FPGA在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

吳 弘

(東南大學(xué) 成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088)

FPGA在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

吳 弘

(東南大學(xué) 成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088)

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)。

FPGA；邁克耳孫干涉儀；信號(hào)發(fā)生器；聲速

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。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？

圖1 邁克耳孫干涉儀光路圖

2 結(jié)合FPGA的物理實(shí)驗(yàn)方案探討

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2 干涉環(huán)紋

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：

(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]。

圖3 利用FPGA測(cè)激光波長(zhǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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。可以為電子、計(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。

圖4 聲速測(cè)試架

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。

圖5 發(fā)射波和接收波

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。

圖6 利用FPGA的時(shí)差法測(cè)聲速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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。

[1] 錢(qián)鋒，潘人培.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2] 陳小鳳，陳玉林.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3] 吳弘，張禮，陳杰.基于FPGA的邁克耳孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2015，35(10)：32-36.

[4] 曹鄭蛟，滕召勝，李華忠，等.基于FPGA的DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(12)：3175-3177.

[5] 黎燕兵，萬(wàn)生鵬，胡元華，等.基于FPGA的多用途信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016,39(13)：72-76.

The application of FPGA in physics experiment

Wu Hong

(Chengxian College, Southeast University, Nanjing 210088, China)

University physics experiment is a required course for almost all engineering students during the university period. However, many of the current physical experimental instruments are too old and the experimental means are backward. They can’t keep up with the development of modern technologies. As a new type of programmable devices combining with original physical experimental instruments, Field-Programmable Gate Array(FPGA) can greatly enhance the degree of automation of the experiments, improve the measurement accuracy, also can expand students’ thinking and improve the students’ interests to lay the foundation for the social practices of related majors.

FPGA; Michelson interferometer; signal generator; sound velocity

TN409

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.026

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.

2016-10-21)

吳弘(1981-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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