吳弘

　　（東南大學(xué) 成賢學(xué)院,，江蘇 南京 210088）

        摘要：大學(xué)物理實驗是幾乎所有工科學(xué)生在大學(xué)階段的必修課,，然而目前的物理實驗儀器很多過于陳舊，實驗手段較為落后,，跟不上現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展水平。FPGA作為新型的可編程器件與原有的物理實驗儀器相結(jié)合,，可以極大地提升實驗的自動化程度,，改善測量精確度，同時還能拓展學(xué)生思維,，提高學(xué)生興趣,，為相關(guān)專業(yè)學(xué)生打下社會實踐基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：FPGA,；邁克耳孫干涉儀,；信號發(fā)生器；聲速

　　中圖分類號：TN409文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.026

　　引用格式：吳弘.FPGA在物理實驗中的應(yīng)用［J］.微型機與應(yīng)用,，2017,36（8）：83-84,，91.

0引言

　　大學(xué)物理實驗在大多數(shù)工科專業(yè)中屬于基礎(chǔ)學(xué)科，重在通過對物理實驗現(xiàn)象的觀察,、分析和對物理量的測量,，學(xué)習(xí)物理實驗知識，鞏固和應(yīng)用物理學(xué)原理,。培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰退仞B(yǎng),，包括正確使用實驗儀器，運用物理學(xué)理論對現(xiàn)象進(jìn)行分析,，正確處理數(shù)據(jù)等［1］,。

　　然而對于非物理專業(yè)的工科學(xué)生來說，涉及的物理實驗大都較基礎(chǔ),，很多實驗所涉及的儀器都較為簡單,，不需要多復(fù)雜,，所以一些實驗室里的儀器十幾年、幾十年不會有所變化,，在實驗方法上也是同樣較為落后,。而如今科技日新月異，尤其在數(shù)字電路的發(fā)展方面更是明顯,，針對電子,、自動化及計算機相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，若是能將現(xiàn)有的某些科技手段運用到基礎(chǔ)物理實驗中,，那么既可以與他們自身的專業(yè)相結(jié)合,，提高認(rèn)知能力、擴(kuò)展知識面,、提升動手能力,，也能在一定程度上改善某些實驗本身的測量精確度，有效減小一些系統(tǒng)誤差等,。

1物理實驗和FPGA

　　大學(xué)物理實驗涵蓋多個方面,，如力學(xué)、聲學(xué),、光學(xué),、電磁學(xué)等。實驗中涉及的物理量在信息處理領(lǐng)域稱為各種信號,，如聲音信號,、光信號、電信號之類,。而各種信號之間是可以通過元器件或者設(shè)備相互轉(zhuǎn)換的,。

　　現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammable Gate Array, FPGA）作為可編程邏輯器件，用時鐘驅(qū)動,，可以對數(shù)字信號（電信號）進(jìn)行處理,，尤其適合高頻信號的處理，加上其內(nèi)部自帶的隨機存取存儲器(Random Access Memory, RAM),、只讀存儲器(ReadOnly Memory, ROM),、加法器、乘法器等多種硬核,，使得其能應(yīng)對大多數(shù)的電信號處理,，而其運算速度取決于驅(qū)動時鐘頻率（時鐘頻率可低至幾赫茲，也可高達(dá)數(shù)百兆赫茲）,。

　　若是能將物理實驗中的電信號或者說能夠轉(zhuǎn)換成電信號的物理量用FPGA來處理會達(dá)到什么樣的效果呢,？

　　FPGA是對電信號進(jìn)行處理，那么要結(jié)合研究的物理實驗應(yīng)該是與電信號有關(guān)的，或者是可以轉(zhuǎn)換成電信號的,。

　　以“邁克耳孫干涉儀測激光波長”［12］實驗為例,，邁克耳孫干涉儀設(shè)計精巧，結(jié)構(gòu)簡單易懂,，在大學(xué)物理實驗中常常用來觀察和研究光的干涉現(xiàn)象,，并且利用這種干涉現(xiàn)象測量激光波長。邁克耳孫干涉儀原理圖如圖1所示,。

　　圖中,，S為激光光源（可認(rèn)作點光源），M1和M2為平面鏡,，M1可前后移動,，M2固定，G1為半透半反鏡（T為半透圖2干涉環(huán)紋半反膜）,，G2為平板玻璃（補償板）,，E為觀察屏位置所在，可觀察到干涉環(huán)紋,，干涉環(huán)紋如圖2所示,。

　　向同一個方向移動M1，環(huán)紋中央會出現(xiàn)明暗環(huán)紋交替變化的現(xiàn)象（即環(huán)紋吞吐現(xiàn)象）,，而實驗就是要測量環(huán)紋交替變化多個級數(shù)之后M1的位移量,，從而通過公式求出激光波長。根據(jù)圖1可以得出求解激光波長的公式為：

　　λ=2ΔdΔK（1）

　　其中Δd是對應(yīng)于ΔK的,，即干涉條紋中心吞吐ΔK級條紋時，空氣層厚度改變了Δd,。為了減小誤差,，通常的做法都是級數(shù)每改變50或者100級記錄一次M1的位置，測量多次之后用逐差法求解,。整個實驗是在暗室環(huán)境下進(jìn)行的,，實驗者需要在暗室里完成成百上千級環(huán)紋的計數(shù)，要求精神高度集中,，長時間數(shù)圈極易造成視覺疲勞,，出現(xiàn)數(shù)錯數(shù)漏的現(xiàn)象，影響最后結(jié)果,。

　　若是轉(zhuǎn)換一下思路考慮,，在該實驗中光的明暗變化還算是比較明顯的，并不難區(qū)分,，若是能將光強明暗變化轉(zhuǎn)換成電信號高低電平的變化,，那么是不是就可以利用FPGA對電信號進(jìn)行處理，從而進(jìn)行進(jìn)一步的自動計數(shù)并計算呢?而光敏電阻再搭配上外圍電路則完全可以實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的目的,。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可如圖3所示進(jìn)行設(shè)計［3］,。

　　利用該設(shè)計方案將光信號轉(zhuǎn)換成高低電平信號之后就可以通過FPGA進(jìn)行自動環(huán)紋級數(shù)測量,，同時利用其內(nèi)部自帶的乘法器、除法器等硬核實現(xiàn)最終計算,，并通過串口將結(jié)果輸送到計算機終端以十六進(jìn)制的格式顯示出來,，實現(xiàn)自動測量激光波長的目的。

　　該方案能在很大程度上減小人肉眼因視覺疲勞所產(chǎn)生的視覺誤差,，提升效率,，提高實驗精確度，降低百分誤差,。尤其是對于電子,、計算機相關(guān)專業(yè)的工科學(xué)生來說也是一個鍛煉電路設(shè)計能力以及計算機編程的機會。

　　除了邁克耳孫干涉儀實驗之外還有其他的一些實驗,，比如“模擬示波器”實驗,，在實驗中會用到信號發(fā)生器提供信號源，通過對各種頻率信號的觀察達(dá)到熟悉示波器操作的目的,，現(xiàn)在實驗所用的信號源都是采用現(xiàn)成的設(shè)備提供,，比如50 Hz的信號或者1 kHz的信號等。FPGA只要通過相應(yīng)的程序結(jié)合簡單的電路就能夠提供各種頻率的方波,、正弦波,、三角波信號以及一定時長的脈沖信號等［45］，給學(xué)生提供極大的便利,，要輸出所需要頻率的信號,，只要設(shè)定相應(yīng)參數(shù)就行，比現(xiàn)在的一些信號發(fā)生器更加靈活,，同時也是對相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行FPGA程序設(shè)計的一個鍛煉,。而且對于電子信息行業(yè)，生產(chǎn)和實踐環(huán)節(jié)現(xiàn)在多是用數(shù)字示波器,，數(shù)字示波器更善于抓取一些脈沖信號,、邊沿信號等，對于數(shù)字示波器的學(xué)習(xí)若是配合FPGA及其外圍電路會更有效,?？梢詾殡娮印⒂嬎銠C相關(guān)專業(yè)的學(xué)生打下堅實的基礎(chǔ),。

　　在“空氣中聲速的測定”［2］實驗中,，測量聲音在空氣中的傳播速度有三種方法，以時差法為例,，其實也可以嘗試FPGA配合聲速測試架來完成,。聲速測試架如圖4所示。

　　FPGA可以作為信號發(fā)生器提供連續(xù)波輸入到聲速測試架換能器S1，接收端將接收到的聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸入FPGA進(jìn)行計算處理,，最后計算出結(jié)果在計算機終端以十六進(jìn)制形式進(jìn)行顯示,。發(fā)射波波形和接收波波形如圖5所示。

　　若已知S1和S2的間距l(xiāng),，利用FPGA測出發(fā)射波從S1到S2所用時間,，那么空氣中聲音的傳播速度v即可用公式v=l/t計算出來。整個系統(tǒng)設(shè)計原理如圖6所示,。

　　由此可見,，對于電信號或者可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕奈锢砹浚伎梢钥紤]結(jié)合FPGA進(jìn)行實驗,。當(dāng)然,，具體是否能與FPGA結(jié)合，怎么結(jié)合,，則需要根據(jù)實際情況而定,。

3結(jié)論

　　FPGA作為新型的可編程邏輯門陣列器件，在數(shù)字信號處理方面有其自身的優(yōu)勢,，若是將該優(yōu)勢放到傳統(tǒng)的物理實驗中,，可達(dá)到拓展學(xué)生思維、開發(fā)學(xué)生動手創(chuàng)造能力的目的,。而要將兩者很好地融合,，則須對實驗的原理步驟等有深入了解，也就進(jìn)一步加深了學(xué)生對相關(guān)物理原理的掌握,，以及對相關(guān)電子電路知識的學(xué)習(xí),。對于對物理實驗或者集成電路方面感興趣的學(xué)生不失為一個很好的鍛煉。

參考文獻(xiàn)

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