硬件知識(shí)“三重奏”
[導(dǎo)讀]不懂硬件的人，會(huì)覺(jué)得硬件高深莫測(cè)，“為什么他改幾個(gè)電阻、電容就調(diào)出來(lái)，我弄個(gè)半天沒(méi)搞定？”，“噢，靠的是經(jīng)驗(yàn)”，但是經(jīng)驗(yàn)又是什么呢？不能形容，反正就是不明覺(jué)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...
不懂硬件的人，會(huì)覺(jué)得硬件高深莫測(cè)，“為什么他改幾個(gè)電阻、電容就調(diào)出來(lái)，我弄個(gè)半天沒(méi)搞定？”，“噢，靠的是經(jīng)驗(yàn)”，但是經(jīng)驗(yàn)又是什么呢？不能形容，反正就是不明覺(jué)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(jì)，可以說(shuō)是包羅萬(wàn)象，它涉及到非常龐大的知識(shí)量，而且，一個(gè)電路錯(cuò)一點(diǎn)小地方，都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能工作，所以，搞硬件的人思維要非常縝密才可以，而這種思維要靠后面的學(xué)習(xí)來(lái)培養(yǎng)出來(lái)的，而不是說(shuō)還沒(méi)入門，就否定了自己。
今天我們來(lái)介紹一下硬件設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)路線。
一、初級(jí)理論篇
1、高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)。這里重點(diǎn)掌握微積分和矩陣，因?yàn)樵诤竺娴恼n程里面將會(huì)大量用到這兩個(gè)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(shí)在高中有學(xué)到，重點(diǎn)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(huì)在射頻、微波中有用到。
3、電路分析基礎(chǔ)。其實(shí)電路基礎(chǔ)的理論并不難，但是有些抽象的東西，是暫時(shí)不能很好地理解，比如說(shuō)受控源（其實(shí)就是三極管），所以學(xué)完模電還要再回過(guò)頭來(lái)再看一遍。這里重點(diǎn)掌握戴維南定理，不然后面沒(méi)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（實(shí)踐部分后面再介紹）。如果說(shuō)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(shí)踐中權(quán)衡取舍，一定要把以前的思維轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)，不然后面沒(méi)法學(xué)。這門課全部都是重點(diǎn)，但是學(xué)完它，除了抄書上的電路，你仍然什么都做不了，因?yàn)檫€需要其它方面的知識(shí)一起用才可以。這里不得不提一下器件特性這個(gè)概念，沒(méi)有它將不能打開(kāi)電路設(shè)計(jì)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(duì)于模電來(lái)說(shuō)，要簡(jiǎn)單很多很多。它把三級(jí)管搭成各種門電路、觸發(fā)器，以便于直接把數(shù)學(xué)知識(shí)運(yùn)用起來(lái)，同時(shí)它也是FPGA的先修課，是硬件工程師向算法工程師（跟計(jì)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(diǎn)，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和電力MOS管，都是用在強(qiáng)電領(lǐng)域的器件，是開(kāi)關(guān)電源的先修課。可以說(shuō)電源是硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中最關(guān)鍵的部分，一個(gè)電源設(shè)計(jì)得好不好，直接影響整個(gè)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(diǎn)掌握的。
二、中級(jí)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(hào)是物理不可實(shí)現(xiàn)的，但是為什么需要復(fù)數(shù)？誠(chéng)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(gè)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?yàn)殡娏鞯姆?hào)是i，所以才換成j，以防混淆）表示的就是方向，對(duì)應(yīng)著極坐標(biāo)的向量。我們可以把復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)成模和輻角的形式，想象一下，模就是時(shí)鐘的秒針，而輻角就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，秒針轉(zhuǎn)一圈就是個(gè)圓，而把這個(gè)圓的各點(diǎn)按照出現(xiàn)的時(shí)間先后，重新描繪在直角坐標(biāo)系中，就是一個(gè)正弦波。這就意味著，用復(fù)數(shù)可以表示一個(gè)正弦波的三要素，振幅就是模（秒針的長(zhǎng)短），相位就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，頻率就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。想一下，如果用實(shí)數(shù)來(lái)表示正弦波的三要素，是不是很麻煩？所以學(xué)習(xí)復(fù)變函數(shù)很重要。
2、信號(hào)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(hào)？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(shí)際用途的信息載體（包括聲、光、電、熱等）都是信號(hào)。什么是系統(tǒng)？就是處理信息載體的東西（包括放大器、傳動(dòng)裝置等）。系統(tǒng)是一種更為抽象的概念，可大可小，小到一個(gè)三極管，大到一個(gè)無(wú)線收發(fā)裝置，這些都要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)確定，不能一概而論。這門課都是重點(diǎn)。
3、自動(dòng)控制原理。自控原理是信號(hào)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(diǎn)掌握的。學(xué)懂這門課就可以用里面的知識(shí)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(huì)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(shí)的情況下，再學(xué)這門課，就不覺(jué)得難，因?yàn)樗旧砭褪悄ｋ姷臄U(kuò)展，而不是全新的領(lǐng)域。這門課都是重點(diǎn)，至少學(xué)三遍。
5、單片機(jī)?，F(xiàn)在已經(jīng)很少不用CPU的硬件電路了，而單片機(jī)正是最簡(jiǎn)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(yàn)?zāi)愕挠布Φ椎摹?/span>
6、電子測(cè)量技術(shù)。做硬件的經(jīng)常要跟儀器打交道，學(xué)習(xí)測(cè)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(cè)量電路（配合單片機(jī)就可以運(yùn)用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域）。這里會(huì)接觸很多新器件，大多都是傳感器，當(dāng)然重點(diǎn)研究的還是電氣特性。這門課并不難，關(guān)鍵要多做實(shí)驗(yàn)。
三、高級(jí)理論篇
1、信號(hào)完整性分析?？梢哉f(shuō)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(jì)，學(xué)好這門課，才可以畫出性能更優(yōu)的PCB。
2、開(kāi)關(guān)電源。學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)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(wèn)題，也是相當(dāng)考驗(yàn)硬件工程師的模電功底。
3、射頻電路設(shè)計(jì)。隨著科技的發(fā)展，電路的工作頻率將會(huì)越來(lái)越高，頻率升高會(huì)帶來(lái)各種各樣的難題，所以學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)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(huì)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(shuō)幾乎每塊電路板都會(huì)用到芯片，所以學(xué)習(xí)一下芯片的制造技術(shù)，將會(huì)讓你的硬件水平大大提高。
舉個(gè)簡(jiǎn)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(shí)將無(wú)法理解這一現(xiàn)象。
四、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(diǎn)來(lái)分析問(wèn)題了。其實(shí)上介紹那么多課，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(diǎn)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)電源的內(nèi)容，只是擴(kuò)展了一些內(nèi)容而已。
END
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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(jì)，可以說(shuō)是包羅萬(wàn)象，它涉及到非常龐大的知識(shí)量，而且，一個(gè)電路錯(cuò)一點(diǎn)小地方，都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能工作，所以，搞硬件的人思維要非常縝密才可以，而這種思維要靠后面的學(xué)習(xí)來(lái)培養(yǎng)出來(lái)的，而不是說(shuō)還沒(méi)入門，就否定了自己。
今天我們來(lái)介紹一下硬件設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)路線。
一、初級(jí)理論篇
1、高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)。這里重點(diǎn)掌握微積分和矩陣，因?yàn)樵诤竺娴恼n程里面將會(huì)大量用到這兩個(gè)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(shí)在高中有學(xué)到，重點(diǎn)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(huì)在射頻、微波中有用到。
3、電路分析基礎(chǔ)。其實(shí)電路基礎(chǔ)的理論并不難，但是有些抽象的東西，是暫時(shí)不能很好地理解，比如說(shuō)受控源（其實(shí)就是三極管），所以學(xué)完模電還要再回過(guò)頭來(lái)再看一遍。這里重點(diǎn)掌握戴維南定理，不然后面沒(méi)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（實(shí)踐部分后面再介紹）。如果說(shuō)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(shí)踐中權(quán)衡取舍，一定要把以前的思維轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)，不然后面沒(méi)法學(xué)。這門課全部都是重點(diǎn)，但是學(xué)完它，除了抄書上的電路，你仍然什么都做不了，因?yàn)檫€需要其它方面的知識(shí)一起用才可以。這里不得不提一下器件特性這個(gè)概念，沒(méi)有它將不能打開(kāi)電路設(shè)計(jì)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(duì)于模電來(lái)說(shuō)，要簡(jiǎn)單很多很多。它把三級(jí)管搭成各種門電路、觸發(fā)器，以便于直接把數(shù)學(xué)知識(shí)運(yùn)用起來(lái)，同時(shí)它也是FPGA的先修課，是硬件工程師向算法工程師（跟計(jì)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(diǎn)，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和電力MOS管，都是用在強(qiáng)電領(lǐng)域的器件，是開(kāi)關(guān)電源的先修課。可以說(shuō)電源是硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中最關(guān)鍵的部分，一個(gè)電源設(shè)計(jì)得好不好，直接影響整個(gè)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(diǎn)掌握的。
二、中級(jí)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(hào)是物理不可實(shí)現(xiàn)的，但是為什么需要復(fù)數(shù)？誠(chéng)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(gè)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?yàn)殡娏鞯姆?hào)是i，所以才換成j，以防混淆）表示的就是方向，對(duì)應(yīng)著極坐標(biāo)的向量。我們可以把復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)成模和輻角的形式，想象一下，模就是時(shí)鐘的秒針，而輻角就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，秒針轉(zhuǎn)一圈就是個(gè)圓，而把這個(gè)圓的各點(diǎn)按照出現(xiàn)的時(shí)間先后，重新描繪在直角坐標(biāo)系中，就是一個(gè)正弦波。這就意味著，用復(fù)數(shù)可以表示一個(gè)正弦波的三要素，振幅就是模（秒針的長(zhǎng)短），相位就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，頻率就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。想一下，如果用實(shí)數(shù)來(lái)表示正弦波的三要素，是不是很麻煩？所以學(xué)習(xí)復(fù)變函數(shù)很重要。
2、信號(hào)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(hào)？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(shí)際用途的信息載體（包括聲、光、電、熱等）都是信號(hào)。什么是系統(tǒng)？就是處理信息載體的東西（包括放大器、傳動(dòng)裝置等）。系統(tǒng)是一種更為抽象的概念，可大可小，小到一個(gè)三極管，大到一個(gè)無(wú)線收發(fā)裝置，這些都要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)確定，不能一概而論。這門課都是重點(diǎn)。
3、自動(dòng)控制原理。自控原理是信號(hào)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(diǎn)掌握的。學(xué)懂這門課就可以用里面的知識(shí)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(huì)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(shí)的情況下，再學(xué)這門課，就不覺(jué)得難，因?yàn)樗旧砭褪悄ｋ姷臄U(kuò)展，而不是全新的領(lǐng)域。這門課都是重點(diǎn)，至少學(xué)三遍。
5、單片機(jī)?，F(xiàn)在已經(jīng)很少不用CPU的硬件電路了，而單片機(jī)正是最簡(jiǎn)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(yàn)?zāi)愕挠布Φ椎摹?/span>
6、電子測(cè)量技術(shù)。做硬件的經(jīng)常要跟儀器打交道，學(xué)習(xí)測(cè)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(cè)量電路（配合單片機(jī)就可以運(yùn)用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域）。這里會(huì)接觸很多新器件，大多都是傳感器，當(dāng)然重點(diǎn)研究的還是電氣特性。這門課并不難，關(guān)鍵要多做實(shí)驗(yàn)。
三、高級(jí)理論篇
1、信號(hào)完整性分析?？梢哉f(shuō)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(jì)，學(xué)好這門課，才可以畫出性能更優(yōu)的PCB。
2、開(kāi)關(guān)電源。學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)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(wèn)題，也是相當(dāng)考驗(yàn)硬件工程師的模電功底。
3、射頻電路設(shè)計(jì)。隨著科技的發(fā)展，電路的工作頻率將會(huì)越來(lái)越高，頻率升高會(huì)帶來(lái)各種各樣的難題，所以學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)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(huì)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(shuō)幾乎每塊電路板都會(huì)用到芯片，所以學(xué)習(xí)一下芯片的制造技術(shù)，將會(huì)讓你的硬件水平大大提高。
舉個(gè)簡(jiǎn)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(shí)將無(wú)法理解這一現(xiàn)象。
四、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(diǎn)來(lái)分析問(wèn)題了。其實(shí)上介紹那么多課，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(diǎn)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(jiǎn)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(kāi)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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