全新的模拟计算机：用模拟计算机THAT超越数字计算机

工程师连接电位计和运算放大器，建立棘手的微分方程式，读取不同的输出电压，作为其解。但后来数字计算机取得了完全的成功，模拟计算像无线电检波器、机械电视和穿孔卡片一样几乎完全被淘汰。

被淘汰的技术也会再度流行，像黑胶唱片、荧光数字管和飞艇等一样，也有拥护者在努力使模拟计算机复兴。数字部分可提供易用性，而模拟部分则可为现实世界的许多不同类型问题提供节能解决方案。

就像美国国家航空航天局的阿波罗模拟器一样，模拟计算机可以处理登月的物理过程，而数字计算机则可显示数据。

这篇文章发表时，我觉得它虽然提出了一些令人信服的观点，但作为一名随性的实验者，我并没有真正入门模拟计算。2023年，情况发生了变化，我发现初创公司Anabrid推出了一款售价513美元的全新模拟机器THAT。

Anabrid的主要工作是开发模数混合芯片，这种芯片由奇维迪斯首创。THAT是“The Analog Thing”（模拟物）的缩写，旨在提高人们对现代模拟计算可能性的认识。它是一款小型开源机器，主要由分立的运算放大器集成电路组成。

THAT比以往的工业级机器小，只有8个设置参数的电位计和5个积分器，以及一些配套的加法器、逆变器、比较器等。但THAT并不是一个简单的小玩具。需要更大的处理能力时，可以将多个THAT链接起来，并且THAT可以提供混合连接端口，以便与数字计算机连接。

像在广告中的模拟计算机一样，THAT通过用短跳线连接执行数学函数的元件实现编程。我们需要采用自己的方式来显示THAT的输出电压，对我来说，只适合连接一个旧的模拟示波器，那是我不久前从我哥哥那里借来的。

模拟计算机THAT(左)有连接各种数学运算组件(例如积分器)的插孔。我使用了液晶屏(右上)、原型板接口(右中)和Arduino Uno(右下)来显示其输出。

该试试计算了。我刚刚拿出埃尔文•克利切格（Erwin Kreyszig）的《高等工程数学》，打算仔细学习微分方程，就很高兴地发现，THAT附赠的手册中有很多示例和跳线连接图。我转动电位计来调整参数，观察其演变，很快就看到羊角螺线和模拟神经尖峰开始发出荧光。

不过，我想对混合方法进行测试。在Anabrid演示程序的基础上构建一个登月游戏是自然而然的选择：从月球表面一架携带有限燃料的航天器开始，该航天器受到月球引力的控制。玩家要调节电位计来控制航天器的发动机油门，以便航天器在燃料耗尽之前着陆。

图左是以教科书形式模拟登月器飞行的微分方程;图右是将微分方程通过THAT提供的积分器和比较器等元件进行编码，圆圈内的数字指的是用于设置参数值的电位计。

用示波器，燃料和高度读数显示为两条水平线，使得游戏的视觉效果显得十分匮乏。同时还缺少登月游戏的一个关键因素，即确定航天器着陆时的速度：是优雅地着陆，还是撞击出一个新的坑。但这些问题可通过数字方式解决。

我找到了一个Arduino Uno和一个小型液晶触摸屏，作为我的数字计算机和图形显示器。虽然通常Arduino Uno的液晶屏差不多使用了显示器的所有引脚，但仍有两个模拟输入可用于读取表示高度和燃料的电压。

这确实需要牺牲一些精度。在THAT内部，使用-10到+10伏范围来表示数量。该范围无法适用于大多数微控制器板中内置的模数转换器，因此，THAT会将范围压缩并移动混合端口，这里的电压在0伏和3.3伏之间变化。Arduino Uno的运行电压为5伏，读取精度为10位，因此，高度和燃料最后可近似为337到675之间的数字。这是可以接受的，因为我的液晶屏最多只有320个垂直像素来显示航天器在月球表面的位置。

我制作了一个Arduino原型板，它带有液晶屏接口和一条连接到THAT混合端口的带状电缆。可以通过混合端口对THAT进行一些主动控制，例如命令其恢复初始条件并求解方程。但是现只有两个模拟输入到液晶屏，于是我将Arduino用作完全被动的显示器。

我编写了一个程序，用经典的矢量风格显示月球表面和玩家的航天器。燃料显示为一个逐渐减少的水平条。通过每秒对航天器采样10次并用高度变化除以每次测量的时间间隔，来计算和显示速度。当高度为零时检查速度，并告诉玩家航天器是安全着陆，还是在撞击中破损或毁坏。然后，程序会等待THAT复位，然后再次尝试。

让我有些惊讶的是，这个混合装置运行得很顺利。航天器在显示屏上的升降遵循THAT内的跳线编码的物理定律，它的生死取决于我的油门控制技巧。THAT作为一种几乎如今所有工程师都感到很陌生的计算形式简介，可以成为一个如你所愿、设计良好的入门工具。现在，是时候放下克利切格的教科书，开始探索我自己的物理模型了！

作者：Stephen Cass