單片機(jī)應(yīng)用之調(diào)制解調(diào)器

單片機(jī)應(yīng)用——調(diào)制解調(diào)器、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換

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調(diào)制解調(diào)器，是調(diào)制器和解調(diào)器的縮寫 ，一種計(jì)算機(jī)硬件 [1] ，它能把計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號翻譯成可沿普通電話線傳送的模擬信號，而這些模擬信號又可被線路另一端的另一個調(diào)制解調(diào)器接收，并譯成計(jì)算機(jī)可懂的語言。這一簡單過程完成了兩臺計(jì)算機(jī)間的通信。

調(diào)制解調(diào)器是Modulator（調(diào)制器）與Demodulator（解 調(diào)器）的簡稱，中文稱為調(diào)制解調(diào)器，根據(jù)Modem的諧音，親昵地稱之為“貓”，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)通信所需的調(diào)制和解調(diào)功能的電子設(shè)備。一般由調(diào)制器和解調(diào)器組成。在發(fā)送端，將計(jì)算機(jī)串行口產(chǎn)生的數(shù)字信號調(diào)制成可以通過電話線傳輸?shù)哪M信號；在接收端，調(diào)制解調(diào)器把輸入計(jì)算機(jī)的模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，送入計(jì)算機(jī)接口。在個人計(jì)算機(jī)中，調(diào)制解調(diào)器常被用來與別的計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)和程序，以及訪問聯(lián)機(jī)信息服務(wù)程序等 。

所謂調(diào)制，就是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電話線上傳輸?shù)哪M信號；解調(diào)，即把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。合稱調(diào)制解調(diào)器。

調(diào)制解調(diào)器的英文是MODEM，它的作用是模擬信號和數(shù)字信號的“翻譯員”。電子信號分兩種，一種是"模擬信號"，一種是"數(shù)字信號"。我們使用的電話線路傳輸?shù)氖悄M信號，而PC機(jī)之間傳輸?shù)氖菙?shù)字信號。所以當(dāng)你想通過電話線把自己的電腦連入Internet時(shí)，就必須使用調(diào)制解調(diào)器來"翻譯"兩種不同的信號。連入Internet后，當(dāng)PC機(jī)向Internet發(fā)送信息時(shí)，由于電話線傳輸?shù)氖悄M信號，所以必須要用調(diào)制解調(diào)器來把數(shù)字信號"翻譯"成模擬信號，才能傳送到Internet上，這個過程叫做"調(diào)制"。當(dāng)PC機(jī)從Internet獲取信息時(shí)，由于通過電話線從Internet傳來的信息都是模擬信號，所以PC機(jī)想要看懂它們，還必須借助調(diào)制解調(diào)器這個“翻譯”，這個過程叫作“解調(diào)”?？偟膩碚f就稱為“調(diào)制解調(diào)”。

Modem的傳輸協(xié)議包括調(diào)制協(xié)議（Modulation Protocols）、差錯控制協(xié)議（Error Control Protocols）、數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議（Data Compression Protocols）和文件傳輸協(xié)議。調(diào)制協(xié)議前面已經(jīng)介紹，介紹其余的三種傳輸協(xié)議。

差錯協(xié)議

隨著Modem的傳輸速率不斷提高，電話線路上的噪聲、電流的異常突變等，都會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e。差錯控制協(xié)議要解決的就是如何在高速傳輸中保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。差錯控制協(xié)議存在著兩個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：MNP4和V4.2。其中MNP（Microcom Network Protocols）是Microcom公司制定的傳輸協(xié)議，包括了MNP1—MNP10。由于商業(yè)原因，Microcom只公布了MNP1—MNP5，其中MNP4是被廣泛使用的差錯控制協(xié)議之一。而V4.2則是國際電信聯(lián)盟制定的MNP4改良版，它包含了MNP4和LAP-M兩種控制算法。因此，一個使用V4.2協(xié)議的Modem可以和一個只支持MNP4協(xié)議的Modem建立無差錯控制連接，而反之則不能。所以在購買Modem時(shí)，最好選擇支持V4.2協(xié)議的Modem。

另外，市面上某些廉價(jià)Modem卡為降低成本，并不具備硬糾錯功能，而是使用使用了軟件糾錯方式。大家在購買時(shí)要注意分清，不要為包裝盒上的“帶糾錯功能”等字眼所迷惑。

數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議

為了提高數(shù)據(jù)的傳輸量，縮短傳輸時(shí)間，現(xiàn)時(shí)大多數(shù)Modem在傳輸時(shí)都會先對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。與差錯控制協(xié)議相似，數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議也存在兩個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：MNP5和V4.2bis。MNP5采用了Run-Length編碼和Huffman編碼兩種壓縮算法，最大壓縮比為2:1。而V4.2bis采用了Lempel-Ziv壓縮技術(shù)，最大壓縮比可達(dá)4:1。這就是為什么說V4.2bis比MNP5要快的原因。要注意的是，數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議是建立在差錯控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，MNP5需要MNP4的支持，V4.2bis也需要V4.2的支持。并且，雖然V4.2包含了MNP4，但V4.2bis卻不包含MNP5。

A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實(shí)際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

1）積分型（如TLC7135）

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，逐次比較型已逐步成為主流。

2）逐次比較型（如TLC0831）

逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辨率（12位）時(shí)價(jià)格很高。

3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）

并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱FLash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。

串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為Halfflash(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。

4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。

5）電容陣列逐次比較型

電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。

6）壓頻變換型（如AD650）

壓頻變換型（Voltage-FrequencyConverter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。

D/A轉(zhuǎn)換

DA轉(zhuǎn)換器可以將二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)模擬信號的器件，數(shù)字信號易于存儲和傳輸，但是當(dāng)要與非數(shù)字系統(tǒng)接口時(shí)，就必須用得到D/A轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)DA轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(guān)，產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外，也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。一般說來，由于電流開關(guān)的切換誤差小，大多采用電流開關(guān)型電路，電流開關(guān)型電路如果直接輸出生成的電流，則為電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器。此外，電壓開關(guān)型電路為直接輸出電壓型DA轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器會使得信號失真。

1）電壓輸出型（如TLC5620）

電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負(fù)載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速DA轉(zhuǎn)換器使用。

2）電流輸出型(如THS5661A)

電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器很少直接利用電流輸出，大多外接電流—電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出，后者有兩種方法：一是只在輸出引腳上接負(fù)載電阻而進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換，二是外接運(yùn)算放大器。用負(fù)載電阻進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換的方法，雖可在電流輸出引腳上出現(xiàn)電壓，但必須在規(guī)定的輸出電壓范圍內(nèi)使用，而且由于輸出阻抗高，所以一般外接運(yùn)算放大器使用。此外，大部分CMOSDA轉(zhuǎn)換器當(dāng)輸出電壓不為零時(shí)不能正確動作，所以必須外接運(yùn)算放大器。當(dāng)外接運(yùn)算放大器進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，則電路構(gòu)成基本上與內(nèi)置放大器的電壓輸出型相同，這時(shí)由于在DA轉(zhuǎn)換器的電流建立時(shí)間上加入了達(dá)算放入器的延遲，使響應(yīng)變慢。此外，這種電路中運(yùn)算放大器因輸出引腳的內(nèi)部電容而容易起振，有時(shí)必須作相位補(bǔ)償。

3）乘算型（如AD7533）

DA轉(zhuǎn)換器中有使用恒定基準(zhǔn)電壓的，也有在基準(zhǔn)電壓輸入上加交流信號的，后者由于能得到數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出，因而稱為乘算型DA轉(zhuǎn)換器。乘算型DA轉(zhuǎn)換器一般不僅可以進(jìn)行乘法運(yùn)算，而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器使用。