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(guò)個(gè)性化的測(cè)試和測(cè)量來(lái)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(zhuān)院校也能支持這些特性。
近年來(lái)，由于儀器儀表的成本壓力和物理空間的要求，大專(zhuān)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(lèi)實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)將扭轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)。雖然有些實(shí)驗(yàn)室仍然可供數(shù)字設(shè)計(jì)和軟件專(zhuān)業(yè)學(xué)生使用，但從最壞的方面講，電氣（模擬）工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生幾乎沒(méi)有或只有極少的接觸現(xiàn)實(shí)的機(jī)會(huì)；從最好的方面講，學(xué)生只能用仿真和虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)“湊合”。
為了切身體會(huì)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(guó)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(shí)到：讓學(xué)生有機(jī)會(huì)觸摸感受真實(shí)的電路，將來(lái)自聲音、振動(dòng)、溫度和壓力傳感器的實(shí)際信號(hào)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(dòng)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(kāi)發(fā)了一款針對(duì)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(gè)模擬輸入通道，可配置為示波器、頻譜分析儀或電壓表；兩個(gè)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(guò)單個(gè)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(guò)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(gè)中的一個(gè)；我喜歡使用第二個(gè)，它帶有“試驗(yàn)板”]
它由ADI公司設(shè)計(jì)，Digilent制造和經(jīng)銷(xiāo)，通過(guò)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(shū)、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(guò)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(guò)電阻或使用過(guò)萬(wàn)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(duì)很多學(xué)生來(lái)說(shuō)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(gè)豐富的視頻教程庫(kù)，以便學(xué)生了解如何完成基本設(shè)置、執(zhí)行測(cè)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(kāi)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(jiǎn)單的基于PC、采用Digilent波形軟件和ADI公司實(shí)際信號(hào)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(lái)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和評(píng)估算法，這一過(guò)程可使學(xué)生獲得更深的領(lǐng)悟。Mathworks產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Eric Wetjen表示：簡(jiǎn)單易用很重要，“無(wú)需培訓(xùn)，API直截了當(dāng)，只需幾行代碼就能開(kāi)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(hào)；對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、處理和分析；展開(kāi)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(yǔ)音，然后利用模型和代碼進(jìn)行語(yǔ)音轉(zhuǎn)文本處理、語(yǔ)音分析或語(yǔ)音擾亂。或者，學(xué)生可以將MEMS加速度計(jì)貼到一個(gè)人的胳膊上，以捕捉心跳引起的皮膚壓力微弱變化，然后開(kāi)發(fā)并測(cè)試算法來(lái)消除噪聲、失真和許多其它信號(hào)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(hào)產(chǎn)生領(lǐng)域。Wetjen說(shuō)：“我們看到了實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室大受歡迎所帶來(lái)的機(jī)會(huì)，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(hào)的挑戰(zhàn)在于其波形常常處于非常低的電平，淹沒(méi)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(dòng)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(lái)解決這個(gè)挑戰(zhàn)（圖2）。Meehan補(bǔ)充說(shuō)：“學(xué)生可以編寫(xiě)一個(gè)MATLAB腳本以從傅里葉級(jí)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，輸出該信號(hào)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(huì)加深學(xué)生對(duì)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(hào)，采集數(shù)據(jù)，然后評(píng)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(méi)有“快做、做對(duì)、不要探究”的壓力，而且不會(huì)難堪。更重要的是，具有不同想法的學(xué)生有機(jī)會(huì)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(huì)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?cè)鲆妗?00 MSPS采樣速率和5 MHz帶寬，記錄長(zhǎng)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(duì)于信號(hào)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(zhuān)業(yè)學(xué)生正像業(yè)界已經(jīng)做的那樣開(kāi)始接受。如果沒(méi)有實(shí)際的硬件實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和算法，學(xué)生們就會(huì)缺少設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)重要部分。這就是此類(lèi)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(tái)通過(guò)USB電纜連接的標(biāo)準(zhǔn)PC，但他們的課程優(yōu)勢(shì)有很多：
? 讓更多學(xué)生獲得實(shí)踐機(jī)會(huì)，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(duì)昂貴測(cè)試設(shè)備的需求（否則常常需要共用或根本沒(méi)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(hào)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(jiǎn)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(shū)的自有硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)和探索與模擬電路、傳感器輸入/輸出、信號(hào)分析相關(guān)的實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題，而不必像以前那樣，最多只能獲得非常有限的機(jī)會(huì)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(tái)。這對(duì)學(xué)校和學(xué)生——未來(lái)的企業(yè)員工——來(lái)說(shuō)是雙贏。