大學(xué)水平的實踐電路實驗室正在回歸，形式上與以前相同，但實現(xiàn)方式上大不相同。
硬件和軟件的發(fā)展已經(jīng)支持通過個性化的測試和測量來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析。因此，這一訓(xùn)練工具有望成為學(xué)生重要學(xué)習(xí)體驗的核心，它具有當(dāng)今學(xué)生期望的特性，而且大專院校也能支持這些特性。
近年來，由于儀器儀表的成本壓力和物理空間的要求，大專院校不堪承受，教學(xué)實驗室遭到嚴重削減，甚至完全消失，而此類實驗室的出現(xiàn)將扭轉(zhuǎn)這一趨勢。雖然有些實驗室仍然可供數(shù)字設(shè)計和軟件專業(yè)學(xué)生使用，但從最壞的方面講，電氣（模擬）工程專業(yè)學(xué)生幾乎沒有或只有極少的接觸現(xiàn)實的機會；從最好的方面講，學(xué)生只能用仿真和虛擬實驗室來“湊合”。
為了切身體會實際工程設(shè)計的主旨和技術(shù)，這并不是令人滿意的解決方案。
美國弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的電氣與計算機工程副教授Kathleen Meehan表示：“實際實驗經(jīng)驗的缺乏導(dǎo)致學(xué)生的興趣減退，概念得不到加強，設(shè)計電路和電子系統(tǒng)的能力薄弱。”
好消息是，學(xué)校重新認識到：讓學(xué)生有機會觸摸感受真實的電路，將來自聲音、振動、溫度和壓力傳感器的實際信號引入學(xué)生的項目中，可使學(xué)生真正受益。幸運的是，低成本硬件、IC、基于軟件的儀器儀表和數(shù)據(jù)分析工具的發(fā)展，不僅使得這種新型實驗室成為可能，而且令它具備與二十一世紀學(xué)習(xí)環(huán)境和需求相適應(yīng)的特性。
正是在這些因素的驅(qū)動下，三家在各自領(lǐng)域均為公認領(lǐng)導(dǎo)者的供應(yīng)商通力合作，開發(fā)了一款針對學(xué)生的解決方案——Analog Discovery設(shè)計套件（售價99美元）?；咎准ǎ簝蓚€模擬輸入通道，可配置為示波器、頻譜分析儀或電壓表；兩個模擬輸出通道，可配置為波形發(fā)生器、直流輸出，或與輸入結(jié)合構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)分析儀；16通道數(shù)字I/O，可配置為邏輯分析儀、數(shù)字模式發(fā)生器或總線分析儀；以及±5V電源，全都通過單個USB連接器運行。
圖1：Analog Discovery設(shè)計套件是實際的模擬和數(shù)字輸入/輸出接口，通過USB連接PC，提供示波器、頻譜分析儀、電壓表和波形發(fā)生器功能。
[使用以下兩個中的一個；我喜歡使用第二個，它帶有“試驗板”]
它由ADI公司設(shè)計，Digilent制造和經(jīng)銷，通過MathWorks, Inc.提供的支持包兼容MATLAB軟件。完整套件包括可下載的教材、在線支持、教科書、參考設(shè)計和實驗室項目，以使模擬電路的設(shè)計和實現(xiàn)成為工程教材的一部分。
這種套件可通過USB電纜連接到標準PC，因此學(xué)生可以按照自己的計劃、在自己喜歡的地方操練。Meehan注意到：“學(xué)生們起初有點害怕，許多人從未看到過電阻或使用過萬用表，但到學(xué)期結(jié)束時，他們游刃有余并且信心十足。”由于這對很多學(xué)生來說是第一次實踐體驗，因此弗吉尼亞理工學(xué)院建立了一個豐富的視頻教程庫，以便學(xué)生了解如何完成基本設(shè)置、執(zhí)行測量及實現(xiàn)其它功能。她指出：“學(xué)生們常常晚上8點開始工作，有時一直持續(xù)到凌晨2點甚至3點。”
這種套件遠不止是簡單的基于PC、采用Digilent波形軟件和ADI公司實際信號處理IC的數(shù)據(jù)采集和顯示儀器。它還兼容MathWorks出品的著名MATLAB軟件學(xué)生版，允許學(xué)生利用采集到的數(shù)字化數(shù)據(jù)來設(shè)計、實現(xiàn)和評估算法，這一過程可使學(xué)生獲得更深的領(lǐng)悟。Mathworks產(chǎn)品營銷經(jīng)理Eric Wetjen表示：簡單易用很重要，“無需培訓(xùn)，API直截了當(dāng)，只需幾行代碼就能開始收集數(shù)據(jù)。”
Digilent Analog Discovery設(shè)計套件和MATLAB學(xué)生版的結(jié)合，使得學(xué)生們能夠獲得實實在在的體驗：捕捉實際信號；對信號進行濾波、處理和分析；展開基于數(shù)據(jù)的結(jié)果以及產(chǎn)生實際輸出。例如，利用內(nèi)置MEMS麥克風(fēng)，學(xué)生可以捕捉音頻和語音，然后利用模型和代碼進行語音轉(zhuǎn)文本處理、語音分析或語音擾亂。或者，學(xué)生可以將MEMS加速度計貼到一個人的胳膊上，以捕捉心跳引起的皮膚壓力微弱變化，然后開發(fā)并測試算法來消除噪聲、失真和許多其它信號偽像的影響以提取脈搏率。
利用模擬I/O電路，學(xué)生可以超越基本的數(shù)據(jù)采集，進入數(shù)據(jù)分析和信號產(chǎn)生領(lǐng)域。Wetjen說：“我們看到了實踐實驗室大受歡迎所帶來的機會，低成本的硬件易于設(shè)置和使用，學(xué)生們可以隨時隨地做自己的項目。”處理大多數(shù)實際傳感器信號的挑戰(zhàn)在于其波形常常處于非常低的電平，淹沒在噪聲中，并且具有復(fù)雜、非理想的形狀。因此，需要進行徹底的、復(fù)雜的、常常是動態(tài)的濾波才能提取所需的數(shù)據(jù)，提供有意義的結(jié)論。
MATLAB軟件非常適合用來解決這個挑戰(zhàn)（圖2）。Meehan補充說：“學(xué)生可以編寫一個MATLAB腳本以從傅里葉級數(shù)產(chǎn)生一個信號，輸出該信號至任意函數(shù)發(fā)生器，然后利用頻譜分析儀在屏幕上觀察函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的波形的頻率成分。他們還能看到各種濾波算法的效果，所有這些都會加深學(xué)生對理論的理解。”
圖2：利用MathWorks的MATLAB軟件，學(xué)生可以創(chuàng)建并捕捉信號，采集數(shù)據(jù)，然后評估各種濾波功能的效果及其它分析算法。
還有其它好處。由于學(xué)生是按照自己的進度在自己的空間操練，因此沒有“快做、做對、不要探究”的壓力，而且不會難堪。更重要的是，具有不同想法的學(xué)生有機會探索不同尋常的采集和分析算法，而不必擔(dān)心偏離標準課程軌道。
這種套件提供的IC和功能并非低速、低分辨率、性能有限、會嚴重束縛學(xué)生的子系統(tǒng)。例如，示波器提供每刻度250 μV至5 V的設(shè)置、可變增益、100 MSPS采樣速率和5 MHz帶寬，記錄長度最多達每通道16000點。頻譜分析儀具有10 MHz頻率范圍，1 MHz下的分辨率為250 Hz。對于信號源，波形發(fā)生器提供雙通道的標準和用戶自定義波形，以及掃描、包絡(luò)、AM和FM調(diào)制（圖3）。
圖3：因果關(guān)系非常鮮明且可視，正如該帶通濾波器函數(shù)和相關(guān)的紋波/滾降所示。
這種套件并不能取代深入的系統(tǒng)建模和仿真，這些都是當(dāng)今工程設(shè)計環(huán)境的關(guān)鍵要素，工程專業(yè)學(xué)生正像業(yè)界已經(jīng)做的那樣開始接受。如果沒有實際的硬件實踐來驗證設(shè)計和算法，學(xué)生們就會缺少設(shè)計過程的一個重要部分。這就是此類產(chǎn)品正在成為工程教育不可或缺的工具的原因。雖然只需要一臺通過USB電纜連接的標準PC，但他們的課程優(yōu)勢有很多：
? 讓更多學(xué)生獲得實踐機會，而且成本非常低；
? 學(xué)生可以按照自己的進度、在自己喜歡的地方和時間進行操練；
? 極大地降低了對昂貴測試設(shè)備的需求（否則常常需要共用或根本沒有）；
? 學(xué)生可以輕松探究其它思路，甚至不同尋常的想法；
? 利用實際接口和信號進行驗證，從而獲得更廣泛的工程設(shè)計經(jīng)驗，遠不止于簡單的建模和仿真。
現(xiàn)在，學(xué)生們可以利用成本不及一本教科書的自有硬件開發(fā)平臺，發(fā)現(xiàn)和探索與模擬電路、傳感器輸入/輸出、信號分析相關(guān)的實際設(shè)計問題，而不必像以前那樣，最多只能獲得非常有限的機會去使用裝備了昂貴的示波器、波形發(fā)生器、電源等設(shè)備的工作臺。這對學(xué)校和學(xué)生——未來的企業(yè)員工——來說是雙贏。