所謂的實驗室電子學 (Lab Electronics) 應該要定義成:作為一個非主修電子電機的物理工作者,在進行物理實驗的過程中,可以獨立且低成本地完成的電子學相關任務。舉例來說,你可能要用有延遲的 TTL 信號來同步數台儀器,可能需要一些簡單的偵測器與相關的信號放大電路,需要利用電腦自動化擷取實驗數據等等。以上提到的這些工作,通常可以外包給儀器商做,但是你只需要掌握一些基本的電子學知識,就能以百分之一甚至千分之一的成本自行製作出類似功能的裝置,而且可以彈性修改來應付實驗系統的升級。實驗室電子學的內容可深可淺,僅以『實用』為目的,以相對少量的時間成本來節省實驗經費開支,深諳此道的研究者在未來取得較寬裕的經費採購高階儀器時,也能避免因為背景知識不足而鬧笑話(若因簡單的失誤而報廢數十萬的儀器,那可一點都不好笑)。
很多時候,就算是購買成套的商用儀器來進行實驗,你還是必須利用測量儀器來擷取實驗數據,如何正確解讀取得的信號,瞭解所使用儀器的極限與限制仍是不可輕忽的課題。所有你可以想像到的感測器最後都會將物理量的資訊轉換成電訊號,這些電訊號可能以類比的方式輸出,必須另外使用 A/D converter 將之轉換成數位信號儲存;也可能直接以數位訊號輸出,比方說 CCD 取得的影像數據。絕大多數的原始實驗結果以電訊號的方式出現在研究者眼前,所以一個以實驗物理為志向的物理系學生,必須具備足夠的電子學基礎才有辦法正確解讀儀器提供的資訊,才有辦法從實驗中提煉出可以佐證理論的成果。『Garbage In, Garbage Out.』也可以用來詮釋理論與實驗的對照關係:我們總是有辦法提出一些理論來解釋某些實驗結果。具備公信力的實驗必須換個場地、換組人馬也能獲得同樣的結果才行,假如你獲得了一些新穎的實驗結果,先不要急著發表,因為結論很可能是由錯誤的數據測量所產生。這種盲目奉理論為圭臬的情況特別容易出現在大學部的必修實驗課中,總有一些人在分析實驗結果時,將誤差和異常數據歸咎於器材不夠精準、環境參數變動、人為讀取數據出錯云云,結果卻是示波器下被偷放磁鐵、用 BNC 鱷魚夾混充示波器探棒等只要具備電子學知識,便能透過良好的實驗習慣或者除錯來避免的錯誤。
曾經我也是一個作電子學實驗時,信號出現雜訊就怪麵包板不好,其實只是因為接地沒處理好而鬧笑話。一年的助教經驗(大抵包含傳統類比電子與比較新穎的數位控制),我也遇到形形色色多不勝數的小臭蟲,而這也讓我更確定一件事:『示波器(可代換為其他儀器)通常沒有故障,是使用者的腦袋故障了。』實驗前不做 Calibration (校正),不做 null test 來檢視環境變數對實驗可能產生的影響,怎麼能相信儀器吐給你的數據是你想要的? 尤有甚者,連基本的操作都不明所以,比如不懂示波器如何觸發取波形、接地的意義,毋怪乎許多人修完幾學分的實驗課之後仍是四處破壞實驗儀器,順帶影響實驗的進度。
這裡提出一個簡單的測驗來試試各位是否真的全盤理解電子信號測量的原理:大家都知道一般的二極體具備單向導通能力,有整流效果,那麼你要如何使用示波器與訊號產生器設計一個實驗來驗證這件事情?
(a) 將二極體串連一電阻和訊號產生器,以示波器測量電阻跨壓波形
(b) 將二極體串連訊號產生器和示波器,以示波器觀察波形
(b) 乍看下比較直覺(這是把示波器當成電流計的謬誤),但是你使用示波器 AC 耦合模式來讀取資料,會得到與直覺不同的波形。若是採用 DC 耦合模式來作,(a) 與 (b) 可以獲得差不多的結果,你曉得為什麼嗎?
對於做實驗物理的人來說,使用 BJT 的機會可能遠超過 CMOS,對於電力電子或是高壓電路偵錯有較大的需求,有自製 50 MHz 以下的訊號處理電路的機會,也可能需要處理簡單的數位邏輯電路以及足夠的數位類比轉換的知識。比較精密的訊號處理與元件模組仍然必須外包給專業的電子電機專家來處理,比如說 Large Hadron Collider 中各種高精密度的感測電路以及龐大的數據分流儲存系統,都不是一般物理學家可以有效率處理的任務。更高階的實驗室電子學即屬於 Big Science 的範疇,許多國家級的實驗設施通常需要結合大量工程領域的人才能進入建造階段,其中物理學家多半扮演使用者的角色,而實驗室電子學就是他們與工程師的共同語言,在開出任務目標與設施規格之餘也能大致掌握現有的測量工具與技術能否達成要求,是否能透過日新月異的電子技術來增加實驗的效率,完成龐大的系統並加以整合。
究竟一個物理系學生必須掌握幾成實驗室電子學知識才算具備基礎實驗能力我想每個人都有不同的看法,我認為最少也要能正確使用示波器等常用儀器才行;再者要能以謹慎的角度來面對射頻(Radio Frequency)以上的電子訊號處理,確認自身電子技術的上下限,具備正確判斷能做與不能做的基本認知。當然,你如果能擁有進階的實驗室電子知識,可以幫助實驗室省下更多經費並增進原有實驗系統的效能,我想沒有一個老闆會拒絕給你更多的資源;畢竟一個兼具物理研究能力的電子專家可以低成本地維護具規模的專業實驗系統,其價值不言自明。
很多時候,就算是購買成套的商用儀器來進行實驗,你還是必須利用測量儀器來擷取實驗數據,如何正確解讀取得的信號,瞭解所使用儀器的極限與限制仍是不可輕忽的課題。所有你可以想像到的感測器最後都會將物理量的資訊轉換成電訊號,這些電訊號可能以類比的方式輸出,必須另外使用 A/D converter 將之轉換成數位信號儲存;也可能直接以數位訊號輸出,比方說 CCD 取得的影像數據。絕大多數的原始實驗結果以電訊號的方式出現在研究者眼前,所以一個以實驗物理為志向的物理系學生,必須具備足夠的電子學基礎才有辦法正確解讀儀器提供的資訊,才有辦法從實驗中提煉出可以佐證理論的成果。『Garbage In, Garbage Out.』也可以用來詮釋理論與實驗的對照關係:我們總是有辦法提出一些理論來解釋某些實驗結果。具備公信力的實驗必須換個場地、換組人馬也能獲得同樣的結果才行,假如你獲得了一些新穎的實驗結果,先不要急著發表,因為結論很可能是由錯誤的數據測量所產生。這種盲目奉理論為圭臬的情況特別容易出現在大學部的必修實驗課中,總有一些人在分析實驗結果時,將誤差和異常數據歸咎於器材不夠精準、環境參數變動、人為讀取數據出錯云云,結果卻是示波器下被偷放磁鐵、用 BNC 鱷魚夾混充示波器探棒等只要具備電子學知識,便能透過良好的實驗習慣或者除錯來避免的錯誤。
曾經我也是一個作電子學實驗時,信號出現雜訊就怪麵包板不好,其實只是因為接地沒處理好而鬧笑話。一年的助教經驗(大抵包含傳統類比電子與比較新穎的數位控制),我也遇到形形色色多不勝數的小臭蟲,而這也讓我更確定一件事:『示波器(可代換為其他儀器)通常沒有故障,是使用者的腦袋故障了。』實驗前不做 Calibration (校正),不做 null test 來檢視環境變數對實驗可能產生的影響,怎麼能相信儀器吐給你的數據是你想要的? 尤有甚者,連基本的操作都不明所以,比如不懂示波器如何觸發取波形、接地的意義,毋怪乎許多人修完幾學分的實驗課之後仍是四處破壞實驗儀器,順帶影響實驗的進度。
這裡提出一個簡單的測驗來試試各位是否真的全盤理解電子信號測量的原理:大家都知道一般的二極體具備單向導通能力,有整流效果,那麼你要如何使用示波器與訊號產生器設計一個實驗來驗證這件事情?
(a) 將二極體串連一電阻和訊號產生器,以示波器測量電阻跨壓波形
(b) 將二極體串連訊號產生器和示波器,以示波器觀察波形
(b) 乍看下比較直覺(這是把示波器當成電流計的謬誤),但是你使用示波器 AC 耦合模式來讀取資料,會得到與直覺不同的波形。若是採用 DC 耦合模式來作,(a) 與 (b) 可以獲得差不多的結果,你曉得為什麼嗎?
對於做實驗物理的人來說,使用 BJT 的機會可能遠超過 CMOS,對於電力電子或是高壓電路偵錯有較大的需求,有自製 50 MHz 以下的訊號處理電路的機會,也可能需要處理簡單的數位邏輯電路以及足夠的數位類比轉換的知識。比較精密的訊號處理與元件模組仍然必須外包給專業的電子電機專家來處理,比如說 Large Hadron Collider 中各種高精密度的感測電路以及龐大的數據分流儲存系統,都不是一般物理學家可以有效率處理的任務。更高階的實驗室電子學即屬於 Big Science 的範疇,許多國家級的實驗設施通常需要結合大量工程領域的人才能進入建造階段,其中物理學家多半扮演使用者的角色,而實驗室電子學就是他們與工程師的共同語言,在開出任務目標與設施規格之餘也能大致掌握現有的測量工具與技術能否達成要求,是否能透過日新月異的電子技術來增加實驗的效率,完成龐大的系統並加以整合。
究竟一個物理系學生必須掌握幾成實驗室電子學知識才算具備基礎實驗能力我想每個人都有不同的看法,我認為最少也要能正確使用示波器等常用儀器才行;再者要能以謹慎的角度來面對射頻(Radio Frequency)以上的電子訊號處理,確認自身電子技術的上下限,具備正確判斷能做與不能做的基本認知。當然,你如果能擁有進階的實驗室電子知識,可以幫助實驗室省下更多經費並增進原有實驗系統的效能,我想沒有一個老闆會拒絕給你更多的資源;畢竟一個兼具物理研究能力的電子專家可以低成本地維護具規模的專業實驗系統,其價值不言自明。
Aug, 2011 林致翰