大学水平的实践电路实验室正在回归，形式上与以前相同，但实现方式上大不相同。

硬件和软件的发展已经支持通过个性化的测试和测量来实现数据采集和分析。因此，这一训练工具有望成为学生重要学习体验的核心，它具有当今学生期望的特性，而且大专院校也能支持这些特性。

近年来，由于仪器仪表的成本压力和物理空间的要求，大专院校不堪承受，教学实验室遭到严重削减，甚至完全消失，而此类实验室的出现将扭转这一趋势。虽然有些实验室仍然可供数字设计和软件专业学生使用，但从最坏的方面讲，电气（模拟）工程专业学生几乎没有或只有极少的接触现实的机会；从最好的方面讲，学生只能用仿真和虚拟实验室来“凑合”。

为了切身体会实际工程设计的主旨和技术，这并不是令人满意的解决方案。

美国弗吉尼亚理工学院和州立大学的电气与计算机工程副教授Kathleen Meehan表示：“实际实验经验的缺乏导致学生的兴趣减退，概念得不到加强，设计电路和电子系统的能力薄弱。”

好消息是，学校重新认识到：让学生有机会触摸感受真实的电路，将来自声音、振动、温度和压力传感器的实际信号引入学生的项目中，可使学生真正受益。幸运的是，低成本硬件、IC、基于软件的仪器仪表和数据分析工具的发展，不仅使得这种新型实验室成为可能，而且令它具备与二十一世纪学习环境和需求相适应的特性。

正是在这些因素的驱动下，三家在各自领域均为公认领导者的供应商通力合作，开发了一款针对学生的解决方案——Analog Discovery设计套件（售价99美元）。基本套件包括：两个模拟输入通道，可配置为示波器、频谱分析仪或电压表；两个模拟输出通道，可配置为波形发生器、直流输出，或与输入结合构成网络分析仪；16通道数字I/O，可配置为逻辑分析仪、数字模式发生器或总线分析仪；以及±5V电源，全都通过单个USB连接器运行。

图1：Analog Discovery设计套件是实际的模拟和数字输入/输出接口，通过USB连接PC，提供示波器、频谱分析仪、电压表和波形发生器功能。

 [使用以下两个中的一个；我喜欢使用第二个，它带有“试验板”]

它由ADI公司设计，Digilent制造和经销，通过MathWorks, Inc.提供的支持包兼容MATLAB软件。完整套件包括可下载的教材、在线支持、教科书、参考设计和实验室项目，以使模拟电路的设计和实现成为工程教材的一部分。

这种套件可通过USB电缆连接到标准PC，因此学生可以按照自己的计划、在自己喜欢的地方操练。Meehan注意到：“学生们起初有点害怕，许多人从未看到过电阻或使用过万用表，但到学期结束时，他们游刃有余并且信心十足。”由于这对很多学生来说是第一次实践体验，因此弗吉尼亚理工学院建立了一个丰富的视频教程库，以便学生了解如何完成基本设置、执行测量及实现其它功能。她指出：“学生们常常晚上8点开始工作，有时一直持续到凌晨2点甚至3点。”

这种套件远不止是简单的基于PC、采用Digilent波形软件和ADI公司实际信号处理IC的数据采集和显示仪器。它还兼容MathWorks出品的著名MATLAB软件学生版，允许学生利用采集到的数字化数据来设计、实现和评估算法，这一过程可使学生获得更深的领悟。Mathworks产品营销经理Eric Wetjen表示：简单易用很重要，“无需培训，API直截了当，只需几行代码就能开始收集数据。”

Digilent Analog Discovery设计套件和MATLAB学生版的结合，使得学生们能够获得实实在在的体验：捕捉实际信号；对信号进行滤波、处理和分析；展开基于数据的结果以及产生实际输出。例如，利用内置MEMS麦克风，学生可以捕捉音频和语音，然后利用模型和代码进行语音转文本处理、语音分析或语音扰乱。或者，学生可以将MEMS加速度计贴到一个人的胳膊上，以捕捉心跳引起的皮肤压力微弱变化，然后开发并测试算法来消除噪声、失真和许多其它信号伪像的影响以提取脉搏率。

利用模拟I/O电路，学生可以超越基本的数据采集，进入数据分析和信号产生领域。Wetjen说：“我们看到了实践实验室大受欢迎所带来的机会，低成本的硬件易于设置和使用，学生们可以随时随地做自己的项目。”处理大多数实际传感器信号的挑战在于其波形常常处于非常低的电平，淹没在噪声中，并且具有复杂、非理想的形状。因此，需要进行彻底的、复杂的、常常是动态的滤波才能提取所需的数据，提供有意义的结论。

MATLAB软件非常适合用来解决这个挑战（图2）。Meehan补充说：“学生可以编写一个MATLAB脚本以从傅里叶级数产生一个信号，输出该信号至任意函数发生器，然后利用频谱分析仪在屏幕上观察函数发生器所产生的波形的频率成分。他们还能看到各种滤波算法的效果，所有这些都会加深学生对理论的理解。”

图2：利用MathWorks的MATLAB软件，学生可以创建并捕捉信号，采集数据，然后评估各种滤波功能的效果及其它分析算法。

还有其它好处。由于学生是按照自己的进度在自己的空间操练，因此没有“快做、做对、不要探究”的压力，而且不会难堪。更重要的是，具有不同想法的学生有机会探索不同寻常的采集和分析算法，而不必担心偏离标准课程轨道。

这种套件提供的IC和功能并非低速、低分辨率、性能有限、会严重束缚学生的子系统。例如，示波器提供每刻度250 μV至5 V的设置、可变增益、100 MSPS采样速率和5 MHz带宽，记录长度最多达每通道16000点。频谱分析仪具有10 MHz频率范围，1 MHz下的分辨率为250 Hz。对于信号源，波形发生器提供双通道的标准和用户自定义波形，以及扫描、包络、AM和FM调制（图3）。

图3：因果关系非常鲜明且可视，正如该带通滤波器函数和相关的纹波/滚降所示。

这种套件并不能取代深入的系统建模和仿真，这些都是当今工程设计环境的关键要素，工程专业学生正像业界已经做的那样开始接受。如果没有实际的硬件实践来验证设计和算法，学生们就会缺少设计过程的一个重要部分。这就是此类产品正在成为工程教育不可或缺的工具的原因。虽然只需要一台通过USB电缆连接的标准PC，但他们的课程优势有很多：

Ÿ   让更多学生获得实践机会，而且成本非常低；

Ÿ   学生可以按照自己的进度、在自己喜欢的地方和时间进行操练；

Ÿ   极大地降低了对昂贵测试设备的需求（否则常常需要共用或根本没有）；

Ÿ   学生可以轻松探究其它思路，甚至不同寻常的想法；

Ÿ   利用实际接口和信号进行验证，从而获得更广泛的工程设计经验，远不止于简单的建模和仿真。

现在，学生们可以利用成本不及一本教科书的自有硬件开发平台，发现和探索与模拟电路、传感器输入/输出、信号分析相关的实际设计问题，而不必像以前那样，最多只能获得非常有限的机会去使用装备了昂贵的示波器、波形发生器、电源等设备的工作台。这对学校和学生——未来的企业员工——来说是双赢。