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基于片上系统的声速测量仪

摘要

声学作为经典物理学的重要分支，在人类历史上一直受到广泛关注。其中，声速测

量实验是大学物理实验中的一项重要内容。然而，在我国高校中，传统的声速测量实验

设备通常包括超声换能器、示波器、信号发生器和信号放大器等多台设备，这不仅加剧

了实验室设备资源紧缺的问题，也逐渐不适用于信息时代的教学演示与学生学习。因此，

设计一款低成本、智能化，将示波器、信号发生器、信号放大器功能集于一体的声速测

量设备，具有很强的应用价值和实际意义。

本文设计了一款基于片上系统的声速测量仪，该系统将传统设备（示波器、信号发

生器、信号放大器）功能集成在一块电路板，并且设计了智能化用户使用界面。设计以

Xilinx公司推出的Zynq7020SoC为系统控制核心，可编程逻辑（ProgrammableLogic，

PL）部分完成对高速模数转换电路、数模转换电路的驱动，实现可调频正弦信号输出和

高速数据采集的功能；处理系统（ProcessingSystem，PS）部分移植Linux操作系统，

搭建嵌入式开发平台，根据硬件需求设计并移植了相应的驱动程序、应用程序。用户使

用界面部分通过QtCreator软件进行设计，具有数据记录、数据处理、生成实验报告的

功能。系统的硬件电路部分，采用核心板＋底板的设计方式，增加了系统的通用性和可

拓展性。其中，硬件电路设计主要是指底板设计，包括电源电路、模数转换电路、数模

转换电路、信号放大电路、系统启动模式控制电路等。

本文研究课题完成了基于片上系统的声速测量仪系统的设计与实现，并进一步构建

了本文系统与传统实验设备的对比实验。经过对比分析，证实了本文系统在采用共振干

涉法和相位比较法进行声速测量时，精确度与传统实验设备相当，而在智能化方面则展

现出了显著的优势，同时成本更为低廉。此外，本系统设计预留了信号输出接口与信号

采集输入接口，使其能够兼任简易的示波器和信号发生器，从而拓展了其在教学实验中

的应用范围，有助于学生对系统的进一步探索与应用。综上所述，本系统凭借其高精度、

智能化优势以及成本效益，极具在高等院校实验室推广的潜力，并对学生的学习实践具

有积极的促进作用。

关键词：物理实验；声速测量；片上系统；Linux系统；用户使用界面；

基于片上系统的声速测量仪

Abstract

Acoustics,asignificantdisciplinewithintherealmofclassicalphysics,hasconsistently

garneredextensivefocusthroughouthumanhistory.Withinthisfield,thedeterminationofthe

speedofsoundrepresentsanintegralcomponentofuniversity-levelphysicsexperimentation.

Nevertheless,inChinesetertiaryinstitutions,conventionalapparatusformeasuringthevelocity

ofsoundoftenencompassesanassortmentofdevices,includingultrasonictransducers,

oscilloscopes,signalgenerators,andsignalamplifiers.Thisassemblagenotonlyexacerbates

theissueofrestrictedlaboratoryequipmentresourcesbutalsoprogressivelyproves

incompatiblewithpedagogicaldemonstrationsandstudentlearningwithinthecontextofthe

digitalage.Consequently,the