Las computadoras Digitales:
Son computadoras que operan contando números y haciendo comparaciones lógicas entre factores que tienen valores numéricos.
Características:
- Su funcionamiento está basado en el conteo de los valores que le son introducidos.
- Este tipo de computadora debe ser programada antes de ser utilizada para algún fin específico.
- Son máquinas de propósito general; dado un programa, ellas pueden resolver virtualmente todo tipo de problemas.
- Son precisas, proveen exactamente la respuesta correcta a algún problema específico.
- Estas computadoras tienen una gran memoria interna, donde pueden ser introducidos millones de caracteres.
- Estas computadoras son las más utilizadas.
- En la actualidad el 95% de los computadores utilizados son digitales dado a su gran utilidad a nivel comercial, científico y educativo.
Una señal digital varía de forma discreta o discontinua a lo largo del tiempo. Parece como si la señal digital fuera variando "a intervalos" entre un valor máximo y un valor mínimo.
Por otra parte, una señal analógica es una señal que varía de forma continua a lo largo del tiempo.
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Las computadoras Analógicas:
Trabajan en base a analogías. Requieren de un proceso físico, un apuntador y una escala.Las computadoras analógicas no computan directamente, sino que perciben constantemente valores, señales o magnitudes físicas variadas.
Llas Computadoras Analógicas:
Son rápidas pero la naturaleza directa de los circuitos que la componen las hacen aún más rápidas.
- La programación en estas computadoras no es necesaria; las relaciones de cálculo son construidas y forman parte de éstas.
- Son máquinas de propósitos específicos.
- Dan respuestas aproximadas, ya que están diseñadas para representar electrónicamente algunos conjuntos de daros del mundo real, por lo que sus resultados son cercanos a la realidad.
- Estos se utilizan generalmente para supervisar las condiciones del mundo real, tales como Viento, Temperatura, Sonido, Movimiento, etc
Generalmente se usan en problemas especiales en los que los datos de entrada provienen de mediciones convertidas a dígitos y son procesados por una computadora por ejemplo las Computadoras Híbridas controlan el radar de la defensa de Estados Unidos y de los vuelos comerciales.
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La computadora Híbrida:
Es un sistema construido de una computadora Digital y una Análoga, conectados a través de una interfaz que permite el intercambio de información entre las dos computadoras y el desarrollo de su trabajo en conjunto.
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La mayoría de las señales que representan una magnitud física (temperatura, luminosidad, humedad, etc.) son señales analógicas.
Las señales analógicas pueden tomar todos los valores posibles de un intervalo; y las digitales solo pueden tomar dos valores posibles.
Una computadora o cualquier sistema de control basado en un microprocesador no puede interpretar señales analógicas, ya que solo utiliza señales digitales.
Es necesario traducir, o transformar en señales binarias, lo que se denomina proceso de digitalización o conversión de señales analógicas a digitales.
En la gráfica inferior se observa una señal analógica, que para ser interpretada en una computadora ha de modificarse mediante digitalización.
Un medio simple es el muestreado, cada cierto tiempo se lee el valor de la señal analógica.
Si el valor de la señal en ese instante está por debajo de un determinado umbral, la señal digital toma un valor mínimo (0).
Cuando la señal analógica se encuentra por encima del valor umbral, la señal digital toma un valor máximo (1).
Digitalización por muestreado de una señal analógica.
El momento en que se realiza cada lectura por la computadora, por un sistema de sincronización que emite una señal de reloj con un período constante.
Estas conversiones analógico-digitales son habituales en adquisición de datos por parte de una computadora y en la modulación digital para transmisiones y comunicaciones por radio.
En general, los computadores analógicos son extraordinariamente rápidos, puesto que pueden solucionar las más complejas ecuaciones a una tasa en la cual una señal atraviesa el circuito, que generalmente es una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Por otro lado, la precisión de computadores analógicos no es buena; se limitan a tres, o a lo más, cuatro dígitos de precisión.
Los computadores digitales pueden ser construidos para llevar la solución de ecuaciones a una casi ilimitada precisión, pero de una manera sumamente lenta comparado a los computadores analógicos. Generalmente, las ecuaciones complejas son aproximadas usando métodos numéricos iterativos que toman grandes números de iteraciones, dependiendo de cuan buena es la "conjetura inicial" con respecto al valor final y a cuánta precisión se desea. Esta conjetura inicial es conocida como la semilla numérica para el proceso iterativo. Para muchas operaciones en tiempo real, la velocidad de tales cálculos digitales es demasiado lenta para ser de mucho uso (ej, para radares de phased array de muy alta frecuencia o para cálculos del tiempo), sin embargo, la precisión de los cálculos de una computadora analógica es relativamente escasa.
Los computadores híbridos pueden ser usados para obtener un valor se 'semilla' muy bueno pero relativamente impreciso, usando una computadora analógica como frontal (front-end), que entonces es alimentado en un proceso iterativo de la computadora digital para alcanzar el grado deseado final de precisión. Con una semilla altamente exacta de tres o cuatro dígitos, se reduce dramáticamente el tiempo total de cómputo digital necesario para alcanzar la precisión deseada, puesto que se requieren mucho menos iteraciones.
Considere que el sistema nervioso en animales es una forma de computadora híbrida. Las señales pasan a través de las sinapsis desde una célula nerviosa a la siguiente como paquetes (digitales) discretos de productos químicos, que entonces son sumados dentro de la célula nerviosa en una manera analógica construyendo un potencial electroquímicohasta que su umbral es alcanzado, con lo cual descarga y envía una serie de paquetes digitales a la siguiente célula nerviosa. Las ventajas son por lo menos triples: el ruido dentro del sistema es reducido al mínimo (y tiende a no ser aditivo), no se requiere un sistema común de tierra, y hay mínima degradación de la señal incluso si hay diferencias substanciales en la actividad de las células a lo largo de una trayectoria (solamente tienden a variar los retardos de la señal). Las células nerviosas individuales son análogas a los computadoras analógicos; las sinapsis son análogas a los computadores digitales.
Observe que los computadores híbridos deben ser distinguidos de los sistemas híbridos. Este último puede ser no más que una computadora digital equipado con un convertidor analógico-digital en la entrada y/o un convertidor digital-analógico en la salida, con el propósito de convertir las señales analógicas para el procesamiento digital ordinario y viceversa, por ejemplo, para manejar sistemas de control físicos, tales como servomecanismos.
Una computadora analógica u ordenador analógico es un tipo de computadora que utiliza dispositivos electrónicos o mecánicospara modelar el problema que se resuelve, utilizando un tipo de representación de cantidad física para expresar los valores que conforman el resultado.
Para el modelado se utiliza la analogía existente, en términos matemáticos, de algunas situaciones que se dan en diferentes campos. Por ejemplo, la que existe entre los movimientos oscilatorios en mecánica y el análisis de corrientes alternas en electricidad. Estos dos planteos se analizan a través de ecuaciones diferenciales, planteando algún tipo de modelo que permite obtener una solución satisfactoria.
Estos dispositivos se usan en contraposición a las computadoras digitales, en las cuales los fenómenos físicos o mecánicos son utilizados para construir una máquina de estado finito, que es usada después para modelar elementos llamados instrucciones, que a través de un programa (serie de instrucciones) permite calcular una solución al problema que se desea resolver. Hay un grupo intermedio de computadoras llamadas los computadoras híbridas, en el que un ordenador digital es utilizado para controlar y organizar entradas y salidas hacia y desde dispositivos analógicos anexos; por ejemplo, los dispositivos analógicos podrían ser utilizados para generar valores iniciales para iteraciones. Así, un ábaco sería un computador digital, y una regla de cálculo un computador analógico.
Los computadores analógicos ideales operan con números reales y son diferenciales, mientras que los computadores digitales se limitan a números computables y son algebraicos. Esto significa que los computadores analógicos tienen una tasa de dimensión de la información (ver teoría de la información), o potencial de dominio informático más grande que los computadores digitales (ver teorema de incompletitud de Gödel). Esto, en teoría, permite a los computadores analógicos resolver problemas que son indescifrables con computadores digitales.
Los teóricos de la informática suelen usar también la denominación ordenador real como sinónimo de ordenador analógico, pues este tipo de máquinas utilizan magnitudes físicas para representar valores, los cuales se comportan como números reales, y no como números naturales (los cuales permiten representar cantidades discretas y no continuas).
Algunos ejemplos de computadores analógicos son:
Cronología de los computadores analógicos
- La regla de cálculo es un computador analógico manual para hacer la multiplicación y la división, inventada alrededor 1620-1630, poco después de la publicación del concepto del logaritmo.
- En la era de la Segunda Guerra Mundial los apuntadores de armas y visores de bombas usaron computadores analógicos mecánicos.
- La calculadora de Curta era un dispositivo accionado por una pequeña manivela cilíndrica que podría hacer multiplicaciones, divisiones, y un número de otras operaciones.
- La MONIAC Computer fue un modelo hidráulico de una economía nacional, revelado por primera vez en 1949.
- El Computer Engineering Associates fue una vuelta?? de Caltech en 1950 para proporcionar servicios comerciales usando el "Direct Analogy Electric Analog Computer" (Computador Analógico Eléctrico de Analogía Directa) ("la facilidad de analizador de propósito general más grande e impresionante para la solución de problemas de campo") desarrollado allí por Gilbert D. McCann, Charles H. Wilts, y Bart Locanthi.1314
- El computador analógico de Comdyna GP-6 introducido en 1968 y producido por 36 años.
Computadores analógicos electrónicos[editar]
El AKAT-1, un computador analógico polaco.
La semejanza entre los componentes mecánicos lineales, tales como resortes y amortiguadores hidráulicos. Sin embargo, la diferencia entre estos sistemas es lo que hace útil a la computación analógica. Si uno considera un simple sistema masa-resorte, construir el sistema físico requeriría la compra de los resortes y de las masas. Esto sería procedido a sujetarlos el uno al otro y un anclaje apropiado, recaudar equipo de prueba con la apropiada gama de entrada, y finalmente, tomar medidas (algo que es difícil).
El equivalente eléctrico puede ser construido con algunos amplificadores operacionales (Op amps) y algunos componentes lineales pasivos; todas las medidas pueden tomarse directamente con un osciloscopio. En el circuito, la "masa (simulada) del resorte" puede ser cambiada ajustando un potenciómetro. El sistema eléctrico es una analogía del sistema físico, por eso el nombre, pero es menos costoso de construir, más seguro, y más fácil de modificar. También, un circuito electrónico puede operar típicamente en frecuencias más altas que el sistema que es simulado. Esto permite que la simulación funcione más rápidamente que en tiempo real, para resultados más rápidos.
La desventaja de la analogía mecánico-eléctrica es que la electrónica es limitada por el rango sobre el cual las variables pueden variar. Esto es llamado rango dinámico. También son limitados por los niveles de ruido.
Estos circuitos eléctricos también pueden realizar fácilmente otras simulaciones. Por ejemplo, el voltaje puede simular la presión de agua y los amperios pueden simular la corriente del agua en términos de metros cúbicos por segundo.
Un sistema digital usa niveles de voltaje eléctrico discretos para representar códigos para los símbolos. La manipulación de estos símbolos es el método de operación del computador digital. El computador analógico electrónico manipula las cantidades físicas de formas de onda, (voltaje o corriente). La precisión de la lectura de la computadora análoga está limitada principalmente por la precisión del equipo de lectura usado, generalmente tres o cuatro dígitos significativos. La precisión del computador digital es prácticamente infinita (típicamente 15 dígitos de precisión), pero la precisión de su resultado está limitada solo por el tiempo. Un computador digital puede calcular muchos dígitos en paralelo u obtener el mismo número de dígitos realizando los cómputos en secuencia de tiempo.
Computadores híbridos analógicos-digitales[editar]
El ELWAT, un computador analógico polaco.
Hay un dispositivo intermedio, un computador híbrido, en el cual un computador digital es combinado con un computador analógico. Los computadores híbridos se usan para obtener un muy exacto -pero no completamente exacto- valor de 'semilla', usando un computador analógico como la parte frontal (front-end), que es entonces alimentado dentro de un proceso iterativodel computador digital para alcanzar el grado final de precisión deseado. Con una semilla numérica altamente exacta de tres o cuatro dígitos, es reducido dramáticamente el tiempo total de cómputo digital necesario para alcanzar la precisión deseada, puesto que son requeridas muchas menos iteraciones. O, por ejemplo, el computador analógico puede ser usado para solucionar un problema no analítico de la ecuación diferencial, para el uso en una determinada etapa de un cómputo (donde la precisión no es muy importante). En todo caso, el computador híbrido generalmente es substancialmente más rápido que un computador digital, y, a su vez, puede suministrar un cómputo mucho más exacto que un computador analógico. Es útil para aplicaciones en tiempo real que requieren dicha combinación, por ejemplo, un radar phased array de alta frecuencia o un cómputo de sistema de tiempo.
En los computadores analógicos, frecuentemente los cómputos son realizados usando las propiedades de la resistencia eléctrica, de los voltajes y así sucesivamente. Por ejemplo, un simple sumador de dos variables puede ser creado por dos fuentes de corriente en paralelo. El primer valor es fijado ajustando la primera fuente de corriente (digamos xmiliamperios), y el segundo valor es fijado ajustando la segunda fuente de corriente (digamos y miliamperios). La medición de la corriente a través de los dos en su juntura hacia la señal de tierra dará la suma como una corriente a través de una resistencia a la señal de tierra, es decir, x + y miliamperios. (Ver las leyes de Kirchhoff). Similarmente, otros cálculos son realizados usando amplificadores operacionales y circuitos especialmente diseñados para otras tareas.
El uso de las propiedades eléctricas en los computadores analógicos significa que los cálculos son realizados normalmente en tiempo real (o más rápido), a una fracción significativa de la velocidad de la luz, sin los retardos de cálculo relativamente grandes de los computadores digitales. Esta característica permite ciertos cálculos útiles que son comparativamente "difíciles" de realizar por los computadores digitales, por ejemplo la integración numérica. Los computadores analógicos pueden integrar una forma de onda de voltaje, usualmente por medio de un condensador, que acumula carga en el tiempo.
Las funciones y los cálculos no lineales pueden ser construidos para una precisión limitada (tres o cuatro dígitos) diseñando circuitos de generador de funciones - circuitos especiales de varias combinaciones de capacitancia, inductancia, resistencia, en combinación con diodos (ej, diodos Zener) para proporcionar la no linealidad. Generalmente, una función no lineal es simulada por una forma de onda no lineal cuya forma varía con el voltaje (o la corriente). Por ejemplo, a medida que el voltaje aumenta, la impedancia total puede cambiar mientras los diodos sucesivamente permiten que fluya la corriente.
Cualquier proceso físico que modele algún cómputo puede ser interpretado como un computador analógico. Algunos ejemplos, inventados con el propósito de ilustrar el concepto de cómputo analógico, incluyen usar un grupo desordenado de espaguetis, como modelo de ordenamiento de números; un tablero, un conjunto de clavos, y una banda elástica de goma, como modelo para encontrar la envoltura convexa de un sistema de puntos; y cadenas enlazadas entre sí, como modelo para encontrar la ruta más corta en una red. Todos éstos son descritos por A. K. Dewdney. 15
Componentes[editar]
Un computador analógico de Newmark de 1960, hecho de cinco unidades. Este computador fue usado para resolver ecuaciones diferencialesy actualmente se encuentra en el Museo de Tecnología de Cambridge.
Los computadores analógicos frecuentemente tienen un armazón complicado, pero tienen en su núcleo un conjunto de componentes clave que realizan los cálculos, que el operador manipula a través del armazón del computador.
Los componentes hidráulicos clave pueden incluir pipas, válvulas o torres; los componentes mecánicos pueden incluir engranajes y palancas; los componentes eléctricos clave pueden incluir:
Las principales operaciones matemáticas usadas en un computador analógico eléctrico son:
La diferenciación con respecto al tiempo no es usada frecuentemente. Corresponde en el dominio de frecuencia a un filtro paso alto, lo que significa que el ruido de alta frecuencia es amplificado .
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