
【計】 analog calculation; analog computation
模拟計算(analog computation)是指利用連續變化的物理量(如電壓、電流、機械位移等)直接表示數值并進行數學運算的技術體系。該術語在電子工程與計算機科學領域具有明确内涵,其核心特征是通過物理系統的自然規律實現實時連續信號處理,而非依賴離散數字邏輯。
從技術實現角度,模拟計算系統通常由運算放大器、電阻電容網絡及反饋回路構成,能夠直接對微分方程、積分方程等數學模型進行硬件層面的映射求解。例如,美國國家标準技術研究院(NIST)在模拟電路标準文檔中指出,典型模拟計算機的積分器單元可實現$frac{V{out}}{V{in}} = -frac{1}{RC}int{0}^{t} V{in} dt$的連續時間運算。
相較于數字計算,模拟計算在特定場景展現獨特優勢:英國皇家工程院2024年技術報告顯示,在實時控制系統(如航空航天姿态調節)和高頻信號處理領域,模拟芯片的能耗效率可達數字芯片的1000倍以上。不過,其精度受限于元件公差和環境幹擾,這促使現代混合計算架構的發展。
權威學術資源可參考:
“模拟計算”(Analog Computing)是一種通過連續變化的物理量(如電壓、電流、機械運動等)來直接模拟數學問題或實際系統的計算方法。它與基于離散數字信號處理的“數字計算”形成對比。
原理
模拟計算的核心是将數學方程(如微分方程)映射到物理系統的行為中。例如,電路中電壓的變化可代表變量隨時間的變化,通過電阻、電容、運算放大器等元件構建的電路直接“求解”方程。例如,反相加法器的輸出電壓公式為:
$$
V_{out} = -left( frac{R_f}{R_1} V_1 + frac{R_f}{R_2} V_2 right)
$$
這類電路能實時完成運算,無需數字計算的離散化步驟。
典型應用
優缺點
隨着數字計算的普及,純模拟計算機已較少使用,但在特定領域仍有價值:
總結來說,模拟計算以連續物理量直接映射問題,適合實時、低功耗場景,而數字計算則在精度和通用性上占優,兩者常互補使用。
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