Этот вопрос, заданный в группе, посвящённой инженерному делу, поделил аудиторию почти поровну. Интересует он и посетителей мероприятий Политехнического музея. Разницу между аналоговой и цифровой техникой объясняет руководитель отдела междисциплинарных проектов музея, компьютерный инженер Алексей Бутырин.

###SLIDER-photo
$image 240221 Счёты и компьютер.png

$slide-end ###

Слова «цифра», «цифровой», «цифровизация» мы слышим чуть ли не каждый день. Создаётся впечатление, будто цифровое — значит современное, быстрое, прогрессивное, а всё аналоговое — устаревшее, медленное и отсталое.

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

На самом деле эти слова описывают, в какой форме представлен информационный сигнал, обрабатываемый устройством. Аналоговый сигнал меняется непрерывно и в любой момент 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. Конечно, можно изловчиться и зафиксировать выключатель в среднем положении, но свет всё равно либо будет гореть, либо не будет. 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.

Эти определения написаны сухим научным языком, но главная разница между ними 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 из коллекции Политехнического музея 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.

###EXPO_arifmometr-vilgodta-odnera###

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.

###EXPO_logarifmicheskiy-pribor-konstantina-gutsevicha###

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.

У вас есть вопрос, связанный с устройством мира или человека, с историей науки и техники? Задайте его в комментариях или пришлите на почту question@polytech.one

Счёты — это аналоговое или цифровое устройство?