單片機應用之調制解調器

單片機應用——調制解調器、A/D轉換、D/A轉換

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調制解調器，是調制器和解調器的縮寫 ，一種計算機硬件 [1] ，它能把計算機的數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制解調器接收，并譯成計算機可懂的語言。這一簡單過程完成了兩臺計算機間的通信。

調制解調器是Modulator（調制器）與Demodulator（解 調器）的簡稱，中文稱為調制解調器，根據Modem的諧音，親昵地稱之為“貓”，是一種能夠實現通信所需的調制和解調功能的電子設備。一般由調制器和解調器組成。在發送端，將計算機串行口產生的數字信號調制成可以通過電話線傳輸的模擬信號；在接收端，調制解調器把輸入計算機的模擬信號轉換成相應的數字信號，送入計算機接口。在個人計算機中，調制解調器常被用來與別的計算機交換數據和程序，以及訪問聯機信息服務程序等 。

所謂調制，就是把數字信號轉換成電話線上傳輸的模擬信號；解調，即把模擬信號轉換成數字信號。合稱調制解調器。

調制解調器的英文是MODEM，它的作用是模擬信號和數字信號的“翻譯員”。電子信號分兩種，一種是"模擬信號"，一種是"數字信號"。我們使用的電話線路傳輸的是模擬信號，而PC機之間傳輸的是數字信號。所以當你想通過電話線把自己的電腦連入Internet時，就必須使用調制解調器來"翻譯"兩種不同的信號。連入Internet后，當PC機向Internet發送信息時，由于電話線傳輸的是模擬信號，所以必須要用調制解調器來把數字信號"翻譯"成模擬信號，才能傳送到Internet上，這個過程叫做"調制"。當PC機從Internet獲取信息時，由于通過電話線從Internet傳來的信息都是模擬信號，所以PC機想要看懂它們，還必須借助調制解調器這個“翻譯”，這個過程叫作“解調”?？偟膩碚f就稱為“調制解調”。

Modem的傳輸協議包括調制協議（Modulation Protocols）、差錯控制協議（Error Control Protocols）、數據壓縮協議（Data Compression Protocols）和文件傳輸協議。調制協議前面已經介紹，介紹其余的三種傳輸協議。

差錯協議

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，都會造成數據傳輸的出錯。差錯控制協議要解決的就是如何在高速傳輸中保證數據的準確率。差錯控制協議存在著兩個工業標準：MNP4和V4.2。其中MNP（Microcom Network Protocols）是Microcom公司制定的傳輸協議，包括了MNP1—MNP10。由于商業原因，Microcom只公布了MNP1—MNP5，其中MNP4是被廣泛使用的差錯控制協議之一。而V4.2則是國際電信聯盟制定的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協議的Modem可以和一個只支持MNP4協議的Modem建立無差錯控制連接，而反之則不能。所以在購買Modem時，最好選擇支持V4.2協議的Modem。

另外，市面上某些廉價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。

數據壓縮協議

為了提高數據的傳輸量，縮短傳輸時間，現時大多數Modem在傳輸時都會先對數據進行壓縮。與差錯控制協議相似，數據壓縮協議也存在兩個工業標準：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，最大壓縮比可達4:1。這就是為什么說V4.2bis比MNP5要快的原因。要注意的是，數據壓縮協議是建立在差錯控制協議的基礎上，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轉換

A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。

1）積分型（如TLC7135）

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數器獲得數字值。其優點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片AD轉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轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較，經n次比較而輸出數字值。其電路規模屬于中等。其優點是速度較高、功耗低，在低分辨率（12位）時價格很高。

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，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash(快速)型。由于轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉換器等速度特別高的領域。

串并行比較型AD結構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轉換器配合DA轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為Halfflash(半快速)型。還有分成三步或多步實現AD轉換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉換時序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規模比并行型小。

4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號，用數字濾波器處理后得到數字值。電路的數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在內置DA轉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轉換器中多數電阻的值必須一致，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轉換器。最近的逐次比較型AD轉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）是通過間接轉換方式實現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然后用計數器將頻率轉換成數字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數的寬度。其優點是分辨率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數電路共同完成AD轉換。

D/A轉換

DA轉換器可以將二進制數字量轉換成相應模擬信號的器件，數字信號易于存儲和傳輸，但是當要與非數字系統接口時，就必須用得到D/A轉換器，內部電路構成無太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進行分類。大多數DA轉換器由電阻陣列和n個電流開關(或電壓開關)構成。按數字輸入值切換開關，產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部的。一般說來，由于電流開關的切換誤差小，大多采用電流開關型電路，電流開關型電路如果直接輸出生成的電流，則為電流輸出型DA轉換器。此外，電壓開關型電路為直接輸出電壓型DA轉換器。D/A轉換器會使得信號失真。

1）電壓輸出型（如TLC5620）

電壓輸出型DA轉換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內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載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速DA轉換器使用。

2）電流輸出型(如THS5661A)

電流輸出型DA轉換器很少直接利用電流輸出，大多外接電流—電壓轉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載電阻而進行電流—電壓轉換，二是外接運算放大器。用負載電阻進行電流—電壓轉換的方法，雖可在電流輸出引腳上出現電壓，但必須在規定的輸出電壓范圍內使用，而且由于輸出阻抗高，所以一般外接運算放大器使用。此外，大部分CMOSDA轉換器當輸出電壓不為零時不能正確動作，所以必須外接運算放大器。當外接運算放大器進行電流電壓轉換時，則電路構成基本上與內置放大器的電壓輸出型相同，這時由于在DA轉換器的電流建立時間上加入了達算放入器的延遲，使響應變慢。此外，這種電路中運算放大器因輸出引腳的內部電容而容易起振，有時必須作相位補償。

3）乘算型（如AD7533）

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