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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器很多過(guò)于陳舊，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器相結(jié)合，可以極大地提升實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度，改善測(cè)量精確度，同時(shí)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(huì)實(shí)踐基礎(chǔ)。

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

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN409文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.026

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

0引言

　　大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在大多數(shù)工科專業(yè)中屬于基礎(chǔ)學(xué)科，重在通過(guò)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析和對(duì)物理量的測(cè)量，學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)，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(shí)驗(yàn)?zāi)芰退仞B(yǎng)，包括正確使用實(shí)驗(yàn)儀器，運(yùn)用物理學(xué)理論對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，正確處理數(shù)據(jù)等［1］。

　　然而對(duì)于非物理專業(yè)的工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，涉及的物理實(shí)驗(yàn)大都較基礎(chǔ)，很多實(shí)驗(yàn)所涉及的儀器都較為簡(jiǎn)單，不需要多復(fù)雜，所以一些實(shí)驗(yàn)室里的儀器十幾年、幾十年不會(huì)有所變化，在實(shí)驗(yàn)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(duì)電子、自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)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(yùn)用到基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)面、提升動(dòng)手能力，也能在一定程度上改善某些實(shí)驗(yàn)本身的測(cè)量精確度，有效減小一些系統(tǒng)誤差等。

1物理實(shí)驗(yàn)和FPGA

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

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FieldProgrammable Gate Array, FPGA）作為可編程邏輯器件，用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)（電信號(hào)）進(jìn)行處理，尤其適合高頻信號(hào)的處理，加上其內(nèi)部自帶的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory, RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ReadOnly Memory, ROM)、加法器、乘法器等多種硬核，使得其能應(yīng)對(duì)大多數(shù)的電信號(hào)處理，而其運(yùn)算速度取決于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率（時(shí)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(shí)驗(yàn)中的電信號(hào)或者說(shuō)能夠轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的物理量用FPGA來(lái)處理會(huì)達(dá)到什么樣的效果呢？

　　FPGA是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，那么要結(jié)合研究的物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是與電信號(hào)有關(guān)的，或者是可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。

　　以“邁克耳孫干涉儀測(cè)激光波長(zhǎng)”［12］實(shí)驗(yàn)為例，邁克耳孫干涉儀設(shè)計(jì)精巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常常用來(lái)觀察和研究光的干涉現(xiàn)象，并且利用這種干涉現(xiàn)象測(cè)量激光波長(zhǎng)。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(diǎn)光源），M1和M2為平面鏡，M1可前后移動(dòng)，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(bǔ)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(gè)方向移動(dòng)M1，環(huán)紋中央會(huì)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(shí)驗(yàn)就是要測(cè)量環(huán)紋交替變化多個(gè)級(jí)數(shù)之后M1的位移量，從而通過(guò)公式求出激光波長(zhǎng)。根據(jù)圖1可以得出求解激光波長(zhǎng)的公式為：

　　λ=2ΔdΔK（1）

　　其中Δd是對(duì)應(yīng)于ΔK的，即干涉條紋中心吞吐ΔK級(jí)條紋時(shí)，空氣層厚度改變了Δd。為了減小誤差，通常的做法都是級(jí)數(shù)每改變50或者100級(jí)記錄一次M1的位置，測(cè)量多次之后用逐差法求解。整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在暗室環(huán)境下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)者需要在暗室里完成成百上千級(jí)環(huán)紋的計(jì)數(shù)，要求精神高度集中，長(zhǎng)時(shí)間數(shù)圈極易造成視覺(jué)疲勞，出現(xiàn)數(shù)錯(cuò)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)明暗變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)高低電平的變化，那么是不是就可以利用FPGA對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，從而進(jìn)行進(jìn)一步的自動(dòng)計(jì)數(shù)并計(jì)算呢?而光敏電阻再搭配上外圍電路則完全可以實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的目的。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可如圖3所示進(jìn)行設(shè)計(jì)［3］。

　　利用該設(shè)計(jì)方案將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成高低電平信號(hào)之后就可以通過(guò)FPGA進(jìn)行自動(dòng)環(huán)紋級(jí)數(shù)測(cè)量，同時(shí)利用其內(nèi)部自帶的乘法器、除法器等硬核實(shí)現(xiàn)最終計(jì)算，并通過(guò)串口將結(jié)果輸送到計(jì)算機(jī)終端以十六進(jìn)制的格式顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量激光波長(zhǎng)的目的。

　　該方案能在很大程度上減小人肉眼因視覺(jué)疲勞所產(chǎn)生的視覺(jué)誤差，提升效率，提高實(shí)驗(yàn)精確度，降低百分誤差。尤其是對(duì)于電子、計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的工科學(xué)生來(lái)說(shuō)也是一個(gè)鍛煉電路設(shè)計(jì)能力以及計(jì)算機(jī)編程的機(jī)會(huì)。

　　除了邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)之外還有其他的一些實(shí)驗(yàn)，比如“模擬示波器”實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到信號(hào)發(fā)生器提供信號(hào)源，通過(guò)對(duì)各種頻率信號(hào)的觀察達(dá)到熟悉示波器操作的目的，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)所用的信號(hào)源都是采用現(xiàn)成的設(shè)備提供，比如50 Hz的信號(hào)或者1 kHz的信號(hào)等。FPGA只要通過(guò)相應(yīng)的程序結(jié)合簡(jiǎn)單的電路就能夠提供各種頻率的方波、正弦波、三角波信號(hào)以及一定時(shí)長(zhǎng)的脈沖信號(hào)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(hào)，只要設(shè)定相應(yīng)參數(shù)就行，比現(xiàn)在的一些信號(hào)發(fā)生器更加靈活，同時(shí)也是對(duì)相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行FPGA程序設(shè)計(jì)的一個(gè)鍛煉。而且對(duì)于電子信息行業(yè)，生產(chǎn)和實(shí)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(hào)、邊沿信號(hào)等，對(duì)于數(shù)字示波器的學(xué)習(xí)若是配合FPGA及其外圍電路會(huì)更有效?？梢詾殡娮印⒂?jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　在“空氣中聲速的測(cè)定”［2］實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量聲音在空氣中的傳播速度有三種方法，以時(shí)差法為例，其實(shí)也可以嘗試FPGA配合聲速測(cè)試架來(lái)完成。聲速測(cè)試架如圖4所示。

　　FPGA可以作為信號(hào)發(fā)生器提供連續(xù)波輸入到聲速測(cè)試架換能器S1，接收端將接收到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入FPGA進(jìn)行計(jì)算處理，最后計(jì)算出結(jié)果在計(jì)算機(jī)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(cè)出發(fā)射波從S1到S2所用時(shí)間，那么空氣中聲音的傳播速度v即可用公式v=l/t計(jì)算出來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

　　由此可見(jiàn)，對(duì)于電信號(hào)或者可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的物理量，都可以考慮結(jié)合FPGA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(shí)際情況而定。

3結(jié)論

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

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