Аналоговый компьютер Telefunken RA 770

14 ноября 2007 года сбылась моя мечта детства: я стал счастливым обладателем замечательного аналогового компьютера Telefunken RA 770. Искренне благодарен сотруднику Forschungszentrum Jülich, который не дал пустить эту замечательную машину на металлолом и предложил её мне. 

На мой взгляд, RA 770 — лучший когда-либо созданный высокоточный (10^-4) аналоговый компьютер. После согласования всех деталей мы с женой приехали на грузовике в Юлих, чтобы забрать компьютер. Почему на грузовике? Потому что Telefunken RA 770 большой и весит около 550 кг. Пришлось его частично разобрать, чтобы погрузить в машину своими силами. Как мы его выгружали дома — отдельная история.

Восстановление и ремонт машины

Выше — фотография практически пустой основной рамы RA 770. Перед транспортировкой компьютера мы сняли почти все тяжёлые части, платы и кабели, чтобы уменьшить вес рамы и свести к минимуму риск повреждения чего-либо во время поездки на грузовике.

А вот это подрамник UBE 770 — он находится в нижней левой части рамы и содержит от двух до трёх выдвижных блоков с генераторами функций, нелинейными сетями и тому подобным. Подрамник мы тоже вынимали, кстати.

Было очевидно, что в компьютере дружно жили несколько поколений мышей. Всё покрывало просто невероятное количество грязи. Я понимал, что сначала мне придётся тщательно очистить все детали компьютера, а затем внимательно изучить их на предмет повреждений, нанесённых нежелательными обитателями.

На фото — первые шаги на пути к очистке компьютера. У нас имелись опасения, что это может быть только началом отвратительной работы по отскребанию неимоверного количества мышиного помёта и тому подобного. Мы никогда так сильно не заблуждались — загрязнений оказалось ещё больше.

Вот что мы увидели, когда сняли верхние панели с устройства. Там всё липкое, покрыто мышиным помётом и скверно пахнет. Очень скверно.

После осмотра центральной рамы реле, расположенной в середине компьютера и содержащей множество реле управления общей работой устройства, нам стало понятно — трудиться придётся долго.

Оказалось, что удалить весь мышиный помет — задача не из лёгких. Он был липким, оставлял отвратительный осадок на всём, чего касался. Мне пришлось выковыривать всю дрянь зубочистками, а затем протирать поверхности моющим средством.

К сожалению, мыши опытным путём выяснили, что изоляция — очень вкусная штука. К счастью, все перегрызенные провода можно было легко заменить: мыши были достаточно любезны и оставили концы проводов нетронутыми. Так что с помощью логики, удачи и фантастических схем от Telefunken я смог исправить ущерб, нанесённый грызунами. Сколько времени и терпения понадобилось, вспоминать не хочется.

Одна из самых трудоёмких (и самых отвратительных) задач показана на фото выше. Это направляющие для карт, которые использовались мышами в качестве комнаты отдохновения. Каркасы пришлось полностью разобрать, поскольку иначе невозможно было всё очистить.

Во время разборки выяснилось, что экскременты мышей попадали на плату и вызвали коррозию контактов. Они были даже в герметичных корпусах потенциометров генераторов функции умножителей.

На фото — часть такого генератора со снятой крышкой защитного корпуса потенциометра. Поскольку настройки потенциометров важны для нормальной работы умножителей, с этими компонентами пришлось повозиться.

На фото выше запечатлён процесс установки подрамника UBE 770 в основную раму аналогового компьютера RA 770. Подключение трёх кабелей потребовало от меня смекалки и детективных навыков, поскольку это были чуть ли не единственные провода, которые не имели маркировки. К счастью, у них были особые разъёмы, которые никуда больше не подходили.

Вот так выглядят шесть чистых дополнительных кабелей, передающих сигналы между основной рамой и тремя выдвижными боксами (блоками), которые ставятся в подрамнике UBE 770.

Рама компьютера после очистки, ремонта оборванных проводов и установки UBE 770. Ну прелесть же!

Вся эта возня с компьютером была очень интересна не только мне, но и коту Штрайфхен. Он изо всех сил старался помочь, но не смог найти выживших мышей — я уверен, что он спас бы машину от этих поганцев.

Компоненты

Давайте посмотрим, что ещё есть внутри RA 770.

Это один из двух источников питания. Он содержит распределители питания для сетевого напряжения, счётчик использования, сетевые предохранители и подаёт -25 В (для питания реле), 6 В переменного тока и 10 В переменного тока (для подсветки дисплея). Стабилизируется только питание -25 В, силовые транзисторы установлены слева.

А вот второй блок питания, STV 771. Он выдаёт следующие напряжения:

Сверху у БП два основных трансформатора (видны вверху), а также большое количество катушек для сглаживания напряжений перед подачей на регуляторы. Реле внизу обнаруживают перегрузки по току и защищают выходные каскады, а также отображают состояние ошибки на центральном поле дисплея.

Фотография выше поможет вам получить некоторое представление о системе распределения питания RA 770. Хотя токи разных вычислительных элементов малы (всего несколько мА каждый), у шин распределения питания большой диаметр, что позволяет избежать ненужных падений напряжения. Конечно, в машине есть центральная точка заземления, поскольку контуры заземления были бы фатальными для общей точности системы. Разные линии заземления (релейное заземление, заземление прерывателя, высокоточное заземление и т. д.) объединяются только в этом общем блоке заземления.

На лицевой панели бокса, в котором расположено центральное управление системой, можно увидеть DBG 771 (Digitales Bediengerät). Он разделён на три части (слева направо):

• Центральная система выбора, которая может использоваться для выбора любого активного вычислительного элемента в компьютере и переключения его выхода на центральный цифровой вольтметр для считывания.

• Контроль времени, основанный на обычном кварцевом термостатированном генераторе. Выходной сигнал этого генератора подаётся в цепочку десятичных делителей. Выходы каскадов делителя затем могут быть объединены с помощью вращающихся переключателей.

• Справа видна центральная секция управления — её переключатели контролируют работу всей машины.

А это DBG 771 — очевидно, самый сложный компонент RA 770. Он содержит все цифровые каскады, необходимые для генерации различных тактовых сигналов, необходимых для управления интеграторами и цепями отслеживания/хранения, а также довольно сложную логику управления режимами, которая реализована в основном с использованием реле.

А вот необычная для аналогового компьютера штука: эта карта содержит основной кварцевый термостатированный генератор, который служит базой для всех тактовых сигналов, получаемых с его выхода. Многие аналоговые компьютеры используют прецизионный интегратор в качестве основных часов, но не RA 770. Поскольку часто удобно иметь пропорциональный времени сигнал нарастания во время вычисления для управления осциллографом или плоттером, его оснастили прецизионным интегратором, единственной целью которого является генерирование пропорционального времени напряжения отклонения.

В компьютере есть центральный высокоточный цифровой вольтметр, который может быть подключён под управлением DBG 771 к выходу любого активного вычислительного компонента RA 770. Это устройство, DVM 791, показано ниже. Регулировочный винт в середине передней панели управляет регулятором напряжения, который питает индикаторные лампы накаливания.

А так выглядит прецизионный цифровой вольтметр DVM 791.

Очевидно, что он не слишком загружен. Это связано с тем, что однажды Telefunken решила прекратить производство собственных прецизионных цифровых вольтметров, работающих на базе метода последовательной аппроксимации. Вместо этого использовался высокоточный цифровой вольтметр другого производителя, который мог поддерживать тот же внешний интерфейс, что и старый DVM.

Вот он, этот цифровой вольтметр OEMной наружности (производство ANALOGIC).

Он основан на методе двойного интегрирования и имеет точность 0,01 процента.

Примерно в 1970 году компания Telefunken решила отказаться от собственной линейки специализированных осциллографов с двойной трассировкой, специально разработанных для её линейки аналоговых компьютеров (осциллограф OMS 811), и переупаковать двухканальный аналоговый запоминающий осциллограф производства HP. Это устройство назвали HPO 771 и использовали вместе с аналоговым компьютером RA 770. На фото ниже вы можете увидеть его переднюю панель. Поскольку стандартный корпус Telefunken чуть больше 19 дюймов, он не очень удачно вписывается в пространство RA 770.

К сожалению, у моего HPO 771 есть серьёзная проблема с высоковольтным источником питания, которую я не смог исправить (в основном из-за отсутствия схем). Поэтому я решил вставить один из двух моих осциллографов OMS 811, которые также использовались в этой машине.

Следующая часть компьютера — это сервопотенциометры, которые используются в RA 770. Основная идея заключается в том, чтобы иметь центральную клавиатуру, на которой значения коэффициентов можно вводить с точностью до десятитысячных. Затем это значение устанавливается контуром, состоящим из небольшого моторчика, соединённого с прецизионным потенциометром и сервоэлектроникой.

Эту клавиатуру можно увидеть между DBG 771 и аналоговым патч-полем. Выше показано внутреннее устройство блока установки коэффициентов. Он состоит из нескольких высокоточных делителей напряжения, которые подключены к четырём наборам из десяти ключей, каждый из которых генерирует выходное напряжение от 0,0000 до 0,9999 машинных единиц (10 В). Обратите внимание, что прецизионные резисторы в левом нижнем углу экранированы!

Вот так выглядит один из семи блоков сервопотенциометров, используемых в RA 770. Эти блоки состоят из 10 или 9 (в зависимости от модели) потенциометров с соответствующими двигателями, небольшой шестерней и муфтой.

Он же, но со снятой защитой.

А вот так выглядит рабочий блок. Потенциометры расположены внизу, а миниатюрные моторчики — вверху. Между двигателями и потенциометрами находится простая фрикционная муфта, которая позволяет избежать повреждения потенциометров в случае неисправности контура сервопривода.

В компьютере это выглядит примерно так:

и так:

А вот панель с потенциометрами для установки нуля операционных усилителей основной рамы. Она расположена за центральной панелью индикатора перегрузки.

Вот ещё один компонент, блок цифрового расширения. 

Почти каждый крупномасштабный аналоговый компьютер, построенный после 1965 года, содержал набор базовых цифровых логических элементов, которые задействовались для управления отдельными интеграторами во время сложных вычислений и т. д. Это часто использовалось в задачах оптимизации и везде, где необходимо было принимать решения и автоматически изменять параметры.

Вот так выглядели блоки расширения логического объёма во время чистки.

DZ 772, вид справа. Поскольку это один из центральных управляющих экземпляров аналогового компьютера RA 770, он имеет множество разъёмов, идущих практически ко всем частям системы.

UBE 771 позволяет устанавливать дополнительные блоки вроде NNT 771, содержащие нелинейные сети. 

Часть лицевой панели видна на фото выше. Этот блок может содержать до восьми функциональных генераторов с 24 дополнительными операционными усилителями, которые можно использовать как автономные инверторы или в сочетании с нелинейными сетями. Из-за сложности сетей и возможности использовать этот блок с меньшими аналоговыми компьютерными системами Telefunken, его передняя панель содержит восемь небольших аналоговых патч-полей.

Так выглядит NNT 771 сверху и снизу. Посередине расположены два каркаса, вмещающие по 12 операционных усилителей, каждый со своей схемой управления. Два внешних отсека могут быть заполнены картами генератора функций. Наш NNT 771 содержал только 24 операционных усилителя, которые использовались в качестве инверторов на основном аналоговом патч-поле.

У меня имелось несколько запасных карт функционального генератора, поэтому я мог заполнить блок NNT 771. Обратите внимание, что занята только половина слотов. Это не значит, что место ещё есть — каждая карта требует два слота, так что NNT 771 забит под завязку.

Вот так выглядит пара карт функционального генератора. Эта пара, называемая SIN 1A и SIN 1B, реализует функцию sin(pi/2 * x) для x, изменяющегося в пределах +/- 1 единицы измерения (10 В).

А вот передняя панель следующего выдвижного блока, счетверённого функционального генератора VFG 801. Он содержит четыре диодных функциональных генератора. Если посмотреть на устройство сверху, можно увидеть 21 потенциометр одного из четырёх функциональных генераторов. 

В ячейках платы над этим разделом находятся прецизионные делители напряжения, диоды и необходимые операционные усилители (по два на функциональный генератор, то есть восемь усилителей на блок).

За полем аналоговых патчей расположен центральный вычислитель, вмещающий до 60 высокоточных операционных усилителей, стабилизированных прерывателем, и связанные с ними вычислительные сети, содержащие высокоточные резисторы и конденсаторы, а также множество управляющих реле. На фото он пуст.

Ниже расположены два блока, в которых находятся высокоточные интеграторные конденсаторы (всего 60 штук). Вот фото с разных сторон:

Так выглядит центральное экранированное аналоговое поле компьютера RA 770. Патч-панель легко снимается, что позволяет быстро менять программы на компьютере. 

В отличие от других устройств, произведённых EAI, Dornier и т. д., в RA 770 используются коаксиальные разъёмы по всему контактному полю вместо дешёвых пальцевых контактов, прижатых к пружинным контактам. Качество этой разработки Telefunken настолько высоко, что патч-панель не имеет ни одного слабого контакта спустя столько времени и после ужасных условий хранения. Это резко контрастирует с большинством известных мне систем EAI, которые очень нежные.

Под патч-полем расположены шестнадцать ручных потенциометров коэффициентов и восемь ручных переключателей. Особенность этих потенциометров в том, что четыре из них можно соединить вместе, повернув ручку, таким образом, образуя два прецизионных двойных потенциометра. Это уникальная и очень полезная функция, которую я не видел ни в одном другом аналоговом компьютере. Она упрощает быструю настройку генераторов развертки с ручным управлением.

Так выглядят кабели позади аналогового патч-поля, соединяющие его с разными компонентами RA 770.

RA 770 использует стабилизированные прерывателем усилители везде, где важна высокая точность и малый дрейф (интеграторы и т. д.). В других случаях можно использовать более простые операционные усилители. Один из таких усилителей показан ниже — эта плата называется СВ 1А и содержит один усилитель без чопперной стабилизации и без обнаружения перегрузок. Этот тип усилителя используется, например, в блоке NNT 771.

На фото выше вы можете видеть один из лучших операционных усилителей, когда-либо созданных для аналогового компьютера. Это так называемый OP14 от Telefunken (созданный профессором доктором Мейером-Брётцем, который разработал первые транзисторные операционные усилители для Telefunken).

Справа под металлическим экраном расположены цепи полупроводникового прерывателя и демодулятора. Под этим экраном видны два силовых выходных транзистора. Слева находятся дискретно реализованные входные каскады основного усилителя. Интегральная схема представляет собой готовый операционный усилитель, который используется для подавления дрейфа, управляемого прерывателем. Это место, где отлавливаются перегрузки.

Плата SK22 содержит высокоточные резисторы и реле управления для реализации двух переходов в RA 770.

А вот его более сложный аналог, SK41.

Эта плата содержит управляющую логику, прецизионные резисторы и конденсаторы для формирования двух многофункциональных интеграторов/сумматоров в сочетании с двумя платами операционного усилителя OP14. Количество реле, используемых на этой плате, объясняется тем, что все интеграторы в RA 770 имеют режим динамического тестирования, который значительно усложняет работу. Управление интегратором, конечно же, чисто электронное и не задействует медленные реле.

Документация:

Документация на эту замечательную машину просто ошеломляющая в плане качества и количества. Увы, до сих пор было отсканировано лишь несколько фрагментов документации, которые доступны здесь:

• Kurzgefasste Bedienungsanleitung f¨r den Telefunken Analogrechner RA 770 К. Фэя (около 2,5 МБ).

• Kurzbeschreibung Hybrider Präzisionsanalogrechner RA 770 , издание Telefunken (в цвете, около 63 МБ!).

• Руководство по эксплуатации, глава первая (около 6 МБ).

• Вторая глава руководства по эксплуатации (около 10 МБ).

Надеюсь, вам тоже было интересно. Спасибо за внимание!

Что ещё интересного есть в блоге Cloud4Y

→ Информационная безопасность и глупость: необычные примеры

→ It's Alive! Аккордеон из двух Commodore 64 и дискет

→ Как распечатать цветной механический телевизор на 3D-принтере

→ Создание e-ink дисплея с прогнозом погоды

→ Подержите моё пиво, или как я сделал RGBeeb, перенеся BBC Micro в современный корпус

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем только по делу. А ещё напоминаем про второй сезон нашего сериала ITить-колотить. Его можно посмотреть на YouTube и ВКонтакте.