模数转换手工实验

陈凯

在信息技术课程中，为了介绍将模拟信号转换为数字信号的原理，教师可能会找一些软件或单片机来演示将模拟信号转换为数字信号的过程。不过，无论是软件还是单片机演示，模数转换过程中的具体细节却仍然隐藏在幕后，实践和理论略有脱节的嫌疑。本文将介绍两个比较特别的小实验，由学习者亲自动脑动手搭建设备来实现模数转换的每一步骤，从而对模数转换的基本原理有更加直观的了解。

● 木杆推球——机械模数转换“原型机”

机械模数转换机的作用，是将一段在空间上连续的波形，按相等的间隔采样，获得一连串该波强度的离散的数字值。之所以称为“原型机”，是因为考虑到有限的时间、场地及材料，较难做到全员体验整个手工DIY的过程，因此机械制作及设备运行过程是利用物理沙盒软件Algodoo（也称作Phun）来实现的。图1为机械模数转换“原型机”细部。

“原型机”的原理很简单，由一系列可以左右划动的长木杆来推动原本放置在槽中的小球，槽和木杆越密集则采样也就越为精细。“原型机”完成后，可以用一块表面不平（为了呈现出波形）的橡皮（橡皮材质是为增加摩擦力）来测试“原型机”的运行效果。运行结束后，槽中留下的球的数量就指示了该处波的强度。图2为机械模数转换“原型机”的运行过程。

Algodoo真实还原了物理世界中各个物体之间的交互及状态变化过程，所以说，只要有充足的时间，也可以将此设计用真正的材料搭建出来。只要真正动手做一下，就能体验到，在实际制作过程中会遭遇多个意想不到的困难和意外。例如，如何尽量使长杆保持水平而不被卡住？如何克服因小球相互碰撞以及惯性作用而造成的精度上的误差？等等。

● 撞球和翘翘板——采样数值编码器

上面的木杆推球设备所获得的波的强度是十进制值（其实就是球的个数）。如何将十进制数转换为二进制数呢？下面的这个装置借助Algodoo中的“Hinge”工具来做成翘翘板（如图3）。第一个球掉落时，会将翘翘板砸成左高右低的状态，记为“1”。当第二个球掉落时，先将上面的翘翘板砸成左低右高，记为“0”，再将下面的翘翘板砸成左高右低，记为“1”，由下往上连着读就是“10”。第三个球掉落后两个翘翘板的状态都是左高右低，由下往上连着读就是“11”。以此类推，在恰当位置放置足够多的翘翘板，就能将球的数量转换成二进制数值，所以可以把这个小设备当作二进制编码器来使用。

Algodoo软件可以在www.algodoo.com网站免费下载到，大家不妨亲自动手一试。