大學水平的實踐電路實驗室正在回歸，形式上與以前相同，但實現方式上大不相同。

硬件和軟件的發展已經支持通過個性化的測試和測量來實現數據采集和分析。因此，這一訓練工具有望成為學生重要學習體驗的核心，它具有當今學生期望的特性，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，教學實驗室遭到嚴重削減，甚至完全消失，而此類實驗室的出現將扭轉這一趨勢。雖然有些實驗室仍然可供數字設計和軟件專業學生使用，但從最壞的方面講，電氣（模擬）工程專業學生幾乎沒有或只有極少的接觸現實的機會；從最好的方面講，學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計的主旨和技術，這并不是令人滿意的解決方案。

美國弗吉尼亞理工學院和州立大學的電氣與計算機工程副教授Kathleen Meehan表示：“實際實驗經驗的缺乏導致學生的興趣減退，概念得不到加強，設計電路和電子系統的能力薄弱。”

好消息是，學校重新認識到：讓學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生的項目中，可使學生真正受益。幸運的是，低成本硬件、IC、基于軟件的儀器儀表和數據分析工具的發展，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習環境和需求相適應的特性。

正是在這些因素的驅動下，三家在各自領域均為公認領導者的供應商通力合作，開發了一款針對學生的解決方案——Analog Discovery設計套件（售價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，可配置為波形發生器、直流輸出，或與輸入結合構成網絡分析儀；16通道數字I/O，可配置為邏輯分析儀、數字模式發生器或總線分析儀；以及±5V電源，全都通過單個USB連接器運行。

圖1：Analog Discovery設計套件是實際的模擬和數字輸入/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公司設計，Digilent制造和經銷，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、參考設計和實驗室項目，以使模擬電路的設計和實現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，但到學期結束時，他們游刃有余并且信心十足。”由于這對很多學生來說是第一次實踐體驗，因此弗吉尼亞理工學院建立了一個豐富的視頻教程庫，以便學生了解如何完成基本設置、執行測量及實現其它功能。她指出：“學生們常常晚上8點開始工作，有時一直持續到凌晨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的數據采集和顯示儀器。它還兼容MathWorks出品的著名MATLAB軟件學生版，允許學生利用采集到的數字化數據來設計、實現和評估算法，這一過程可使學生獲得更深的領悟。Mathworks產品營銷經理Eric Wetjen表示：簡單易用很重要，“無需培訓，API直截了當，只需幾行代碼就能開始收集數據。”

Digilent Analog Discovery設計套件和MATLAB學生版的結合，使得學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；展開基于數據的結果以及產生實際輸出。例如，利用內置MEMS麥克風，學生可以捕捉音頻和語音，然后利用模型和代碼進行語音轉文本處理、語音分析或語音擾亂。或者，學生可以將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，學生可以超越基本的數據采集，進入數據分析和信號產生領域。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置和使用，學生們可以隨時隨地做自己的項目。”處理大多數實際傳感器信號的挑戰在于其波形常常處于非常低的電平，淹沒在噪聲中，并且具有復雜、非理想的形狀。因此，需要進行徹底的、復雜的、常常是動態的濾波才能提取所需的數據，提供有意義的結論。

MATLAB軟件非常適合用來解決這個挑戰（圖2）。Meehan補充說：“學生可以編寫一個MATLAB腳本以從傅里葉級數產生一個信號，輸出該信號至任意函數發生器，然后利用頻譜分析儀在屏幕上觀察函數發生器所產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生對理論的理解。”

圖2：利用MathWorks的MATLAB軟件，學生可以創建并捕捉信號，采集數據，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，具有不同想法的學生有機會探索不同尋常的采集和分析算法，而不必擔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、會嚴重束縛學生的子系統。例如，示波器提供每刻度250 μV至5 V的設置、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，波形發生器提供雙通道的標準和用戶自定義波形，以及掃描、包絡、AM和FM調制（圖3）。

圖3：因果關系非常鮮明且可視，正如該帶通濾波器函數和相關的紋波/滾降所示。

這種套件并不能取代深入的系統建模和仿真，這些都是當今工程設計環境的關鍵要素，工程專業學生正像業界已經做的那樣開始接受。如果沒有實際的硬件實踐來驗證設計和算法，學生們就會缺少設計過程的一個重要部分。這就是此類產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，但他們的課程優勢有很多：

?   讓更多學生獲得實踐機會，而且成本非常低；

?   學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備的需求（否則常常需要共用或根本沒有）；

?   學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計經驗，遠不止于簡單的建模和仿真。

現在，學生們可以利用成本不及一本教科書的自有硬件開發平臺，發現和探索與模擬電路、傳感器輸入/輸出、信號分析相關的實際設計問題，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、波形發生器、電源等設備的工作臺。這對學校和學生——未來的企業員工——來說是雙贏。