一架小型赤道仪的评测与改造

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一架小型赤道仪的评测与改造

应该说，这几年业余天文器材市场比以前有了很大进步，产品种类丰富了许多，但总体而言，质量水平一般，尤其是光机电一体化的器材少而又少。

另一方面，对于天文爱好者来说，自己最难解决的恐怕还是机械加工制造问题。但是电子技术的发展和电子产品价格的下降使得我们有可能以相对低廉的成本用电子技术弥补机械装置精度和功能的不足，这也许是今天业余天文爱好者们应该重视的方向。

近两年来，我使用的一直是一架小赤道仪，这是随着8厘米折射镜一起购买的。同好会的老陈为它加装了赤经轴驱动电机，我制作了一台简单的变频调速器，以便进行跟踪摄影。同好会的许多成员也都使用同样的赤道仪，并且拍摄了不少精彩的照片。

小赤道仪比较轻便，我曾经带着它在漠河拍摄了日全食和海尔-波普彗星。这一年来也一直用它架着8厘米折射镜拍摄太阳黑子。

对于8厘米望远镜而言，这架赤道仪略显单薄。随着使用次数的增加，赤经赤纬轴均出现了锁紧不牢的情况，尤其是使用望远镜作放大摄影时，由于力矩较大，经常发生滑动现象。
因此，年初我到北京天文馆购买了一架小型赤道仪，外加配套的驱动电机。

初步印象

第一眼看去，这架新赤道仪的金属烤漆机身和铝合金三脚架比以前的要漂亮许多。但是作为天文爱好者，我最关心的还是它的性能。

这架赤道仪有详细的极轴仰角刻度，并且有定位螺栓，微调仰角比较方便；极轴的方位角由底座下的螺丝固定，但由于一个接触面是塑料，锁紧效果不佳，稍微用力便可能转动，在观测时需要小心。

赤经赤纬轴均使用蜗轮蜗杆副做微动。赤经轴蜗轮为144牙，正常跟踪时蜗杆转速1/10转/分钟。配套的驱动器是很普通的小同步电机加齿轮，再带动蜗杆。不过毕竟比自己制作省事多了,其离合机构使用非常方便。

赤道仪的赤经赤纬轴装配精度较差，转动时手感涩重。将蜗杆模块卸下重新安装，调节蜗轮蜗杆间距和蜗杆轴承螺母，阻力减小甚多，转动十分平滑。

为了检验赤道仪的精度，3月11日晚用赤道仪架设大观望远镜跟踪观测天狼星。在阳台上大致调了一下极轴，使用市电驱动电机，用带十字叉丝的导星目镜观察星象的移动情况。真是“不看不知道，一看下一跳”！在约一个小时的时间内，星象在赤纬方向保持得较好，而在赤经方向则有明显的摆动，周期10分钟，幅度高达20角分。显然是由于蜗轮蜗杆每一齿的加工精度太差。

失望之中却又无可奈何，这恐怕就是目前这一价位赤道仪的现实水平。虽然手动工作完全没有问题，但要想在电动条件下进行跟踪摄影或者高倍目视观测的话，按照以上的跟踪精度，不配备变频调速器是不行的。即便进行变频调速，由于跟踪速率差异变化大，能否有足够的反应速度还是个未知数。

仔细测量

为了定量测量赤道仪的跟踪误差，首先要制作一个分划板。在此前我曾经用透明胶片制作过导星目镜的叉丝。方法是：先在计算机中编辑好所需的叉丝图形，选择最细的线宽，用激光打印机打印在透明投影胶片上。一张胶片上可以打印各种图形，供使用时选择。再用双面胶带将胶片固定在目镜的前焦平面上便完成了。如下图所示。

reticle.gif (2082 bytes)

此次所用的分划板见右图。相邻竖线之间为0.2毫米，安装在12.5毫米目镜的前焦面上。使用大观望远镜，物镜焦距600毫米，对应的角度间隔为1.25角分。

5月18日晚，虽有一轮满月，半天薄云，在我的阳台上还是很容易看到几颗亮星。将赤道仪架设完毕，调节基座水平和极轴仰角；将望远镜对准明亮的大角，调整星像至视场中部。调节目镜，使得赤经方向与分划板竖线垂直。使用市电直接驱动同步电机。观察并记录星像通过每一根分划线的时刻。测量结果见下图：　

deviation.gif (3846 bytes)

从上图可以看出，赤道仪的跟踪存在大幅误差，周期为10分钟，幅度约20角分。匀速驱动时极轴的转动时快时慢，所幸的是快和慢的速度还算比较均匀。从曲线的斜率可以推算出偏差的速率约为正常跟踪速率的20-30%，即变频调速器应有+/-30%的频率调节范围。从这点上看，这架赤道仪可说是“先天不足”了。

变频调速器

由于这架赤道仪所需要的变频驱动范围达到35-65Hz，原有的变频驱动器由于输出信号中的高次谐波较多，在低频端驱动效率严重降低，因此必须重新设计。新的变频电路原理如下图：

driver_block.gif (5074 bytes)

电源模块为整个电路提供10V直流电压，保证输出频率的稳定。频率基准由32KHz的晶体振荡器提供。振荡器使用电子表的专用晶体，制作简单，频率稳定，而且很容易经多次分频得到秒信号，可供将来使用。

32KHz信号经8比特可预置分频器和一个4分频级后便可以得到35-65Hz的方波信号输出。方波的频率由分频比决定。在电路板上有一个8位拨码开关用来设置基准的50Hz频率。当按下“标准”按键时，这个预置的8位二进制数被输入分频器中，电路输出50Hz信号。当按下“快”、“慢”按键时，分频数分别减少和增加一档，输出频率相应变化。

由于频率控制由数字电路完成，不仅可以保持精度，而且非常容易增加新的功能。

方波信号经过有源低通滤波器将高次谐波过滤掉，保留正弦基波，经过一个电位器馈入功率放大级。

本电路采用了PHILIP公司的单片BTL功率放大集成电路，可以有效地利用电源电压。芯片工作所需的外围元件极少，制作非常方便。功率放大级的输出经变压器升压后驱动同步电机。

详细的电路图（pdf文件，25KB）。

乏善可陈

变频电路制作完成后于6月17日晚上进行试验，用望远镜观察月亮环形山。变频器工作比较正常，电机在低频（约37Hz）下能够可靠启动。可用的变频范围为37-65Hz，超出这个区域电机无法转动。

进行实际跟踪时必须时时调整电机转速，即便如此，在很多时刻赤道仪的转速会发生突然的变化，使人措手不及，而且转速偏差会偶尔超出补偿范围，如果此时正在进行跟踪摄影的话，照片作废无疑。

经过了这几次试验，这架赤道仪的质量实在令人不敢恭维。除了承重能力稍好以外，其他各方面都逊于我以前使用的那架小赤道仪。由于其跟踪速度极不稳定，无论是短时间（数秒）放大摄影还是长时间深空天体摄影都无法使用电动跟踪方式。进一步的改进只能着眼于其他方面了。

跟踪摄影

这架赤道仪的机械结构还是比较牢固的。7月份北京同好会外出观测1999S4彗星，为了减轻重量未带平衡锤。在赤纬轴的一端固定了一块厚铝板，上面安装了大观望远镜，球形云台和相机。实验表明无论相机是指向天赤道方向还是北极方向，赤道仪都能可靠锁紧和平滑转动。



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	一架小型赤道仪的评测与改造应该说，这几年业余天文器材市场比以前有了很大进步，产品种类丰富了许多，但总体而言，质量水平一般，尤其是光机电一体化的器材少而又少。另一方面，对于天文爱好者来说，自己最难解决的恐怕还是机械加工制造问题。但是电子技术的发展和电子产品价格的下降使得我们有可能以相对低廉的成本用电子技术弥补机械装置精度和功能的不足，这也许是今天业余天文爱好者们应该重视的方向。近两年来，我使用的一直是一架小赤道仪，这是随着8厘米折射镜一起购买的。同好会的老陈为它加装了赤经轴驱动电机，我制作了一台简单的变频调速器，以便进行跟踪摄影。同好会的许多成员也都使用同样的赤道仪，并且拍摄了不少精彩的照片。小赤道仪比较轻便，我曾经带着它在漠河拍摄了日全食和海尔-波普彗星。这一年来也一直用它架着8厘米折射镜拍摄太阳黑子。对于8厘米望远镜而言，这架赤道仪略显单薄。随着使用次数的增加，赤经赤纬轴均出现了锁紧不牢的情况，尤其是使用望远镜作放大摄影时，由于力矩较大，经常发生滑动现象。因此，年初我到北京天文馆购买了一架小型赤道仪，外加配套的驱动电机。初步印象第一眼看去，这架新赤道仪的金属烤漆机身和铝合金三脚架比以前的要漂亮许多。但是作为天文爱好者，我最关心的还是它的性能。这架赤道仪有详细的极轴仰角刻度，并且有定位螺栓，微调仰角比较方便；极轴的方位角由底座下的螺丝固定，但由于一个接触面是塑料，锁紧效果不佳，稍微用力便可能转动，在观测时需要小心。赤经赤纬轴均使用蜗轮蜗杆副做微动。赤经轴蜗轮为144牙，正常跟踪时蜗杆转速1/10转/分钟。配套的驱动器是很普通的小同步电机加齿轮，再带动蜗杆。不过毕竟比自己制作省事多了,其离合机构使用非常方便。赤道仪的赤经赤纬轴装配精度较差，转动时手感涩重。将蜗杆模块卸下重新安装，调节蜗轮蜗杆间距和蜗杆轴承螺母，阻力减小甚多，转动十分平滑。为了检验赤道仪的精度，3月11日晚用赤道仪架设大观望远镜跟踪观测天狼星。在阳台上大致调了一下极轴，使用市电驱动电机，用带十字叉丝的导星目镜观察星象的移动情况。真是“不看不知道，一看下一跳”！在约一个小时的时间内，星象在赤纬方向保持得较好，而在赤经方向则有明显的摆动，周期10分钟，幅度高达20角分。显然是由于蜗轮蜗杆每一齿的加工精度太差。失望之中却又无可奈何，这恐怕就是目前这一价位赤道仪的现实水平。虽然手动工作完全没有问题，但要想在电动条件下进行跟踪摄影或者高倍目视观测的话，按照以上的跟踪精度，不配备变频调速器是不行的。即便进行变频调速，由于跟踪速率差异变化大，能否有足够的反应速度还是个未知数。仔细测量为了定量测量赤道仪的跟踪误差，首先要制作一个分划板。在此前我曾经用透明胶片制作过导星目镜的叉丝。方法是：先在计算机中编辑好所需的叉丝图形，选择最细的线宽，用激光打印机打印在透明投影胶片上。一张胶片上可以打印各种图形，供使用时选择。再用双面胶带将胶片固定在目镜的前焦平面上便完成了。如下图所示。此次所用的分划板见右图。相邻竖线之间为0.2毫米，安装在12.5毫米目镜的前焦面上。使用大观望远镜，物镜焦距600毫米，对应的角度间隔为1.25角分。　 5月18日晚，虽有一轮满月，半天薄云，在我的阳台上还是很容易看到几颗亮星。将赤道仪架设完毕，调节基座水平和极轴仰角；将望远镜对准明亮的大角，调整星像至视场中部。调节目镜，使得赤经方向与分划板竖线垂直。使用市电直接驱动同步电机。观察并记录星像通过每一根分划线的时刻。测量结果见下图：　　从上图可以看出，赤道仪的跟踪存在大幅误差，周期为10分钟，幅度约20角分。匀速驱动时极轴的转动时快时慢，所幸的是快和慢的速度还算比较均匀。从曲线的斜率可以推算出偏差的速率约为正常跟踪速率的20-30%，即变频调速器应有+/-30%的频率调节范围。从这点上看，这架赤道仪可说是“先天不足”了。变频调速器由于这架赤道仪所需要的变频驱动范围达到35-65Hz，原有的变频驱动器由于输出信号中的高次谐波较多，在低频端驱动效率严重降低，因此必须重新设计。新的变频电路原理如下图：电源模块为整个电路提供10V直流电压，保证输出频率的稳定。频率基准由32KHz的晶体振荡器提供。振荡器使用电子表的专用晶体，制作简单，频率稳定，而且很容易经多次分频得到秒信号，可供将来使用。 32KHz信号经8比特可预置分频器和一个4分频级后便可以得到35-65Hz的方波信号输出。方波的频率由分频比决定。在电路板上有一个8位拨码开关用来设置基准的50Hz频率。当按下“标准”按键时，这个预置的8位二进制数被输入分频器中，电路输出50Hz信号。当按下“快”、“慢”按键时，分频数分别减少和增加一档，输出频率相应变化。由于频率控制由数字电路完成，不仅可以保持精度，而且非常容易增加新的功能。方波信号经过有源低通滤波器将高次谐波过滤掉，保留正弦基波，经过一个电位器馈入功率放大级。本电路采用了PHILIP公司的单片BTL功率放大集成电路，可以有效地利用电源电压。芯片工作所需的外围元件极少，制作非常方便。功率放大级的输出经变压器升压后驱动同步电机。详细的电路图（pdf文件，25KB）。乏善可陈变频电路制作完成后于6月17日晚上进行试验，用望远镜观察月亮环形山。变频器工作比较正常，电机在低频（约37Hz）下能够可靠启动。可用的变频范围为37-65Hz，超出这个区域电机无法转动。进行实际跟踪时必须时时调整电机转速，即便如此，在很多时刻赤道仪的转速会发生突然的变化，使人措手不及，而且转速偏差会偶尔超出补偿范围，如果此时正在进行跟踪摄影的话，照片作废无疑。经过了这几次试验，这架赤道仪的质量实在令人不敢恭维。除了承重能力稍好以外，其他各方面都逊于我以前使用的那架小赤道仪。由于其跟踪速度极不稳定，无论是短时间（数秒）放大摄影还是长时间深空天体摄影都无法使用电动跟踪方式。进一步的改进只能着眼于其他方面了。跟踪摄影这架赤道仪的机械结构还是比较牢固的。7月份北京同好会外出观测1999S4彗星，为了减轻重量未带平衡锤。在赤纬轴的一端固定了一块厚铝板，上面安装了大观望远镜，球形云台和相机。实验表明无论相机是指向天赤道方向还是北极方向，赤道仪都能可靠锁紧和平滑转动。