怎樣動手“造”一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置

陳凱

信息技術(shù)教學(xué)中，在信息數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)信息傳輸兩部分，會涉及到模數(shù)轉(zhuǎn)換的問題，如何在教學(xué)中將模數(shù)轉(zhuǎn)換概念以直觀的形象展現(xiàn)出來，是值得探索的問題。本文列舉了一些簡單有趣的案例，重點(diǎn)在于教具的設(shè)計(jì)和使用，并簡單介紹圍繞這些教具所實(shí)施的教學(xué)活動的設(shè)計(jì)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置可以由教師制作，也可以作為學(xué)生項(xiàng)目活動的實(shí)施目標(biāo)。

自動記錄模擬信號，手動轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的簡單機(jī)械裝置

日常生活中絕大多數(shù)物理量的變化都是連續(xù)的，雖然許多電子產(chǎn)品能夠?qū)⑦@些連續(xù)的變化記錄下來，但記錄的過程卻不是直接呈現(xiàn)在用戶面前的。相對于電磁波、聲波等信號，機(jī)械振動的波形更容易被捕捉下來。圖1所示的瓦楞紙盒子其實(shí)是一個(gè)機(jī)械振動記錄器，紙盒子中有一支用橡皮筋和泡沫塑料懸空固定的記號筆，紙盒子上開了一對卡槽，使得紙帶能夠在卡槽中通過。記錄信號時(shí)，先開動一個(gè)勻速的電機(jī)拖曳紙帶，當(dāng)橡皮筋帶動記號筆產(chǎn)生振動時(shí)，就能夠在紙帶上留下機(jī)械振動的數(shù)據(jù)。這個(gè)看上去簡陋但運(yùn)行效果卻并不差的小裝置是由上海位育中學(xué)的王卿老師設(shè)計(jì)的。

如圖2所示，上海南洋模范中學(xué)的學(xué)生們設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的裝置，他們在鐵架上掛上一個(gè)“風(fēng)帆”，“風(fēng)帆”下部固定一支毛筆，毛筆與紙面接觸，當(dāng)“風(fēng)帆”來回晃動時(shí)，產(chǎn)生的波形就被記錄到勻速拖曳的紙帶上。選用毛筆的原因，是可以省去把紙張卷成弧形的麻煩。南洋模范中學(xué)的方瑋聰老師針對這個(gè)裝置設(shè)計(jì)了頗有趣味性的比賽作為教學(xué)內(nèi)容：規(guī)定時(shí)間內(nèi)兩人面對面對著“風(fēng)帆”吹氣，然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)處于正負(fù)區(qū)間的多少，判別哪一方的吹氣技巧更高，如圖3所示。然而，為了使得數(shù)據(jù)被公正地記錄下來，就必須對信號進(jìn)行采樣，將連續(xù)的信號變成離散的信號。這個(gè)過程是由學(xué)生們手工加以實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)學(xué)課上，學(xué)生學(xué)習(xí)過怎樣利用細(xì)密的方格子，將不同的點(diǎn)平滑連接起來繪制成函數(shù)圖像；而在信息技術(shù)課上，所做的事情恰好相反，學(xué)生要利用方格子，把平滑連續(xù)的線條變成一個(gè)一個(gè)獨(dú)立分割的點(diǎn)，這就對應(yīng)著信息數(shù)字化概念中采樣和量化的問題。

自動記錄模擬信號，自動轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的簡單機(jī)電裝置

雖然理論上可以設(shè)計(jì)一個(gè)純粹的機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的模擬信號的數(shù)字化過程，但實(shí)際制作起來太過麻煩了（筆者試過但因效果不好還是放棄了）。不過，利用電子電路實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，卻要方便很多。許多傳感器所接收到的信號變化都是連續(xù)的模擬量，比如光敏電阻接收到的光照量的變化、熱敏電阻接收到的溫度變化、咪頭接收到的聲波的變化等，都是連續(xù)變化的模擬信號，也可以用電位器或滑動變阻器，采集到由人工輸入的連續(xù)變化信號，如圖4所示。

傳感器接收到的信號變化可以經(jīng)三極管放大后，用電機(jī)來進(jìn)行輸出。電路的原理和實(shí)現(xiàn)非常簡單，當(dāng)光敏電阻接收到比較強(qiáng)的光照時(shí)（用燈光照射光敏電阻），電阻值減少，則圖示電路圖中的三極管基極電壓降低，電機(jī)減速；當(dāng)光敏電阻接收到比較少的光照時(shí)（用手擋住光照），電阻值增加，則三極管基極電壓升高，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)加速。這種連續(xù)的物理量的變化可以直觀地用轉(zhuǎn)圈玩具表現(xiàn)出來，把手擋住光則玩具轉(zhuǎn)圈變快，手移開則玩具轉(zhuǎn)圈變慢。如果要想將這個(gè)連續(xù)變化的物理量記錄下來，最簡單的方法是借助一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，記錄下來的物理量變化并不是在幅度上產(chǎn)生變化，而是在頻率上產(chǎn)生變化，如圖5所示。波形類似于調(diào)頻收音信號的波形，相對于記錄幅度變化要容易許多。

如何將人工輸入的連續(xù)變化信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號呢？方法很多，比較簡單的是使用電壓比較器，其圖示符號為，如圖6所示，電壓比較器有“+”和“-”兩個(gè)輸入端，當(dāng)輸入端“+”的電壓大于輸入端“-”的電壓時(shí)，電壓比較器輸出為高電平，則LED被點(diǎn)亮，否則輸出低電平，LED變暗。本電路圖中，“-”端電壓都是5V，而“+”端電壓前者是4V，后者是6V，則前者LED暗，后者LED被點(diǎn)亮。

基于這樣的原理，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的模擬信號—數(shù)字信號轉(zhuǎn)換電路。例如，使用四個(gè)電壓比較器，用不同數(shù)量的整流二極管（分別是0個(gè)、2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)）來產(chǎn)生不同的電壓，當(dāng)用戶改變電位器（也可以使用光敏電阻）的輸入，就能使得輸入“+”端的電壓分別與四個(gè)電壓比較器的“-”端電壓同時(shí)進(jìn)行比較，從而決定電壓比較器的輸出值，這樣就將連續(xù)的輸入信號轉(zhuǎn)換成為離散的信號。這里的離散信號為原始的累積進(jìn)位制（unary numeral system）數(shù)據(jù)。若要再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，只需要再級聯(lián)一個(gè)二進(jìn)制編碼電路即可，往期連載文章中有過介紹，限于篇幅這里就不展開討論了。

實(shí)際電路可以采用LM393電壓比較器芯片來實(shí)現(xiàn)電壓的比較。一個(gè)LM393芯片內(nèi)含兩個(gè)電壓比較器，輸出端分別連到兩個(gè)LED，也就是說，只使用一個(gè)LM393芯片，就可以將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成0、1、2三檔刻度的離散信號，當(dāng)所有LED都不亮?xí)r為數(shù)據(jù)0，一個(gè)LED亮?xí)r為數(shù)據(jù)1，兩個(gè)LED亮?xí)r為數(shù)據(jù)2；如果在電路中使用兩個(gè)LM393芯片和四個(gè)LED，就可以實(shí)現(xiàn)五檔刻度的輸出，原理是相同的，只是要連入更多電線而已。實(shí)際電路如第20頁圖7所示。

大家如有興趣，并且手頭有相應(yīng)的器材，就可以真正搭建出這個(gè)模擬信號—數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換電路了。搭建電路時(shí)有幾個(gè)需要注意的地方：其一，為了系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，LM393芯片的工作電壓要高于用于電壓比較的信號輸入電壓，筆者使用5V電壓作為LM393的工作電壓，3V電壓作為輸入電壓；其二，LM393芯片內(nèi)部電路是集電極開路輸出的，所以其輸出端要連一個(gè)電阻到高電平。

可見，為了完整實(shí)現(xiàn)一個(gè)能將連續(xù)的物理量轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字信號的裝置，需要涉及到物理學(xué)、數(shù)學(xué)、通用技術(shù)等不同學(xué)科的多種知識和技能。筆者特意查證了一下，這些知識和技能，其實(shí)在高中的各門學(xué)科中都有具體落實(shí)之處，所以在寫作此篇文章時(shí)，頗有諸多學(xué)科知識技能皆服務(wù)于我的得意之感，但再作細(xì)想，這也不正體現(xiàn)出信息技術(shù)學(xué)科自身高度的綜合性和實(shí)踐性嗎？