MCU工程师炼成记——谈谈电子技术的入门之路

chunyang

MCU工程师炼成记——谈谈电子技术的入门之路 [复制链接]

 

从欧姆定律启航

电子技术涉及到的理论和应用知识方方面面非常众多，其实必须掌握的只有欧姆定律这个初中就已经学过的公式：U＝I×R，稍稍扩展一下：P＝U×I。欧姆定律已经能够解决多数常规电子电路设计中的分析、计算问题，即使很多严格来讲需要涉及到高等教育内容和使用高等数学工具的问题，也往往能够使用欧姆定律来进行工程近似计算。另外必须掌握的还有电阻、电容的串并联计算方法，这些也都是中等教育的内容，也就是说，一个只接受过九年义务教育的人，应该已经具备了成为电子工程师所需的知识基础。

用欧姆定律写作业、答试卷，相信是每一个读到本文的读者都经历过的，但不是每个人都真的会应用欧姆定律，事实上绝大多数没入门的初学者都不会。为什么我会做出这样的判断？

论坛上经常可以见到这样的问题：485总线的偏置电阻应该选多少？7805的输出电流不是1A么，怎么我的才输出100mA就烫的不行了？等等……这些都是典型的不会应用欧姆定律的案例。对于第一个问题，知道了电源电压和485总线规定的200mV逻辑门限电平，同时知道总线终端电阻的并联阻抗是60欧姆（两个120欧姆电阻并联的结果），剩下的就是用欧姆定律计算在当前电源电压下，在60欧姆上串联多大的电阻能使60欧姆阻抗上的分压大于等于200mV，然后除以2分成两个电阻问题即可解决，难度也就是初三物理课后作业的水平。那个7805烫手的问题更简单，根据输入输出压差，也就是落在7805上的电压再乘以7805的输入电流即可得到7805的耗散功率，烫手是否正常立刻可知。如果弄明白了怎么应用欧姆定律，这类问题根本就没有任何难度，要养成的习惯仅仅是遇到实际问题时有意识的去考虑应用简单的理论计算来找寻答案。

当今的电子电路设计以嵌入式数字电路为主，绝大多数这方面的应用设计并不涉及到高频、大功率或微弱信号的处理，也不会有很多复杂的回路，因此电路设计中的理论计算主要依靠欧姆定律就可以了。至于那些需要更多更深层次理论计算的应用，可以在遇到时再临时补课，比如欧姆定律的“升级”基尔霍夫定律、戴维南定律等等，凡是接受过理工科高等教育的读者，对这些定律的名称都不会陌生，这里同样要学会的是如何应用理论公式来解决实际问题。

在实践中，其实只要稍稍注意一下“解题”的方法，也就是说在解决实际问题时的意识和思路，那么真正掌握欧姆定律的应用并不是什么难事，剩下的就是学习和积累相关的专业知识了，那么该关注的重点都有哪些呢？

chunyang

欧姆定律只是中等教育的内容，理工科高等教育的内容主要集中在两个方面：一是更高层次的数学工具和理论知识，二是专业方向所涉及的专业知识。这里，我主要跟大家聊一下作为电子工程师该重点关注和学好的专业课程。

首先，最最重要的一门课就是电子技术基础（国外称“电子学”），包括模拟和数字两部分，模拟部分尤其是重中之重，而模拟电路的重点则是晶体管的基本原理和应用电路。很多年轻人认为现在都数字时代了，晶体管有可能一辈子都用不到，所以学的时候一点也不用心，但事实上晶体管电路是当今几乎一切电子电路的基础单元。你看不见它并不代表它不存在，想绕开它根本就不可能。不管是数字电路还是模拟运放亦或是高频电路、电源电路等等，归根结底还是晶体管电路，只有弄明白了晶体管基本原理并掌握其应用电路的分析设计方法其他的“高级”电路才可能真正掌握，所以绝对不能偏废。其他该掌握的还有运放基本应用知识和各种逻辑门乃至组合逻辑、时序逻辑的基本特性及分析、设计方法，如果想在理论上进一步提升还要学好电路（也有称作“电路基础”、“电路原理”的）以及信号与系统这两门课。

其次，计算机原理也是要重点关注的课程。现代电子技术应用中多数领域都离不开计算机技术，甚至可以说计算机技术已深入到生活的方方面面。电子工程师的很多设计工作自然也是围绕着计算机技术展开的，其重要性不必多说。很多初学者总是困惑于如何学好单片机，其实原则上单片机根本不用去专门学，学好了电子技术基础和计算机原理，单片机基本上就可以手到擒来了，当然，编程语言不能忽略。由于C语言是目前嵌入式计算机平台的主要工作编程语言，所以对于电子工程师而言，掌握C语言的编程是必须的。如果同时能够再掌握汇编语言自然更好，那将会对底层控制的理解更加深入。如果想在软件编程方面有进一步的提高，软件工程这门课很有意义。

如果想进入高频电子/无线通讯技术领域，电磁场论和数字通讯这两门课很重要，想从事电源类技术工作的则需要加强功率模拟电路知识并学习磁性元件、开关电源原理等。自动化类专业当然离不开自控原理，特别是经典控制论。

以上应该是大学期间该重点学好的专业课程的“最小集合”了，鉴于现今的技术资料多数为英文的，所以至少英文的阅读特别是英文技术文档的阅读必须掌握；如果不能，那电子工程师这个职业恐怕就不适合你，勉强为之的话也不会有多大作为，切记、切记。就英文专业文档的阅读而言，其实并不需要多么高深的英文水平，正确理解专业词汇的意义才是关键，而这可以通过大量阅读中文技术文档在熟悉和掌握有关专业汉语词汇的基础上借助英汉辞典来实现，剩下的唯耐心和细心而已。

最后简单地谈谈数学。数学是现代科学及工程技术都离不开的工具，太多知识的背后其实就是数学，数学反应的是客观世界的规律，如果在对现象的理解和掌握的基础上再进一步去理解和掌握现象背后的数学规律，那么在技术水平达到一定高度后，数学的力量就会显现。甚至可以说，一个人的技术之路最终能到达何处，将由其数学能力决定。

辛昕

论坛上经常可以见到这样的问题：485总线的偏置电阻应该选多少？7805的输出电流不是1A么，怎么我的才输出100mA就烫的不行了？等等……这些都是典型的不会应用欧姆定律的案例。

因为对于春阳老师突然说了一通 欧姆定律，然后写到这个我也经常遇到，然后很郁闷很纠结（奇怪，为什么我现在一有这种感觉，就感到心脏的地方感觉偏上的地方有点紧有点不是很疼但是隐隐的感觉呢？？）

但是，我觉得，还需要在春阳老师 第一段 和 这一段话 之间加 一个 补充，让我来给春阳老师 打打下手。

如何看待一个器件（以简单 二端器件 为例）

欧姆定律不多说了，大家都懂。
我们经常这样说“懂得欧姆定律，懂得小学乘除，就能计算许多要算的东西了”
——但是很多不会的人还是不会，我想这是因为他们缺少了一个中间知识
——你如何看待一个器件。

在这里，我们仅仅只分析最简单的三个电学量 电压 电流 电阻（或称阻抗更加合适）
我们知道，电压表示两个点之间的电位差，电流表达的是在两个点之间移动电荷的速率。
仍然以最经典的 水流作比喻。

三千里黄河东入海，是因为有水位高低，水才滚滚而流。
注意，我们此处不去关心微观电子流动方向，我们仅仅从 宏观，从常用的关联参考方向考虑问题。
电流也一样，正因为两点之间有电位差（相当于水位差），电流才流动起来了。

那么，如果你要如何控制水流大小呢？
我们小时候都知道，只要把水管挤一挤，水流出来的自然就小了（当然，后果是你要小心水会越喷越厉害......）
我们挤地越厉害，水流就越小。

于是，我们用一种东西来描述这种控制作用，叫 阻抗。
阻抗就是抵抗，阻碍的意思。

而控制电压电流的东西叫 电阻抗，在一种最简单的情况下，是 电阻，没错，你也可以理解为你所看到的那种色环电阻。

  下面接着来哈

辛昕

这个时候欧姆定律就呼之欲出了。

R = U/I。

但是，这世界上有许多器件，而不只是电阻。
这个时候，我们就要学会用 阻抗 的 观点 去看待一个二端器件。

我们首先来考虑一个断开的开关
我们知道，在理想的情况下，无论我们在开关的两端加上多大的电压，它死活就是不会产生电流。
也就是说 U->无穷大 I = 0
那么，从极限的角度考虑 R = U/I 也是无穷大咯。

反之，我们考虑一根导线，零阻抗那种导线
R = 0. 仍然从极限的角度考虑
我们现在把 欧姆定律改写成 I = U/R
显然，无论U多么多么的小，只要不是和R一样为0，那么，I就是趋于无穷大。

而在这两者之间的情形，则是更一般的情形，就是R总是一个有限数值，因此，加上一定得U，就可以产生一定得I，或者说，如果可以给这个器件通以一定得I，则可以在器件两端产生一定得U。

而事实上，我们研究任何器件，都可以粗略归结为研究它的 阻抗特性。（或至少第一步要研究阻抗特性）

这是为什么呢？
这是因为，我们设计电路，为的是通过电路，获取某种 电压-电流 的函数关系，不管是局部还是整机电路。
而电压和电流被定义为电阻（商的定义，乘积的定义是 功率）
而器件，器件本身是一种函数模拟的介质。

比如说，一个10欧电阻，它是一个最简单的正比例函数的实现介质，其斜率就是10.
但是，我们还需要更复杂的 函数关系。
比方说，电容，和电感，我们通过它，可以分别实现 微分 和 积分 的函数特性。

而利用二极管，三极管，我们还能获取更复杂更有趣的 离散型 开关功能。（相当于数学上的分段函数）。

现在就记住一点。
因为我们通过电路设计，器件选择，最终实现的目的是实现某种特定的 电压电流关系，而沟通 电压和电流 的一个 根本特性是 阻抗（电阻），所以，我们只要通过阻抗的角度（或者U-I关系）去看待一个二端器件。
我们就可以理解，和在可允许的范围内，随心所欲地设置我们需要的电流，电压。

[ 本帖最后由 辛昕 于 2013-9-16 18:38 编辑 ]

辛昕

看到第二个帖子。
就电路而言。

我觉得大家可以看看 工程电路分析 这本书 老外那本。
前六章内容，我相信大多数人都不陌生。
你缺乏的只是一个系统的认识框架
以及一些向实际应用的扩展。

我们看到的教科书最缺乏的就是后面这一类。
我始终相信，如果你不了解根本概念，就直接去看一堆公式和推演过程

那么，你永远不知道你自己在算什么。

我相信，这也是为什么大多数人懂得欧姆定律，却未必能理解我上面发的那两个帖子的根本原因。
这本书很厚，而且内容到后面很深，于是有一些人经常说，我不懂微积分，我只有小学水平，怎么办。

额，坦白说，前六章，还真的是初中水平就够用了的说。

最重要的始终是概念。
你要知道，你自己到底在算什么。

而工程电路分析这本书，前六章对我来说，除了系统和一些和实际应用联系的沟通对我来说，是不晓得新收获以外，更重要的是，它教会我一种 从模型的角度看问题。

所以你不再会理所当然的把一个电阻看成一个电阻。把一个运放堪称一个运放。你会把它看成一个模型，看成一个在不同情况下不同角度考虑的模型。
而这些模型的背后，则沟通着我们最关心的电压，电流，功率以及其他任何你所关心，比如你要测量的，你要驱动的电量。

chunyang

呵呵，辛版的体会讲的不错，本版版主应该赏条“裤子”穿穿。

Vickers

很精彩！

chunyang

哦，裤子赏给俺，别落下辛昕的，引发出的讨论才是最重要的。

soso

原帖由 chunyang 于 2013-9-25 17:47 发表
哦，裤子赏给俺，别落下辛昕的，引发出的讨论才是最重要的。

让技术添加一个最佳回复的功能。

chunyang

“最佳回复”应该有，但更应准许给回帖加酷。

benny512

讲得非常清楚与仔细~学习学习

ligong2926

不错的帖子，受用了！！！谢谢！！！

lkl0305

很好！！！

szyijitong

万丈高楼平地起哈，呵呵。

火星撞地球

非常不错的一本书！！！！！！！！！！支持！！！！

通宵敲代码

学习了，欧姆定律！、
基础中的基础！
重点中的重点！

lclhitwh

好资源，真心好楼主，学习学习，真心希望电子工程世界这个论坛越来越好，希望大家都能来支持楼主

hippozhu

好东西，受教了，默默地回去看书

m223

看似复杂的应用，却是简单的欧姆定律在发挥应用，再看 版主等人的指教，更领会了 理论和实践结合的 意义。

m223

我买了 《MCU工程师炼成记 》这本书，正在看，好希望结识 教主级别的作者呀，尤其是  @chunyang ,