大學(xué)水平的實(shí)踐電路實(shí)驗(yàn)室正在回歸,，形式上與以前相同,，但實(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)室遭到嚴(yán)重削減，甚至完全消失,，而此類實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)將扭轉(zhuǎn)這一趨勢,。雖然有些實(shí)驗(yàn)室仍然可供數(shù)字設(shè)計(jì)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(shí)的機(jī)會,；從最好的方面講，學(xué)生只能用仿真和虛擬實(shí)驗(yàn)室來“湊合”,。

為了切身體會實(shí)際工程設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)工程副教授Kathleen Meehan表示：“實(shí)際實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的缺乏導(dǎo)致學(xué)生的興趣減退,，概念得不到加強(qiáng),，設(shè)計(jì)電路和電子系統(tǒng)的能力薄弱。”

好消息是,，學(xué)校重新認(rèn)識到：讓學(xué)生有機(jī)會觸摸感受真實(shí)的電路,，將來自聲音、振動,、溫度和壓力傳感器的實(shí)際信號引入學(xué)生的項(xiàng)目中,，可使學(xué)生真正受益。幸運(yùn)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(shí)驗(yàn)室成為可能,，而且令它具備與二十一世紀(jì)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(rèn)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(jì)套件（售價(jià)99美元）,。基本套件包括：兩個模擬輸入通道,，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(yùn)行。

圖1：Analog Discovery設(shè)計(jì)套件是實(shí)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(yàn)板”]

它由ADI公司設(shè)計(jì),，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(jì)和實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目,，以使模擬電路的設(shè)計(jì)和實(shí)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(biāo)準(zhǔn)PC,，因此學(xué)生可以按照自己的計(jì)劃,、在自己喜歡的地方操練。Meehan注意到：“學(xué)生們起初有點(diǎn)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(shí),，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(shí)踐體驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)其它功能,。她指出：“學(xué)生們常常晚上8點(diǎn)開始工作，有時(shí)一直持續(xù)到凌晨2點(diǎn)甚至3點(diǎn),。”

這種套件遠(yuǎn)不止是簡單的基于PC,、采用Digilent波形軟件和ADI公司實(shí)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(jì),、實(shí)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(jì)套件和MATLAB學(xué)生版的結(jié)合，使得學(xué)生們能夠獲得實(shí)實(shí)在在的體驗(yàn)：捕捉實(shí)際信號,；對信號進(jìn)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(shí)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(jìn)行語音轉(zhuǎn)文本處理,、語音分析或語音擾亂?；蛘?，學(xué)生可以將MEMS加速度計(jì)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(jìn)入數(shù)據(jù)分析和信號產(chǎn)生領(lǐng)域。Wetjen說：“我們看到了實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室大受歡迎所帶來的機(jī)會,，低成本的硬件易于設(shè)置和使用,，學(xué)生們可以隨時(shí)隨地做自己的項(xiàng)目。”處理大多數(shù)實(shí)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(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(jī)會探索不同尋常的采集和分析算法,，而不必?fù)?dān)心偏離標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(dá)每通道16000點(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)際的硬件實(shí)踐來驗(yàn)證設(shè)計(jì)和算法,，學(xué)生們就會缺少設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)PC,，但他們的課程優(yōu)勢有很多：

?   讓更多學(xué)生獲得實(shí)踐機(jī)會,，而且成本非常低；

?   學(xué)生可以按照自己的進(jìn)度,、在自己喜歡的地方和時(shí)間進(jìn)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(shí)際接口和信號進(jìn)行驗(yàn)證，從而獲得更廣泛的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),，遠(yuǎn)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(shí)際設(shè)計(jì)問題,，而不必像以前那樣,，最多只能獲得非常有限的機(jī)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。