Desenvolvimento de um computador de propósito geral analógico-digital
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Data
2022-05-04
Autores
Fernandes, Felipe Oliveira
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Processos computacionais, principalmente simulações e resoluções de equações, são indispensáveis para o desenvolvimento da tecnologia na era moderna, sendo estes utilizados desde em processos como o controle de caldeiras até em robôs de exploração espacial. Entretanto, a crescente evolução tecnológica demanda de computadores menores, mais rápidos e com menor consumo de energia. Devido a este fato, surgiram inúmeras técnicas que objetivam melhorar o desempenho da computação em geral. Dentre elas, a computação analógica-digital apresenta potencial para realizar o processamento de grandes dados com grande velocidade e com pequeno consumo de energia. O presente trabalho visa desenvolver uma topologia de computador analógico-digital de propósito geral com controle e interface digital e o processamento sendo realizado de forma analógica, operando na faixa de 1 a 10000 Hz. Foram investigados os efeitos da variação de parâmetros de configuração, a comutação de estados, a inserção de condições iniciais e a robustez do sistema implementado. Levantou-se na literatura as topologias mais utilizadas para a realização das principais funções de um computador analógico. Com isso, foi desenvolvido um circuito que realizasse cada uma das funções principais. Os circuitos foram simulados utilizando o software Multisim® versão 14.1 e testados em função de diferentes parâmetros, tais como a de frequência de funcionamento (1 a 10000 Hz), a comutação entre os processos analógicos, a variação do sinal de entrada e a qualidade do sinal de saída. Para isso, os circuitos foram simulados no modo iterativo para a fim de estudar o comportamento das comutações dos estados e transitório do sistema analisados no domínio da frequência para elaborar-se o diagrama de Bode. Para finalizar, foi realizada a análise de operação em corrente contínua, visando interpretar o comportamento em regime permanente do sistema. Com os dados levantados foi realizada a elaboração das topologias para a implementação física do computador. Para a integração dos dispositivos e a emulação do funcionamento do dispositivo, utilizou-se o processo de Co-simulação entre os softwares Labview® e Multsim®. Para a modelagem matemática do sistema usou-se o software Matlab®. O sistema analógico-digital apresentou erro menor do que 5% quando comparado à modelagem e apresentou flexibilidade de emulação de equações diferenciais.
Computational processes, mainly simulations and equation solving, are indispensable for the modern era and are used from boiler control to space exploration robots. However, the increasing technological evolution demands smaller, faster computers with low energy consumption. Due to this fact, numerous techniques have emerged aiming to improve the performance of general computing. Among them, analog-digital computing has the potential to perform a large amount of data processing at high speed and low power consumption. The present work aimed to develop a digital interface, and a general-purpose computer with digital control and interface, and the processing being performed analogously, operating in the range from 1 to 10000 Hz. The effects of configuration parameters variation, state switching, insertion of initial conditions, and robustness of the implemented system were investigated. Thus, a circuit was developed to perform each of the main functions of a general computer. The circuits were simulated using Multisim® software version 14.1 and tested according to different parameters such as operating frequency (1 to 10000 Hz), switching between analog processes, input signal variation, and signal quality. The circuits were simulated in an iterative model to study the behavior of the state and transient commutations of the system and, analyzed in the frequency domain to elaborate the Bode diagram. Finally, the operation analysis in direct current was carried out, aiming to interpret the steady-state behavior of the system. For device integration and device operation emulation, the Co-simulation process was used between Labview® and Multsim® software. For the mathematical modeling of the system, Matlab® software was used. The analog-digital system presented a mathematical error smaller than 5%.
Computational processes, mainly simulations and equation solving, are indispensable for the modern era and are used from boiler control to space exploration robots. However, the increasing technological evolution demands smaller, faster computers with low energy consumption. Due to this fact, numerous techniques have emerged aiming to improve the performance of general computing. Among them, analog-digital computing has the potential to perform a large amount of data processing at high speed and low power consumption. The present work aimed to develop a digital interface, and a general-purpose computer with digital control and interface, and the processing being performed analogously, operating in the range from 1 to 10000 Hz. The effects of configuration parameters variation, state switching, insertion of initial conditions, and robustness of the implemented system were investigated. Thus, a circuit was developed to perform each of the main functions of a general computer. The circuits were simulated using Multisim® software version 14.1 and tested according to different parameters such as operating frequency (1 to 10000 Hz), switching between analog processes, input signal variation, and signal quality. The circuits were simulated in an iterative model to study the behavior of the state and transient commutations of the system and, analyzed in the frequency domain to elaborate the Bode diagram. Finally, the operation analysis in direct current was carried out, aiming to interpret the steady-state behavior of the system. For device integration and device operation emulation, the Co-simulation process was used between Labview® and Multsim® software. For the mathematical modeling of the system, Matlab® software was used. The analog-digital system presented a mathematical error smaller than 5%.
Descrição
Palavras-chave
Computadores, Computadores analógicos, Analog computers