden. Der Analogrechner besitzt deshalb am Ausgang des Adresswahlschalters
eine Übersteuerungsanzeige, mit der die jeweils ausgewählte Rechen-Komponente überwacht
wird.
Die Schaltschwellen der Überwachungsschaltung sind auf ± 10,3V bzw. ± 1,03 Maschineneinheiten eingestellt. Überschreitet die überwachte Variable diese Grenzwerte, wird der Übersteuerungszustand durch eine rote LED signalisiert.
3.11 Dreieckspannungs-Generator 1,5 Hz bis 75Hz
Zur Vorgabe definierter, linear zeitabhängiger Variablen ist im Analogrechner ein Dreieckspannungs-Generator integriert. Der Generator liefert eine Ausgangsspannung von ±10Vs .
Mit einem mehrgängigen Einstellregler kann die Generator-Frequenz im Bereich 1,5 Hz bis
75 Hz variiert werden. Der Einstellregler ist an der rechten Seite des Rechnergehäuses zugänglich.
3.12 Stromversorgungseinheit
Der Analogrechner wird durch ein externes Gleichspannungs-Netzgerät mit 9V DC /1,2A
versorgt. Der Gesamtleistungsbedarf des Rechners liegt bei ca. 1,8 W.
Die erforderlichen Betriebsspannungen von ±15Vfür die Rechen-Komponenten werden mit
einem DC/DC-Wandler erzeugt. Die Ausgangsspannungen des Wandlers sind auf ± 0,5%
stabilisiert.
3.13 Rechnerzubehör:
DC-Netzgerät
9V DC /1,2A
Verzweigungs-Kabel
Tasten-Kabel
4.
Patch-Kabel
Dioden-Kabel
Programmierung
Zur Programmierung des Rechners werden die einzelnen Komponenten mit Patch-Kabeln
verbunden, die in zwei verschie-denen Längen zur Verfügung stehen.
Für Verzweigungen in Rechenschaltungen sind bei allen Ausgängen der Rechen-komponenten
Doppelbuchsen vorgesehen. Zusätzlich sind auch einige Patch-Kabel als Verzweigungskabel
ausgebildet.
Ein Sonderkabel besitzt eine Taste und dient für die Bildung einer Sprungfunktion.
In ein weiteres Spezialkabel sind zwei in Serie geschaltete Dioden integriert. Der
Verbindungspunkt der Dioden ist über einen eigenen Steckkontakt (gelb) zugänglich. Diese
Dioden-Anordnung wird bei der Realisierung von diskontinuierlichen Rechenfunktionen benötigt.
5. Mechanischer Aufbau
Der Analogrechner ist in ein Aluminium-Gehäuse mit den Maßen 188 x 120 x 77 mm
eingebaut.
Alle Bedienungselemente und das Programmierfeld befinden sich an der Frontseite.
An der Gehäuse-Rückseite befinden sich
Buchsen für das DC-Netzgerät und für ein
externes Digitalvoltmeter.
Alle Rechnerkomponenten inklusive der
Stromversorgung sind auf einer gemeinsamen Platine untergebracht.
Die Rechner-Platine ist beidseitig bestückt
und hat die Abmessungen 105 x 88 mm.