https://vk.com/artqot

Этот вроде бы простой вопрос, заданный в группе, посвящённой инженерному делу, неожиданно поделил аудиторию почти поровну. «Ну понятно же, что аналоговое! Деревянные счёты, какая тут цифра, камон!» — писали одни. «Да с чего вдруг? Вы вообще понимаете разницу между цифровым и аналоговым?» — не соглашались с ними другие. Давайте разберёмся, как всё обстоит на самом деле.

Для ЛЛ: счёты — цифровые

Слова «цифра», «цифровой», «цифровизация» мы слышим чуть ли не каждый день, причём, как правило, с положительной коннотацией. От этого может сложиться впечатление, будто цифровое — значит современное, быстрое, прогрессивное. Аналоговое, соответственно, — устаревшее, медленное и отсталое.

Это заблуждение. Понятия «цифровой» и «аналоговый» ничего не говорят ни о возрасте, ни о технологической продвинутости предмета. Аналоговое устройство может быть современным и электронным, а цифровое — старым и механическим. Как, разумеется, и наоборот.

На самом деле эти слова лишь указывают, в какой форме представлен информационный сигнал, обрабатываемый устройством. Аналоговый сигнал меняется непрерывно и в любой момент времени может принимать любые значения. Цифровой сигнал меняется прерывисто и может принимать лишь конечный набор значений. Такие отдельные значения называют дискретными.

Простые примеры

Представьте себе плавный регулятор яркости света — диммер. Положение его ручки можно менять непрерывно, и каждому положению будет соответствовать определённая яркость света. Её можно установить с любой точностью, которую только позволяет конструкция. Диммер в нашем примере — аналоговое устройство.

Обычный электрический выключатель имеет только два положения — включено или выключено. Простой выключатель в нашем примере — это цифровое устройство с двумя дискретными состояниями.

За более строгими формулировками обратимся к государственному стандарту — ГОСТ 17657-79 «Передача данных. Термины и определения»:

Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представленных параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Цифровой сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Формулировки не самые изящные, но главная разница здесь та же самая — это разница между непрерывным и дискретным.

Как считают на счётах

Деревянная рамка счёт удерживает некоторое количество параллельных спиц, на которых нанизаны костяшки — обычно по 10 штук. Каждая спица с костяшками соответствует определённому разряду числа — единицам, десяткам, сотням и так далее. Чтобы «набрать» число на счётах, нужно перекинуть влево столько костяшек, сколько указывают цифры этого числа. Например, для числа 15 это будет одна костяшка на спице десятков и пять костяшек на спице единиц.

При работе на счётах имеет смысл только то, находится костяшка справа или слева. Если костяшку зафиксировать в промежуточном положении, никакого нового значения — скажем, дробного — она выражать не будет. Говоря научным языком, счёты работают в десятичной системе счисления с непозиционным унарным кодированием внутри каждого разряда.

То есть счёты оперируют лишь дискретными значениями, а значит, это цифровое устройство. Да, ручное, низкотехнологичное, но цифровое по форме представления данных. Если бы счёты были аналоговыми, нужно было бы плавно перемещать костяшки по спицам, строго следя за тем, какое именно положение они занимают, что в данной конструкции крайне неудобно, да и бессмысленно.

Родственники счётов

К цифровой технике относятся японский соробан, китайский суаньпань, греческий абак. Также цифровыми являются арифмометры — например, арифмометр Однера и все его потомки, включая знаменитые арифмометры «Феликс».

В них используются зубчатые колёса с переменным количеством зубцов — от 0 до 9. Зубец не может выступать чуть-чуть — он либо есть, либо его нет. Соответственно, барабан с цифрами под воздействием этого зубца либо повернётся на одно фиксированное деление, либо не повернётся вообще. Все промежуточные состояния будут означать неисправность устройства.

Тогда какая же вычислительная техника является аналоговой, если и современный компьютер, и старый арифмометр, и совсем древние счёты — цифровые? Пример вам наверняка известен. Самый распространённый аналоговый вычислительный прибор — это логарифмическая линейка.

В ней числа представляются в виде длин отрезков — или, можно сказать, длина становится аналогом величины числа. У логарифмической линейки нет дискретных положений, её движок и бегунок перемещаются плавно. Она одинаково хорошо работает и с целыми, и с дробными числами, а точность вычислений определяется только качеством её изготовления и вашей аккуратностью. Удобство же её в том, что вместо умножения и деления самих чисел мы выполняем сложение и вычитание их логарифмов. А складывать и вычитать намного проще, чем умножать и делить.

Существуют и более сложные аналоговые вычислительные устройства — машины для предсказания приливов, дифференциальные анализаторы, интеграторы, аналоговые компьютеры. Эти устройства могут быть механическими, гидравлическими, электронными. Объединяет их то, что процессы, которые протекают внутри них, с математической точки зрения являются аналогами процессов в реальном мире — тех, которые нужно моделировать или прогнозировать. Отсюда, собственно, и название. Все физические величины внутри таких машин изменяются непрерывно.

Преобразование сигнала

Цифровой и аналоговый сигналы принципиально различны, но нельзя сказать, будто «вместе им не сойтись». Наоборот, в окружающей нас технике эти сигналы постоянно преобразуются из одного типа в другой. Например, это происходит, когда мы говорим в микрофон или слушаем звук через динамики. Электрический сигнал, выдаваемый микрофоном или поступающий на динамик, — аналоговый. В нём аналогом звукового давления является электрическое напряжение. А вот передаётся и обрабатывается сигнал в цифровой форме, проходя через АЦП и ЦАП — аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Но как они работают, уже тема для отдельной беседы.

Основной экспонат на фото — ИГ-3, одномерный малогабаритный гидравлический интегратор. Это демонстрационный вариант, специально разработанный в середине 1950-х для обучения методу гидравлических аналогий. Хотя устройство стоит в музее, его нельзя назвать «динозавром»: на момент съёмки его собратья ещё вовсю применялись в научных и производственных организациях СССР.

Метод гидравлических аналогий позволял эффективно моделировать, например, такой физический процесс, как затвердевание бетона с учётом температуры и интенсивности электроподогрева. Уравнения, описывающие течение воды, с математической точки зрения аналогичны тем, что описывают распространение тепла. Цифровые ЭВМ середины XX века обладали низким быстродействием и крошечным объёмом памяти, часто выходили из строя, а программировать их можно было только в машинных кодах. Аналоговые же машины программирования не требовали, работали быстро, а процесс расчёта в них был максимально наглядным.

Только к началу 1980-х годов цифровая техника достигла достаточного уровня развития, чтобы полностью заменить гидроинтеграторы и другие аналоговые вычислительные машины.

А ИГ-3 из коллекции Политехнического музея благополучно дожил до наших дней. С 2014 по 2020 год он экспонировался на выставке «Россия делает сама». Не исключено, что после реконструкции исторического здания на Новой площади его снова можно будет увидеть в экспозиции музея.

AKAT-1 — польский транзисторный аналоговый компьютер (первый транзисторный компьютер подобного типа в мире), созданный польским конструктором Яцеком Карпинским в Институте автоматики Польской академии наук в 1959 году. Был предназначен для решения дифференциальных уравнений высокой сложности и организации процессов моделирования. В массовое производство компьютер не поступал.

В 1960-е годы распространилась городская легенда, что компьютер можно было использовать в качестве синтезатора.