陈凯
信息技术教学中，在信息数字化及网络信息传输两部分，会涉及到模数转换的问题，如何在教学中将模数转换概念以直观的形象展现出来，是值得探索的问题。本文列举了一些简单有趣的案例，重点在于教具的设计和使用，并简单介绍围绕这些教具所实施的教学活动的设计。相关实验装置可以由教师制作，也可以作为学生项目活动的实施目标。 自动记录模拟信号，手动转换为数字信号的简单机械装置
日常生活中绝大多数物理量的变化都是连续的，虽然许多电子产品能够将这些连续的变化记录下来，但记录的过程却不是直接呈现在用户面前的。相对于电磁波、声波等信号，机械振动的波形更容易被捕捉下来。图1所示的瓦楞纸盒子其实是一个机械振动记录器，纸盒子中有一支用橡皮筋和泡沫塑料悬空固定的记号笔，纸盒子上开了一对卡槽，使得纸带能够在卡槽中通过。记录信号时，先开动一个匀速的电机拖曳纸带，当橡皮筋带动记号笔产生振动时，就能够在纸带上留下机械振动的数据。这个看上去简陋但运行效果却并不差的小装置是由上海位育中学的王卿老师设计的。
如图2所示，上海南洋模范中学的学生们设计了一个简单的装置，他们在铁架上挂上一个“风帆”，“风帆”下部固定一支毛笔，毛笔与纸面接触，当“风帆”来回晃动时，产生的波形就被记录到匀速拖曳的纸带上。选用毛笔的原因，是可以省去把纸张卷成弧形的麻烦。南洋模范中学的方玮聪老师针对这个装置设计了颇有趣味性的比赛作为教学内容：规定时间内两人面对面对着“风帆”吹气，然后根据记录的数据处于正负区间的多少，判别哪一方的吹气技巧更高，如图3所示。然而，为了使得数据被公正地记录下来，就必须对信号进行采样，将连续的信号变成离散的信号。这个过程是由学生们手工加以实现的。在数学课上，学生学习过怎样利用细密的方格子，将不同的点平滑连接起来绘制成函数图像；而在信息技术课上，所做的事情恰好相反，学生要利用方格子，把平滑连续的线条变成一个一个独立分割的点，这就对应着信息数字化概念中采样和量化的问题。 自动记录模拟信号，自动转换为数字信号的简单机电装置
虽然理论上可以设计一个纯粹的机械设备，实现连续的模拟信号的数字化过程，但实际制作起来太过麻烦了（笔者试过但因效果不好还是放弃了）。不过，利用电子电路实现模拟信号到数字信号的转化，却要方便很多。许多传感器所接收到的信号变化都是连续的模拟量，比如光敏电阻接收到的光照量的变化、热敏电阻接收到的温度变化、咪头接收到的声波的变化等，都是连续变化的模拟信号，也可以用电位器或滑动变阻器，采集到由人工输入的连续变化信号，如图4所示。
傳感器接收到的信号变化可以经三极管放大后，用电机来进行输出。电路的原理和实现非常简单，当光敏电阻接收到比较强的光照时（用灯光照射光敏电阻），电阻值减少，则图示电路图中的三极管基极电压降低，电机减速；当光敏电阻接收到比较少的光照时（用手挡住光照），电阻值增加，则三极管基极电压升高，电机运转加速。这种连续的物理量的变化可以直观地用转圈玩具表现出来，把手挡住光则玩具转圈变快，手移开则玩具转圈变慢。如果要想将这个连续变化的物理量记录下来，最简单的方法是借助一个曲柄连杆机构，记录下来的物理量变化并不是在幅度上产生变化，而是在频率上产生变化，如图5所示。波形类似于调频收音信号的波形，相对于记录幅度变化要容易许多。
如何将人工输入的连续变化信号转换成离散的数字信号呢？方法很多，比较简单的是使用电压比较器，其图示符号为，如图6所示，电压比较器有“+”和“-”两个输入端，当输入端“+”的电压大于输入端“-”的电压时，电压比较器输出为高电平，则LED被点亮，否则输出低电平，LED变暗。本电路图中，“-”端电压都是5V，而“+”端电压前者是4V，后者是6V，则前者LED暗，后者LED被点亮。
基于这样的原理，就可以实现一个简单的模拟信号—数字信号转换电路。例如，使用四个电压比较器，用不同数量的整流二极管（分别是0个、2个、4个、8个）来产生不同的电压，当用户改变电位器（也可以使用光敏电阻）的输入，就能使得输入“+”端的电压分别与四个电压比较器的“-”端电压同时进行比较，从而决定电压比较器的输出值，这样就将连续的输入信号转换成为离散的信号。这里的离散信号为原始的累积进位制（unary numeral system）数据。若要再转换成二进制数据，只需要再级联一个二进制编码电路即可，往期连载文章中有过介绍，限于篇幅这里就不展开讨论了。
实际电路可以采用LM393电压比较器芯片来实现电压的比较。一个LM393芯片内含两个电压比较器，输出端分别连到两个LED，也就是说，只使用一个LM393芯片，就可以将连续的模拟信号转换成0、1、2三档刻度的离散信号，当所有LED都不亮时为数据0，一个LED亮时为数据1，两个LED亮时为数据2；如果在电路中使用两个LM393芯片和四个LED，就可以实现五档刻度的输出，原理是相同的，只是要连入更多电线而已。实际电路如第20页图7所示。
大家如有兴趣，并且手头有相应的器材，就可以真正搭建出这个模拟信号—数字信号的转换电路了。搭建电路时有几个需要注意的地方：其一，为了系统能够稳定工作，LM393芯片的工作电压要高于用于电压比较的信号输入电压，笔者使用5V电压作为LM393的工作电压，3V电压作为输入电压；其二，LM393芯片内部电路是集电极开路输出的，所以其输出端要连一个电阻到高电平。
可见，为了完整实现一个能将连续的物理量转换成离散数字信号的装置，需要涉及到物理学、数学、通用技术等不同学科的多种知识和技能。笔者特意查证了一下，这些知识和技能，其实在高中的各门学科中都有具体落实之处，所以在写作此篇文章时，颇有诸多学科知识技能皆服务于我的得意之感，但再作细想，这也不正体现出信息技术学科自身高度的综合性和实践性吗？
