陳凱

在信息技術(shù)課程中，為了介紹將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的原理，教師可能會(huì)找一些軟件或單片機(jī)來(lái)演示將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。不過(guò)，無(wú)論是軟件還是單片機(jī)演示，模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)卻仍然隱藏在幕后，實(shí)踐和理論略有脫節(jié)的嫌疑。本文將介紹兩個(gè)比較特別的小實(shí)驗(yàn)，由學(xué)習(xí)者親自動(dòng)腦動(dòng)手搭建設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的每一步驟，從而對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理有更加直觀的了解。

● 木桿推球——機(jī)械模數(shù)轉(zhuǎn)換“原型機(jī)”

機(jī)械模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)的作用，是將一段在空間上連續(xù)的波形，按相等的間隔采樣，獲得一連串該波強(qiáng)度的離散的數(shù)字值。之所以稱(chēng)為“原型機(jī)”，是因?yàn)榭紤]到有限的時(shí)間、場(chǎng)地及材料，較難做到全員體驗(yàn)整個(gè)手工DIY的過(guò)程，因此機(jī)械制作及設(shè)備運(yùn)行過(guò)程是利用物理沙盒軟件Algodoo（也稱(chēng)作Phun）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖1為機(jī)械模數(shù)轉(zhuǎn)換“原型機(jī)”細(xì)部。

“原型機(jī)”的原理很簡(jiǎn)單，由一系列可以左右劃動(dòng)的長(zhǎng)木桿來(lái)推動(dòng)原本放置在槽中的小球，槽和木桿越密集則采樣也就越為精細(xì)?！霸蜋C(jī)”完成后，可以用一塊表面不平（為了呈現(xiàn)出波形）的橡皮（橡皮材質(zhì)是為增加摩擦力）來(lái)測(cè)試“原型機(jī)”的運(yùn)行效果。運(yùn)行結(jié)束后，槽中留下的球的數(shù)量就指示了該處波的強(qiáng)度。圖2為機(jī)械模數(shù)轉(zhuǎn)換“原型機(jī)”的運(yùn)行過(guò)程。

Algodoo真實(shí)還原了物理世界中各個(gè)物體之間的交互及狀態(tài)變化過(guò)程，所以說(shuō)，只要有充足的時(shí)間，也可以將此設(shè)計(jì)用真正的材料搭建出來(lái)。只要真正動(dòng)手做一下，就能體驗(yàn)到，在實(shí)際制作過(guò)程中會(huì)遭遇多個(gè)意想不到的困難和意外。例如，如何盡量使長(zhǎng)桿保持水平而不被卡??？如何克服因小球相互碰撞以及慣性作用而造成的精度上的誤差？等等。

● 撞球和翹翹板——采樣數(shù)值編碼器

上面的木桿推球設(shè)備所獲得的波的強(qiáng)度是十進(jìn)制值（其實(shí)就是球的個(gè)數(shù)）。如何將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)呢？下面的這個(gè)裝置借助Algodoo中的“Hinge”工具來(lái)做成翹翹板（如圖3）。第一個(gè)球掉落時(shí)，會(huì)將翹翹板砸成左高右低的狀態(tài)，記為“1”。當(dāng)?shù)诙€(gè)球掉落時(shí)，先將上面的翹翹板砸成左低右高，記為“0”，再將下面的翹翹板砸成左高右低，記為“1”，由下往上連著讀就是“10”。第三個(gè)球掉落后兩個(gè)翹翹板的狀態(tài)都是左高右低，由下往上連著讀就是“11”。以此類(lèi)推，在恰當(dāng)位置放置足夠多的翹翹板，就能將球的數(shù)量轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)值，所以可以把這個(gè)小設(shè)備當(dāng)作二進(jìn)制編碼器來(lái)使用。

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