如何成为硬件高手?

2017-04-20 15:37:00 来源:EEFOCUS
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驾驶着进取号电子飞船,从发射区进入充满黑洞的基区,一些同伴被黑洞束缚,一些掳去另一世界,你幸运地躲过一劫飞到集电结,受到强大的吸力快速渡越出集电区,漫游在低阻导线上,松了一口气。然而前路不如你所愿地一帆风顺,阻力重重的负载中到处碰壁……

古人学问无遗力,少壮工夫老始成。若问硬件速成法,犹似浮沙立大厦。千万别认为看后就能成为高手,当然笔者亦非高手,水滴石穿又岂是朝夕之功!谨以过往经历和拙见与在校学生朋友和刚工作的工程师分享共勉。

理论学习
没有满腹经纶,何能出口成章。但觉得书海茫茫,不知从何下手?应先把课本啃完,此是基础。怎算啃完?把所有内容看完,所有公式推导一遍,习题全部做完。按照老师讲授的内容只够应付考试,书名都带基础,还挑着学,还想从事此行业,连门都还没进呢!事实证明,往往选读的内容实际工作中很常用到。

淡然无味的文字,晦涩的公式,望而生畏?此时需要一位良师——兴趣。每人兴趣来源也许不同,为了电子竞赛,为了找个好工作,无论如何有了兴趣就有求知的欲望。笔者的兴趣源于幼时的好奇心,总想拆开收音机看看人在哪里,只见元件一堆。后来将坏电器的元件拆下用细铜丝连接钉于木板上,插上220V,试试有何功能,结果当然是爆了。直到五年级从亲戚处拿来一些电器维修的书,从7管收音机电路了解到放大的概念,电风扇副绕组电容分相与主绕组形成旋转磁场,电饭锅利用铁氧体的居里点自动跳闸,顿觉电子世界其乐无穷。凡见带电的东西都要一窥其原理,地摊淘旧书,抄坏电器的电路图研究,利是钱买来一把烙铁和一个指针万用表,一堆腐乳瓶装住分好类的阻容晶体管,从此踏上这条不归路。

大学课本烂熟于心后,可以先找开创性、原理性的书籍来研究,看到技术发展脉络。比如从电子管开始研究放大器,了解栅偏压对阳极电流的控制作用,如何设置工作点和负反馈,到晶体管放大再到集成电路,你会发现其实JFET与电子管有些类似。从电磁学到电动力学,固体物理、半导体物理到半导体器件物理,控制理论。另外还可学习热力学、光学,一级级进阶丰富知识面。当前工程实践中的问题都可应用这些理论解释,电路调试中所谓“灵异”现象不过是你水平不够而已。而一些设计手册、指南是应对器件电路非理想特性的应用技巧,没有过多推导,也不难理解。

别以为老旧的知识过了时,当今热门技术早有理论研究。现在火热的AI,从1950年提出图灵试验,1969年成立IJCAI,1987年召开第一次国际神经网络会议,到当今随着网络发展和硬件计算能力提高,理论才得以实现和大量应用,被常人所熟知。

最重要一点,别刻意记忆结论,要自己推导一遍。有人觉得为何不能写得生动活泼,公式一大堆,其实技术是讲求根据的,非凭感觉,任何试图以通俗易懂的方式去转化都有可能偏离本质,真正有兴趣的人自不觉枯燥,望而却步的人也许志不在此。像《一分钟理解xxx》,不过是为让常人易于理解,对工程师是不够的,高端技术也不会通俗易懂。

实践
实践的重要性不言而喻,对一些结论和想法进行验证,印象异常深刻。以前做一个晶体管音频放大器,偏置电流设置得比较低,输入线引长之后竟然收到了AM电台,说明低偏置电流下三极管发射结进行了检波,将靠近输入端的引线在铁氧体磁芯上绕几圈便被抑制了,说明了扼流圈的作用。

可惜大学里提供给学生实践的资源还是很有限。不过即便如此,有时还是可以变通一下,以前做一个升压逆变器,没有大功率晶体管,就用薄铁片剪一个齿轮,胶水固定在录音机马达转轴上,电池碳棒作电刷,齿轮通断形成开关,工频变压器倒过来用,实现了升压,但变压器烫手,要先转起来再用碳棒靠近,避免铁芯饱和。

在实践过程中,还需结合理论总结分析。你会认识到器件的非理想特性,为何会有很大干扰、噪声、自激,达不到预期性能。导体存在电阻和电感,导体间存在电容,载流子热运动产生热噪声等等,只不过大多数情况下你潜意识里理想化了。地环路——法拉第电磁感应定律,多点接地——导线的阻抗已经不能忽略,公共阻抗、一点接地——不过是欧姆定律,非理想特性是被忽略的分布存在的真实元件以及元件的真实特性,本该如此,并没有多神秘。所以没有丰富的理论,不提炼总结,依赖于别人的经验,不知其所以然。

思考
问渠那得清如许?为有源头活水来。勤于思考,用心感悟,触发灵感和产生创新的源泉。

思考知识间的联系,融会贯通。一个环形电感,感应电动势U=Ldi/dt,又有另外的形式U=Ndφ/dt,这两者有什么联系,结合安培环路定理推导你会找出电感量与线圈匝数、磁导率和磁路截面S和磁路长度l的关系L=μN2S/l。根据电感的定义L=Ψ/i=Nφ/i同样得到L=μN2S/l,殊途同路。SI单位制中有7个基本单位,当前科学技术中如此之多的物理量单位由其导出,你说各种知识之间有没有密切的联系?

通电导线内平均电场有多大呢,不妨推导一下,其结果为电流密度和电阻率乘积。

众所周知电传播速度非载流子的移动速度。那么实际导体中电子平均速度是多少呢?设铜导线截面积为1mm2,电流为1A,根据铜相对原子质量和密度,可得摩尔密度为1.4×105mol/m3,1mol数量为阿伏伽德罗常数,设铜原子最外层为1个电子脱离束缚,则自由电子密度为8.4×1028/m3,根据电流定义I=Q/t=vtSpq/t得到速度v=I/(Spq)=1/(1×10-6×8.4×1028×1.6×10-19)≈74μm/s,这只是大概值。导体既然有电场为何电子不是加速呢,实际电子运动会经历加速、与原子碰撞等,碰撞、束缚宏观为阻力,与宏观电场力相等,电场力克服阻力做功使导体发热,此为电阻。

大胆假设,然后证明。摩擦带电的塑料可以吸引纸屑,220V带电导线为何不会吸引纸屑?其实前者指带电荷,后者指通有电流是电中性的。不过用一个绝缘棒连接的金属球碰触一个对大地为100V的电压,实际上吸引不了纸屑,但也是带了电荷的。球体半径R,根据电场高斯定理、电压、电容定义得孤立导体球电容C=4πε0R。兵乓球大的金属球电容为2.2pF,连接到100V电压上充电电量为220pC,当然脱离电源后球体电势只有100V。当充进1.5μC电量时(相当于人体带10kV静电的电量,冬天很平常)电势有682kV,表面电场是很高的。能否吸引纸屑还没试过,充这么高电压需要起电机。曾经有一个静电发电机的想法,一个固定,一个可动极板构成电容,可动极板靠近固定极板时,电源对极板充进电荷,然后可动极板由机械能带动远离固定极板并脱离电源,克服极板间电场力所做的功使极板间电压增大(电容减少了),到达顶端连接到输出电容对其充电,然后返回充电,周而复此,这样输入输出的平均电流相同但电压变高了,驱动极板运动的机械能转化为电能。

别人的经验,千万别不假思索拿来即用。比如驱动继电器,很多书上都说线圈要并联一个二极管吸收反电动势。然而这不是任何时候都合适的,二极管正向导通时压降低等效电阻小,时间常数为L/R,电流衰减缓慢,导致触点断开时间延后,吸力不足的时间区间变大,断开不够干脆。有些情况就需要并联电阻或二极管串联稳压管提高吸收电压,使电流迅速衰减。

关于仿真
暂且将知识分为原理和技巧,利用工具是一种技巧,但应以原理为基础。刚开始学习和工作,建议尽量手算,减少对工具的依赖,对成长也有好处。下面有一个电路,两个四线电阻并联,求输出电压和输入电流的关系,以及每部分电阻变化对输出的影响,光是前者计算就可以写满几页纸,这也需要毅力。

 


要做好产品,需要长久的学习积累,并不轻松。如当决心从事研发,那就坚定不移地走下去吧。化身为史波克,驾驶着进取号电子飞船,踏上探索未知世界的征程。在发射区,偏置已使耗尽层变窄,你与大量小伙伴受电场力驱动轻松地涌进了基区,这是一个充满黑洞的时空,一些同伴被黑洞所束缚,一些被掳去另一世界,还好困难总是短暂的(基区很薄),你幸运地躲过一劫,未及看清便和大部分同伴飞到了集电结,突然受到一股强大吸力牵引,快速渡越了空旷的集电区,漫游在低阻导线上,总算松了一口气。然而前路不如你所愿地一帆风顺,阻力重重的负载中,到处碰壁,撞得浑身通红。甚至你的飞船被原子掠去为它运转,好不容易偷得一艘飞船利用热动力逃离魔鬼的掌控,曲折中前行,历经艰难险阻才到达胜利彼岸,人生犹如一场电子的旅行!

 
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