全新的模擬計算機：用模擬計算機THAT超越數(shù)字計算機
工程師連接電位計和運算放大器，建立棘手的微分方程式，讀取不同的輸出電壓，作為其解。但后來數(shù)字計算機取得了完全的成功，模擬計算像無線電檢波器、機械電視和穿孔卡片一樣幾乎完全被淘汰。
被淘汰的技術(shù)也會再度流行，像黑膠唱片、熒光數(shù)字管和飛艇等一樣，也有擁護(hù)者在努力使模擬計算機復(fù)興。數(shù)字部分可給予易用性，而模擬部分則可為現(xiàn)實世界的許多不同類型問題給予節(jié)能解決方案。
就像美國國家航空航天局的阿波羅模擬器一樣，模擬計算機可以處理登月的物理過程，而數(shù)字計算機則可顯示數(shù)據(jù)。
這篇文章發(fā)表時，我覺得它雖然提出了一些令人信服的觀點，但作為一名隨性的實驗者，我并沒有真正入門模擬計算。2023年，情況發(fā)生了變化，我發(fā)現(xiàn)初創(chuàng)公司Anabrid推出了一款售價513美元的全新模擬機器THAT。
Anabrid的主要工作是開發(fā)模數(shù)混合芯片，這種芯片由奇維迪斯首創(chuàng)。THAT是“The Analog Thing”（模擬物）的縮寫，旨在提高人們對現(xiàn)代模擬計算可能性的認(rèn)識。它是一款小型開源機器，主要由分立的運算放大器集成電路組成。
THAT比以往的工業(yè)級機器小，只有8個設(shè)置參數(shù)的電位計和5個積分器，以及一些配套的加法器、逆變器、比較器等。但THAT并不是一個簡單的小玩具。需要更大的處理能力時，可以將多個THAT鏈接起來，并且THAT可以給予混合連接端口，以便與數(shù)字計算機連接。
像在廣告中的模擬計算機一樣，THAT順利獲得用短跳線連接執(zhí)行數(shù)學(xué)函數(shù)的元件實現(xiàn)編程。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要采用自己的方式來顯示THAT的輸出電壓，對我來說，只適合連接一個舊的模擬示波器，那是我不久前從我哥哥那里借來的。
模擬計算機THAT(左)有連接各種數(shù)學(xué)運算組件(例如積分器)的插孔。我使用了液晶屏(右上)、原型板接口(右中)和Arduino Uno(右下)來顯示其輸出。
該試試計算了。我剛剛拿出埃爾文?克利切格（Erwin Kreyszig）的《高等工程數(shù)學(xué)》，打算仔細(xì)學(xué)習(xí)微分方程，就很高興地發(fā)現(xiàn)，THAT附贈的手冊中有很多示例和跳線連接圖。我轉(zhuǎn)動電位計來調(diào)整參數(shù)，觀察其演變，很快就看到羊角螺線和模擬神經(jīng)尖峰開始發(fā)出熒光。
不過，我想對混合方法進(jìn)行測試。在Anabrid演示程序的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個登月游戲是自然而然的選擇：從月球表面一架攜帶有限燃料的航天器開始，該航天器受到月球引力的控制。玩家要調(diào)節(jié)電位計來控制航天器的發(fā)動機油門，以便航天器在燃料耗盡之前著陸。
圖左是以教科書形式模擬登月器飛行的微分方程;圖右是將微分方程順利獲得THAT給予的積分器和比較器等元件進(jìn)行編碼，圓圈內(nèi)的數(shù)字指的是用于設(shè)置參數(shù)值的電位計。
用示波器，燃料和高度讀數(shù)顯示為兩條水平線，使得游戲的視覺效果顯得十分匱乏。同時還缺少登月游戲的一個關(guān)鍵因素，即確定航天器著陸時的速度：是優(yōu)雅地著陸，還是撞擊出一個新的坑。但這些問題可順利獲得數(shù)字方式解決。
我找到了一個Arduino Uno和一個小型液晶觸摸屏，作為我的數(shù)字計算機和圖形顯示器。雖然通常Arduino Uno的液晶屏差不多使用了顯示器的所有引腳，但仍有兩個模擬輸入可用于讀取表示高度和燃料的電壓。
這確實需要犧牲一些精度。在THAT內(nèi)部，使用-10到+10伏范圍來表示數(shù)量。該范圍無法適用于大多數(shù)微控制器板中內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此，THAT會將范圍壓縮并移動混合端口，這里的電壓在0伏和3.3伏之間變化。Arduino Uno的運行電壓為5伏，讀取精度為10位，因此，高度和燃料最后可近似為337到675之間的數(shù)字。這是可以接受的，因為我的液晶屏最多只有320個垂直像素來顯示航天器在月球表面的位置。
我制作了一個Arduino原型板，它帶有液晶屏接口和一條連接到THAT混合端口的帶狀電纜?？梢皂樌@得混合端口對THAT進(jìn)行一些主動控制，例如命令其恢復(fù)初始條件并求解方程。但是現(xiàn)只有兩個模擬輸入到液晶屏，于是我將Arduino用作完全被動的顯示器。
我編寫了一個程序，用經(jīng)典的矢量風(fēng)格顯示月球表面和玩家的航天器。燃料顯示為一個逐漸減少的水平條。順利獲得每秒對航天器采樣10次并用高度變化除以每次測量的時間間隔，來計算和顯示速度。當(dāng)高度為零時檢查速度，并告訴玩家航天器是安全著陸，還是在撞擊中破損或毀壞。然后，程序會等待THAT復(fù)位，然后再次嘗試。
讓我有些驚訝的是，這個混合裝置運行得很順利。航天器在顯示屏上的升降遵循THAT內(nèi)的跳線編碼的物理定律，它的生死取決于我的油門控制技巧。THAT作為一種幾乎如今所有工程師都感到很陌生的計算形式簡介，可以成為一個如你所愿、設(shè)計良好的入門工具?，F(xiàn)在，是時候放下克利切格的教科書，開始探索我自己的物理模型了！
作者：Stephen Cass
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