Блог Кена Ширіфа

Історія комп’ютерів, відновлення старовинних комп’ютерів, зворотне проектування ІС та ін

Розуміння та відновлення джерела живлення від аналогового комп’ютера 1969 року

Нещодавно ми розпочали відновлення старовинного аналогового комп’ютера 1. На відміну від цифрового комп'ютера, який представляє числа з дискретними двійковими значеннями, аналоговий комп'ютер виконує обчислення, використовуючи фізичні, постійно мінливі значення, такі як напруги. Оскільки точність результатів залежить від точності цих напруг, точність аналогового комп'ютера є критично важливою. Цей допис у блозі обговорює, як працює блок живлення цього комп’ютера, і як ми вирішили з ним проблему. Це другий допис у серії; у першій публікації обговорювались точні операційні підсилювачі в комп'ютері.

Раніше аналогові комп’ютери були популярними для швидких наукових обчислень, особливо диференціальних рівнянь, але в 70-х роках майже вимерли, коли цифрові комп’ютери стали потужнішими. Зазвичай їх програмували шляхом підключення кабелів до патч-панелі, отримуючи спагетті-подібний клубок проводів. На фотографії зверху кольорова патч-панель знаходиться посередині. Над патч-панеллю 18 потенціометрів встановлюють рівні напруги для введення різних параметрів. Менша патч-панель для цифрової логіки знаходиться у верхньому правому куті.

Блок живлення

Комп’ютер використовує дві опорні напруги: +10 В і -10 В, які джерело живлення повинен генерувати з високою точністю. (У старих аналогових комп’ютерах на базі трубки зазвичай використовуються еталони +/- 100 В.) Блок живлення також забезпечує регульовані +/- 15 В для живлення операційних підсилювачів, потужності для різних реле в комп’ютері та потужності для ламп.

На фотографії вище показано блок живлення в нижній частині задньої частини аналогового комп’ютера. Блок живлення складніший, ніж я очікував. Розділ ліворуч перетворює лінійну напругу змінного струму в низьковольтний змінний і постійний. Ці виходи надходять у клітку картки праворуч, яка має 8 друкованих плат, які регулюють напругу. Складні джгути на верхній частині блоку живлення забезпечують живлення п'яти аналогових обчислювальних модулів над джерелом живлення, а також решти комп'ютера.

На старовинному комп’ютері важливо переконатися, що джерело живлення працює належним чином, оскільки якщо він генерує неправильну напругу, результати можуть бути катастрофічними. Отже, ми продовжуємо методично, спочатку перевіряючи компоненти блоку живлення, потім перевіряючи виходи джерела живлення, від’єднавшись від решти комп’ютера, і, нарешті, живимо весь комп’ютер.

Секція трансформатора/випрямляча

Ми почали з того, що відключили блок живлення від комп’ютера та від’єднали дві половини. Ліва половина блоку живлення (внизу) виробляє чотири нерегульованих виходи постійного струму та низьковольтний вихід змінного струму. Містить два великих силові трансформатори, чотири великих конденсатори фільтра, випрямлячі на шпильках (верхня частина задньої частини), менші діоди (спереду справа) та запобіжники. Це великий і дуже важкий модуль через трансформаторів. 2 Менший трансформатор живить лампи та реле, тоді як більший трансформатор живить джерела живлення +15 та -15 вольт, а також генератор. Імовірно, використання окремих трансформаторів запобігає впливу шуму та коливань ламп та реле на точні контрольні джерела.

Однією з проблем старих джерел живлення є те, що електролітичні конденсатори можуть з часом висихати і виходити з ладу. (Ці конденсатори - це великі циліндри, наведені вище.) Ми виміряли ємність та опір великих конденсаторів (використовуючи старовинний лічильник HP LCR від Marc), і вони протестували нормально. Ми також перевірили вхідний опір блоку живлення, щоб переконатися, що там не було явних замикань; все здавалося добре.

Ми вийняли всі картки з каркаса, обережно підключили блок живлення і. нічого взагалі не сталося. З якоїсь причини до джерела живлення не надходила напруга змінного струму. Запобіжник був очевидним підозрою, але це було нормально. Карл запитав про вимикач живлення на панелі управління, і ми з'ясували, що перемикач підключений до джерела живлення через розетку з написом "CP" (нижче). Ми додали перемичку, включили живлення і цього разу виявили очікувані напруги постійного струму від модуля.

Карти регулятора

Далі ми протестували різні картки живлення окремо. Блок живлення має чотири плати регулятора, що генерують "напругу лампи", "+15", "-15" та "напругу реле". Призначення плати регулятора полягає в тому, щоб взяти нерегульовану напругу постійного струму з модуля трансформатора і зменшити її до бажаної вихідної напруги.

Ми підключили плати регулятора, використовуючи джерело живлення як вхід, щоб переконатися, що вони працюють належним чином. Ми налаштували потенціометр на регуляторі +15 В, щоб отримати рівно 15 В виходу. Регулятор -15 В здавався темпераментним, і напруга стрибала, коли ми його регулювали. Я запідозрив брудний потенціометр, але він встановив стабільний вихід (оповідач: це передвіщення). Ми не знаємо, якими повинні бути напруги лампи та реле, і вони не є критичними, тому ми залишили ці плати невідрегульованими.

На фотографії вище зображена одна з карт регулятора; Ви можете подумати, що в ньому багато компонентів лише для регулювання напруги. Перший чіп регулятора напруги був створений в 1966 році, тому цей комп’ютер використовує замість цього лінійний регулятор, побудований з окремих компонентів. Великий металевий транзистор на радіаторі - серце регулятора напруги; він виглядає як змінний резистор для управління вихідним сигналом. Решта компонентів подають керуючий сигнал на цей транзистор для отримання бажаного виходу. Стабілітрон (жовта та зелена смуги праворуч) виступає в якості опорного значення напруги, і вихід порівнюється з цим еталоном. Менший транзистор генерує керуючий сигнал для силових транзисторів. У нижньому правому куті для регулювання вихідної напруги використовується багатообертовий потенціометр. Більші конденсатори (металеві циліндри) фільтрують напругу, тоді як менші конденсатори забезпечують стабільність. Більшість джерел живлення лише через кілька років замінить усі ці компоненти (крім конденсаторів фільтра) на мікросхему регулятора напруги.

Осцилятор подрібнювача

Точні операційні підсилювачі в аналоговому комп'ютері використовують ланцюг подрібнювача для кращої продуктивності постійного струму, а переривнику потрібно 400 імпульсів Герца. Ці імпульси генеруються платою генератора в блоці живлення (з якоїсь причини називається затвором). Ми включили плату окремо, щоб протестувати її, і виявили, що вона виробляє 370 Гц, що здавалося досить близько.

Схема цієї карти дещо химерна, і не така, як я очікував на карті осцилятора. Ліва сторона має три великі конденсатори та три діоди, що живляться від низьковольтного змінного струму від трансформатора. Трохи спантеличивши це, я визначив, що це подвоєнник напруги з повною хвилею, що виробляє постійний струм при подвоєній напрузі на вході змінного струму. Я припускаю, що імпульси подрібнювача мали бути вищою напругою, ніж напруга живлення комп’ютера +15 вольт, тому вони використовували цей дубльор напруги, щоб отримати достатньо коливання напруги.

Сам генератор (права сторона карти) використовує один транзистор NPN як генератор, а інший транзистор NPN як буфер. Мені знадобився час, щоб з’ясувати, як працює однотранзисторний генератор. Це виявляється генератор з фазовим зсувом; три білих конденсатора в середині плати зміщують сигнал на 180 °; інвертування викликає коливання.

Операційні підсилювачі

Розрахунки в аналоговому комп’ютері посилаються на опорні напруги +10 і -10 вольт, тому ці напруги повинні бути дуже точними. Карти регулятора видають досить стабільні напруги, але недостатньо хороші. (Випробовуючи плати регулятора, я помітив, що вихідна напруга помітно змістилася, коли я змінив вхідну напругу.) Для досягнення цієї точності опорні напруги генеруються схемами підсилювача, побудованими з двох плат підсилювачів та мережевої карти зворотного зв'язку.

Щось дивно, операційні підсилювачі, що використовуються в блоці живлення, точно такі ж, як і прецизійні підсилювачі, що використовуються в самому аналоговому комп'ютері. Ще в 1969 р. Інтегральні схеми операційних підсилювачів були недостатньо точними для аналогового комп'ютера, тому конструктори цього аналогового комп'ютера поєднали мікросхему операційного підсилювача з ланцюгом подрібнювача та багатьма іншими деталями, щоб створити високопродуктивну операційну карту. Я детально описав карти операційних підсилювачів у першій публікації, тому не буду детальніше тут розповідати.

Мережева карта

Мережева карта має два завдання. По-перше, він має точні резистори для створення мереж зворотного зв'язку для підсилювачів живлення. По-друге, він має два силові транзистори (кругові металеві компоненти внизу), які буферують опорні напруги від операційного підсилювача для використання на решті комп’ютера.

Однією з проблем аналогового комп’ютера є те, що результати настільки точні, як і компоненти. Іншими словами, якщо значення напруги 10 вольт вимкнене на 1%, ваші відповіді будуть вимкнені на 1%. У результаті аналогові комп’ютери потребують дорогих високоточних резисторів. (На відміну від цього, напруги в цифровому комп'ютері можуть сильно дрейфувати, доки можна розрізнити 0 і 1. Це одна з причин, чому цифрові комп'ютери замінили аналогові комп'ютери.) Типові резистори мають допуск 20%, що означає опір може на 20% відрізнятися від зазначеного значення. Дорожчі резистори мають допуск 10%, 5% або навіть 1%. Але резистори на цій платі мають допуск 0,01%! (Ці резистори - це рожеві циліндри.) Два великі резистори зліва - це силові резистори "Коричневий диявол" 15 Ом. Вони захищають виходи напруги на випадок, якщо хтось підключить неправильний провід до патч-панелі і замкне вихід, що було б легко зробити.

Мережева плата отримує регулювальну напругу від панелі управління, а також має багатооборотні потенціометри праворуч для регулювання (як карти регулятора). Зелені роз'єми використовуються для підключення мережевої карти до операційних підсилювачів. (Операційні підсилювачі мають окремий роз'єм для входу для зменшення електричного шуму.)

Потужність і усунення проблеми

Нарешті, ми поклали всі плати блоку живлення назад у шафу, поставили блок живлення назад у комп’ютер та включили корпус (але не аналогові комп’ютерні модулі). Деякі індикаторні лампи на панелі керування засвітилися, і на лічильнику з'явилося джерело живлення +15 В. Однак джерело живлення -15 В не давало жодної напруги, а на передній панелі світились індикатори перевантаження операційного підсилювача, а опорних напруг від операційних підсилювачів не було. Поганий живлення -15 В виглядав першим, що слід дослідити, оскільки без нього плати операційних підсилювачів не працювали.

Я вийняв робочий регулятор +15 і не працюючий регулятор -15 з клітки і протестував їх на стенді. Зручно, обидві дошки однакові, тому я міг легко порівняти сигнали на двох платах. (Сучасні схеми зазвичай використовують спеціальні регулятори для виходів негативної напруги, але цей блок живлення використовував один і той же регулятор для обох.) Вихідний транзистор на поганій платі не отримував жодного керуючого сигналу на свою основу, тому він не видавав жодного виходу . Простежуючи сигнали назад, я виявив, що транзистор, що генерує цей сигнал, не отримував жодної напруги. Цей транзистор живився безпосередньо від роз’єму, тож чому до транзистора не надходила напруга?

Я вивчив друковану плату і помітив, що між транзистором і роз'ємом не було сліду друкованої плати! Натомість частина поточного шляху проходила через тепловідвід. Тепловідвід прикрутили до друкованої плати, зробивши зв’язок між двома червоними стрілками вгорі. Після того, як я закрутив усі гвинти, плата справно працювала.

Ми повернули дошки назад, включили шасі, і цього разу всі напруги здавалися правильними. Індикатори попередження перевантаження операційного підсилювача залишалися вимкненими; попереджувальне світло вмикалося раніше, оскільки операційні підсилювачі не могли працювати при відсутності однієї напруги. Наступним кроком є включення модулів аналогових схем та їх тестування. Нам також потрібно відремонтувати окремий 5-вольтний блок живлення, який використовується цифровою логікою, оскільки ми виявили кілька поганих конденсаторів, які потрібно буде замінити. Тож це завдання для наступних сесій.

Слідуйте за мною у Twitter @kenshirriff, щоб бути в курсі майбутніх статей. У мене також є RSS-канал.

Примітки та посилання

На інтегральних мікросхемах комп’ютера є коди дат 1968 і 1969 років, тому я думаю, що комп’ютер був виготовлений у 1969 році. ↩

Більшість сучасних джерел живлення є імпульсними, тому вони набагато менші та легші за лінійні джерела живлення, такі як у аналогового комп’ютера. (Наприклад, ваш зарядний пристрій для ноутбука є імпульсним джерелом живлення.) У той час імпульсне живлення було досить екзотичним. Однак іноді все ще використовуються лінійні джерела живлення, оскільки вони мають менше шуму, ніж імпульсні джерела живлення. ↩