硬件設(shè)計 | 知識框架
[導(dǎo)讀]不懂硬件的人通常會覺得硬件高深莫測，比如為什么他改幾個電阻電容就調(diào)出來，我弄個半天沒搞定？噢，靠的是經(jīng)驗，但是經(jīng)驗又是什么呢？不能形容，反正就是覺不明厲。就是這種崇拜心理，才能觸發(fā)你的好奇心，去學(xué)下去，這也是成為工程師的首要條件，但這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要一條可供參考的學(xué)習(xí)路線，再加...
不懂硬件的人通常會覺得硬件高深莫測，比如為什么他改幾個電阻電容就調(diào)出來，我弄個半天沒搞定？噢，靠的是經(jīng)驗，但是經(jīng)驗又是什么呢？不能形容，反正就是覺不明厲。就是這種崇拜心理，才能觸發(fā)你的好奇心，去學(xué)下去，這也是成為工程師的首要條件，但這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要一條可供參考的學(xué)習(xí)路線，再加上99%的汗水和1%的靈感才可以。硬件設(shè)計，可以說是包羅萬象，它涉及到非常龐大的知識量，而且，一個電路錯一點小地方，都有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能工作。所以，搞硬件的人思維要非?？b密才可以，而這種思維要靠后面的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)出來的，而不是說還沒入門，就否定了自己。今天我們來介紹一下硬件設(shè)計的學(xué)習(xí)路線。?01??初級理論篇?1、高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)這里重點掌握微積分和矩陣，因為在后面的課程里面將會大量用到這兩個東西，是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。2、大學(xué)物理這里很多東西其實在高中有學(xué)到，重點掌握電阻、電容、電感的特性和電生磁、磁生電的原理，其中麥克斯韋方程組將會在射頻、微波中有用到。3、電路分析基礎(chǔ)其實電路基礎(chǔ)的理論并不難，但是有些抽象的東西，是暫時不能很好地去理解，比如說受控源（其實就是三極管），所以學(xué)完模電還要再回過頭來再看一遍，這里重點掌握戴維南定理，不然后面沒法學(xué)。4、模擬電子技術(shù)這是電子專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，至少學(xué)三遍，此外，學(xué)啃書是不行的，還得配合Multisim仿真軟件才能學(xué)好。如果說電路基礎(chǔ)、高數(shù)當(dāng)中的答案都是明確、唯一的，那么模電的答案將是不明確、多樣化的，需要在實踐中權(quán)衡取舍，一定要把以前的思維轉(zhuǎn)變過來，不然后面沒法學(xué)。這門課全部都是重點，但是學(xué)完它，除了抄書上的電路，你仍然什么都做不了，因為還需要其它方面的知識一起用才可以。在這里，不得不提一下器件特性這個概念，沒有它將不能打開電路設(shè)計的大門，但是由于篇幅有限，以后再寫文章介紹。5、數(shù)字電子技術(shù)這門課相對于模電來說，要簡單很多很多，它把三級管搭成各種門電路、觸發(fā)器，以便于直接把數(shù)學(xué)知識運(yùn)用起來。同時它也是FPGA的先修課，是硬件工程師向算法工程師（跟計算機(jī)的算法有很大區(qū)別）轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。這門課全部都是重點，但是要真正掌握它，還是得學(xué)FPGA才可以。6、電力電子技術(shù)這里講到晶閘管、IGBT和MOS管，都是用在強(qiáng)電領(lǐng)域的器件，是開關(guān)電源的先修課。可以說電源是硬件設(shè)計當(dāng)中最關(guān)鍵的部分，一個電源設(shè)計得好不好，直接影響整個系統(tǒng)能否正常工作。其中整流、逆變、升壓、降壓電路，都是要重點掌握的。?02? 中級理論篇?1、復(fù)變函數(shù)這門課跟高數(shù)的微積分一樣，是一種數(shù)學(xué)工具。復(fù)數(shù)信號是物理不可實現(xiàn)的，但是為什么需要復(fù)數(shù)？誠然，正弦波（包括余弦，下同）有振幅、頻率和相位三要素，如何在一個圖上面表示振幅與頻率的關(guān)系或者相位與頻率的關(guān)系（方便觀察分析才需要這樣弄）？這就需要用到復(fù)數(shù)了，其中i或者j（因為電流的符號是i，所以才換成j，以防混淆）表示的就是方向，對應(yīng)著極坐標(biāo)的向量。我們可以把復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換成模和輻角的形式，想象一下，模就是時鐘的秒針，而輻角就是秒針轉(zhuǎn)動的角度，秒針轉(zhuǎn)一圈就是個圓，而把這個圓的各點按照出現(xiàn)的時間先后，重新描繪在直角坐標(biāo)系中，就是一個正弦波。這就意味著，用復(fù)數(shù)可以表示一個正弦波的三要素，振幅就是模（秒針的長短），相位就是秒針轉(zhuǎn)動的角度，頻率就是秒針轉(zhuǎn)動的快慢。想一下，如果用實數(shù)來表示正弦波的三要素，是不是很麻煩？這里重點掌握留數(shù)、保形映射。2、信號與系統(tǒng)介紹如何利用數(shù)學(xué)建模去描述電路，就是這門課要研究的內(nèi)容。什么是信號？LED燈的亮滅、喇叭發(fā)出的聲音、天線感應(yīng)的電磁波等，有實際用途的信息載體（包括聲、光、電、熱等）都是信號。什么是系統(tǒng)？就是用來處理信息載體的東西，包括放大器、傳動裝置等，系統(tǒng)是一種更為抽象的概念，可大可小，小到一個三極管，大到一個無線收發(fā)裝置，這些都要根據(jù)實際需求來確定，不能一概而論。這門課都是重點。3、自動控制原理自控原理是信號與系統(tǒng)的姐妹學(xué)科，介紹如何用數(shù)學(xué)建模的方法去分析電路，主要分析電路的穩(wěn)定性。其中波特圖、PID都是要重點掌握的，學(xué)懂這門課就可以用里面的知識去分析一些較為復(fù)雜的帶運(yùn)放的電路，這種電路用KCL和KVL是仍然很難解決。4、高頻電子線路高頻是模電的非線性部分，你會發(fā)現(xiàn)高頻里面很多內(nèi)容跟模電都差不多，也有放大器、振蕩器、功放，但是這些電路用在更高的頻段，所以分析方法有所不同。模電的功底較為扎實的情況下，再學(xué)這門課，就不覺得難，因為它本身就是模電的擴(kuò)展，而不是全新的領(lǐng)域。這門課都是重點，至少學(xué)三遍。5、單片機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)很少有不用CPU的硬件電路了，而單片機(jī)正是最簡單的CPU，所以掌握單片機(jī)也是很有必要的。其中單片機(jī)的接口電路也是相當(dāng)考驗?zāi)愕挠布Φ椎摹?/span>6、電子測量技術(shù)做硬件的經(jīng)常要跟儀器打交道，學(xué)習(xí)測量技術(shù)，一方面讓你更能熟練地使用儀器，另一方面還能讓你做一些測量電路。這里會接觸很多新器件，大多都是傳感器，當(dāng)然重點研究的還是電氣特性。這門課并不難，關(guān)鍵要多做實驗。?03? 高級理論篇?1、信號完整性分析可以說硬件工程師最大的敵人就是干擾，要解決這些干擾就得做好電磁兼容性設(shè)計，學(xué)好這門課，才可以畫出性能更優(yōu)的PCB。2、開關(guān)電源學(xué)會設(shè)計電源電路，給自己的電路系統(tǒng)配上合適的電源，以及解決電源完整性問題，也是相當(dāng)考驗硬件工程師的模電功底。3、射頻電路設(shè)計隨著科技的發(fā)展，電路的工作頻率將會越來越高，頻率升高會帶來各種各樣的難題，所以學(xué)會設(shè)計射頻電路也是很有必要的。4、通信原理掌握現(xiàn)代的通信技術(shù)，其中包括信息論基礎(chǔ)和各種調(diào)制方式都會在各種通信電路當(dāng)中有用到。5、集成電路原理與應(yīng)用可以說，幾乎每塊電路板都會用到芯片，所以學(xué)習(xí)一下芯片的制造技術(shù)，將會讓你的硬件水平大大提高。舉個簡單的案例，數(shù)字電位器里面的電阻就是用MOS管構(gòu)成的有源電阻，一定要上電，它才體現(xiàn)出電阻的特性，如果只使用模電的知識將無法理解這一現(xiàn)象。?04? 總結(jié)?如果你認(rèn)為這么多書，怎么看都看不完，那是以一種靜止、偏面的觀點來分析問題了。其實上介紹了那么多課，很多內(nèi)容都是相通的，比如，數(shù)電里面的移位寄存器，就是單片機(jī)里面的串口收發(fā)器。模電里面的放大器、振蕩器，到了高頻、射頻，照樣講到，只是分析方法有點不同而已。高頻里面的AM、FM、PM，到了通信原理，照樣講到，此外還提出了ASK、FSK、PSK這幾種雷同而且更為簡單的調(diào)制方式。電力電子技術(shù)里面的直流斬波電路，就是開關(guān)電源的內(nèi)容，只是擴(kuò)展了一些內(nèi)容而已。
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