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技術交(jiāo)流

給初級工程師們的一(yī)封信——如何(hé)成爲硬件高手
來源:   發布時間:2017-05-02   浏覽(lǎn)量:62

        古人學問(wèn)無遺力,少(shǎo)壯工夫老始(shǐ)成(chéng)。若問硬件速成法,猶(yóu)似浮沙(shā)立大廈。千萬别認爲(wèi)看後就能(néng)成爲高手(shǒu),當然筆者亦非(fēi)高手,水滴石穿又豈是朝夕之功(gōng)!謹以過往經曆和拙見(jiàn)與在校學(xué)生朋友(yǒu)和剛工作的(de)工程師分享共勉。


理論(lùn)學習

        沒有滿腹經(jīng)綸,何能出口成章(zhāng)。但覺得書海茫茫,不知從何下手?應先把課(kè)本啃完,此(cǐ)是基礎。怎算啃完?把所有内容看完,所有公式推導一遍,習(xí)題全部(bù)做完。按照老師講授的(de)内容隻夠(gòu)應付考試,書名都帶基礎,還挑着學,還想從事此行業,連門都還沒進呢!事實證明,往往選讀的内容實際工作中很(hěn)常用(yòng)到。

        淡然無味的(de)文字,晦澀的公式,望而生畏?此(cǐ)時(shí)需要一位良師——興趣。每人興(xìng)趣來源也許不同,爲了電子競賽,爲了找個好工作,無論如何(hé)有了興趣就有求知的(de)欲望。筆者的興趣(qù)源于幼時的好奇心(xīn),總想拆開收音機看看人在哪裏,隻見元件一堆。後來将壞電器的元件拆下(xià)用(yòng)細銅(tóng)絲連接釘于木(mù)闆上,插上220V,試試有何功能,結果當然是爆了。直到五年(nián)級從親戚處拿來一些電器維修的書(shū),從7管收音機電路了解到放大的概念,電風扇副繞組電容分相與主(zhǔ)繞組形成旋轉磁(cí)場,電飯鍋利用鐵(tiě)氧體的居裏點(diǎn)自動跳閘,頓覺電子世界其樂無窮。凡(fán)見帶電的東西都(dōu)要一窺其原理,地攤淘舊(jiù)書,抄(chāo)壞電器的電路圖研究,利是錢買來一把烙鐵和一個指針(zhēn)萬用表,一堆腐乳瓶裝住分好類的阻容晶體管,從此(cǐ)踏(tà)上這條不歸路。

        大學課本爛熟于心後,可以先(xiān)找(zhǎo)開創性、原理性(xìng)的書(shū)籍來研究,看到技術發展脈絡。比如從電子管開始研究放大器,了解栅(shān)偏壓對陽極電流的控制作用,如何設置(zhì)工作點和負反(fǎn)饋,到晶體管放大再到集(jí)成電路,你會發現其實JFET與(yǔ)電子管有些類似。從電磁學到電動(dòng)力學,固體物理、半導體物理到半導(dǎo)體器件物理,控制理論。另(lìng)外還可學習熱力學、光(guāng)學,一(yī)級級進階豐富知識面。當前工程實踐中的問題都可應用這些理論解釋,電路調試中所謂“靈(líng)異”現象不過是你水平不夠而(ér)已。而一些設計手冊、指南是應對器件電路非理想特性的應用技(jì)巧,沒有過多推導,也不難理解。

        别以爲老舊的知識過了時,當今(jīn)熱(rè)門技術早有(yǒu)理論研究。現在(zài)火熱的AI,從1950年提出(chū)圖靈(líng)試驗,1969年成(chéng)立IJCAI,1987年召開第一次國(guó)際神經網絡會議,到當今随着網絡發展和硬件計算能力提高,理論才得以實現和大量(liàng)應用,被常人所熟知。

        最重要一點(diǎn),别刻意記憶結論,要自己推導(dǎo)一遍。有人覺得爲何不能寫得(dé)生動活潑,公式一大堆,其實技(jì)術是講求根據的,非憑感覺,任何試圖以通俗易懂的方式去轉化都有可能偏離本質,真正有興趣的人自不覺枯燥,望而卻步的(de)人也許志不(bú)在此。像《一分鍾理(lǐ)解xxx》,不過是爲(wèi)讓常人易于理解,對工程(chéng)師是不夠的,高(gāo)端技術也(yě)不會通俗(sú)易懂。

 

 

實踐

        實踐的重要性不言而喻,對(duì)一(yī)些結論和想法進行驗證,印象(xiàng)異常深刻。以前(qián)做一個晶體管(guǎn)音頻放大器,偏置電(diàn)流設置得(dé)比較低,輸入線引長之後(hòu)竟然(rán)收到了(le)AM電台,說明低偏置電流(liú)下三極管發射結進行了(le)檢波,将靠近輸入端的引線在鐵氧體磁芯上繞幾圈便被抑制了,說明了扼流圈的作用。

        可惜大學裏提供給學(xué)生實(shí)踐的資源還是很有限。不過即便如此,有(yǒu)時還是可以變通(tōng)一下,以前做(zuò)一個升壓逆變器,沒有大功率晶體(tǐ)管,就用薄鐵片剪一個齒輪,膠水固定在錄音(yīn)機(jī)馬達轉軸上,電池(chí)碳棒(bàng)作電刷,齒(chǐ)輪通(tōng)斷形成開關,工頻變(biàn)壓器倒過來用,實(shí)現(xiàn)了升壓,但變壓器燙(tàng)手(shǒu),要先轉起來再用碳棒靠近,避免(miǎn)鐵(tiě)芯飽和。

        在實踐過程中(zhōng),還需(xū)結合理論總結分析。你會認識到器件的非理想特性,爲(wèi)何會有很大幹(gàn)擾、噪聲、自激,達(dá)不到預期性能。導體存在電阻和電感,導體間存在電容,載流子熱運動(dòng)産生熱噪(zào)聲等等,隻(zhī)不過大多數情況下(xià)你潛意識(shí)裏理想化了。地環路——法拉第電磁感應定(dìng)律,多點接地——導線的阻抗已經不能忽略,公共阻抗、一點接地——不過是歐(ōu)姆定律,非理想特性是被忽略(luè)的分(fèn)布存在的真實元件以及元件的真實特性,本(běn)該如此,并沒有多神秘。所以沒有豐富的理論,不提煉總結,依賴于别人(rén)的經(jīng)驗(yàn),不(bú)知其所以然。

 

 

 

思(sī)考(kǎo)

        問渠哪得清如許?爲有源頭(tóu)活水(shuǐ)來。勤于思(sī)考,用心感悟(wù),觸發靈(líng)感(gǎn)和(hé)産生創新的源泉。

        思考知識間的聯(lián)系,融會貫通。一個環形電感,感(gǎn)應電動勢U=Ldi/dt,又有另外的(de)形式U=Ndφ/dt,這兩者有什麽聯系,結合安培環(huán)路定理推導你會找出電感量與線圈匝數、磁導率(lǜ)和磁路截面S和磁路長度(dù)l的關系L=μN2S/l。根據電(diàn)感的定義L=Ψ/i=Nφ/i同樣得到(dào)L=μN2S/l,殊途同路(lù)。SI單位制中(zhōng)有7個基本單位,當前科學技術中如(rú)此之多的物理量單位由(yóu)其導出,你說各種知(zhī)識之間有沒有密切(qiē)的聯系?

        通電導線内平均電場(chǎng)有多大呢,不妨推(tuī)導一下,其結果爲電流密度和電阻(zǔ)率乘積。

        衆所周知(zhī)電傳(chuán)播速度非(fēi)載流子的移動速度(dù)。那麽實際導體中電(diàn)子平(píng)均速度是(shì)多少呢?設銅導線截面積爲1mm2,電(diàn)流爲1A,根據銅相對原子質(zhì)量和密度,可得(dé)摩爾密度爲1.4×105mol/m3,1mol數量爲阿伏伽德羅常數,設(shè)銅原子最外層(céng)爲1個(gè)電子脫離(lí)束縛,則自由電子密度爲8.4×1028/m3,根據電流(liú)定義I=Q/t=vtSpq/t得到速度(dù)v=I/(Spq)=1/(1×10-6×8.4×1028×1.6×10-19)≈74μm/s,這隻是大概值。導體既然有電場爲何電子(zǐ)不是加速呢(ne),實際電子運動(dòng)會經曆加速、與原子碰(pèng)撞等(děng),碰撞、束縛(fù)宏觀爲阻力,與宏觀電場力相等,電場力克服阻力(lì)做功使導體發熱,此(cǐ)爲電阻。

        大膽(dǎn)假設(shè),然後證明。摩擦帶電的塑(sù)料可以吸引紙屑,220V帶電導線爲(wèi)何不會吸引(yǐn)紙屑?其(qí)實前者指帶電荷,後者指(zhǐ)通有電流是電中性的(de)。不(bú)過用一個絕緣(yuán)棒連接的金屬球碰觸一個對大地爲100V的電壓,實際上(shàng)吸引不了紙屑,但也是帶了電荷(hé)的。球體半徑R,根據電(diàn)場高斯定理、電壓、電容定義得孤立導體球電容C=4πε0R。兵乓球大的金屬球電(diàn)容爲2.2pF,連接(jiē)到100V電壓(yā)上充電電量爲220pC,當然脫離電源後(hòu)球體電勢隻有100V。當充進1.5μC電量(liàng)時(相當于人體帶10kV靜電的電量,冬(dōng)天很平常)電勢有682kV,表面電場是(shì)很高的。能(néng)否吸引紙屑還沒(méi)試過,充這麽高電壓需(xū)要起電機。

        曾經有一(yī)個(gè)靜電發(fā)電機的想法,一(yī)個固定,一個可動極闆(pǎn)構(gòu)成電容,可動極(jí)闆靠(kào)近固定極(jí)闆時,電源對極闆充進電(diàn)荷,然後可動極闆由機械能帶動遠離固定極闆(pǎn)并脫離電源,克服極闆間電場力所做(zuò)的功使極闆間(jiān)電壓增大(電(diàn)容(róng)減少了),到(dào)達頂端連接到輸出電容對其充電,然後返回充電,周而複此,這樣輸(shū)入輸出的平均電流相同但電壓變高了,驅(qū)動極闆運動的機械能轉化爲電能。

        别人的經驗,千萬别不假(jiǎ)思索拿來即用。比如(rú)驅動繼電(diàn)器,很多書上都說線圈要并聯一個二極管(guǎn)吸收(shōu)反電動勢。然而這不(bú)是任何時(shí)候都合适的(de),二極管正向導通時(shí)壓降低等(děng)效電阻小,時間常數爲L/R,電流衰(shuāi)減緩慢,導緻觸(chù)點斷(duàn)開時間延後,吸力不足的時間區間變大(dà),斷開不夠幹脆。有些情況就需(xū)要并(bìng)聯電阻或二極管串聯穩(wěn)壓管提高吸收電壓,使(shǐ)電流迅速衰減。

 

 

關于仿真

        暫(zàn)且(qiě)将知識分爲原理和技巧,利(lì)用工具是(shì)一種技巧(qiǎo),但應以原理爲基礎。剛開始學習和工作(zuò),建議盡量手算,減少對工具的依賴,對成長也有好處。下面有一個電路(lù),兩個四線電阻并聯,求輸出電壓和輸入電流的關(guān)系,以及每(měi)部分電阻(zǔ)變化對輸出的影響,光是前者計算就可(kě)以寫滿幾頁紙,這也(yě)需要毅力(lì)。
 


 

        要做好産品,需要長久的(de)學習積(jī)累(lèi),并不(bú)輕松。如當(dāng)決心從事研發,那就(jiù)堅定(dìng)不移地走下(xià)去吧。化身爲(wèi)史波克,駕駛着進取号電(diàn)子飛船,踏上探索未知世界的征程。在發射(shè)區(qū),偏置已使耗盡層變窄,你與大(dà)量小夥伴(bàn)受(shòu)電場力驅動輕松地湧(yǒng)進了基區,這是一個充滿黑洞的時空,一些同伴被黑洞(dòng)所束縛(fù),一些被擄去另一(yī)世界,還好困難總是短暫的(基區(qū)很(hěn)薄),你幸運地躲過一(yī)劫,未及看清便和大部(bù)分同伴飛到了集電結,突然受到一股強大吸力牽引,快速渡越了空(kōng)曠的集電區,漫遊在低阻導線上,總算松(sōng)了一口氣。然而前路不如你所願地一帆風順,阻力重重的負(fù)載中,到處碰壁(bì),撞得渾身通紅(hóng)。甚至(zhì)你的飛船被原子掠去爲它運轉,好(hǎo)不容易偷(tōu)得一艘飛船利用熱動力(lì)逃離魔鬼的掌控(kòng),曲折中前行,曆經艱難險阻才到達勝利彼岸。人生猶(yóu)如一場電子的旅行!