电子技术入门篇之一

“电子技术无处不在”，小到身边的随身听，大到“神舟飞船”，无一不闪现着电子技术的身影。电子技术应用于社会的众多领域，根据应用领域的不同，电子技术可分为家庭消费电子技术（如电视机）、通信电子技术（如移动电话）、工业电子技术（如变频器）、机械电子技术（如智能机器人控制系统）、医疗电子技术（如 B 超机）、汽车电子技术（如汽车电气控制系统）、消费数码电子技术（如数码相机）和军事科技电子技术（如导弹制导系统）等。电子工程师是指从事各类电子产品和信息系统研究、教学、产品设计、科技开发、生产和管理等工作的高级工程技术人才。电子工程师一般分为硬件电子工程师和软件电子工程师，其中硬件电子工程师主要负责运用各种电子工具进行电子产品的装配、测试和维修等工作，其工作是技术与手动操作的结合；软件电子工程师主要负责分析、设计电路图，制作印制电路板（PCB），以及对嵌入式系统（如单片机）进行编程等工作。为了让读者能够轻松快速地进入电子工程师行列，我们推出了“电子工程师自学速成”丛书，该丛书的分为“入门篇”、“提高篇”和“设计篇”3本，各书内容说明如下。《电子工程师自学速成——入门篇》的内容包括电子技术入门基础、电子元器件（电阻器、电容器、电感器、变压器、二极管、三极管、光电器件、电声器件、晶闸管、场效应管、IGBT、继电器、干簧管、显示器件、贴片元器件、集成电路和传感器）、基础电子电路、收音机与电子产品的检修、电子测量基础、指针万用表、数字万用表、信号发生器、毫伏表、示波器、频率计和扫频仪等。《电子工程师自学速成——提高篇》的内容包括模拟电路和数字电路两大部分，其中模拟电路部分的内容有电路分析基础、放大电路、放大器、谐振电路、滤波电路、振荡器、调制电路、解调电路、变频电路、反馈控制电路、电源电路和晶闸管电路，数字电路部分的内容有数字电路基础、门电路、数制、编码、逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲电路、D/A转换器、A/D转换器和半导体存储器。《电子工程师自学速成——设计篇》的内容包括单片机技术和Protel电路绘图设计两大部分，其中单片机技术部分的内容有单片机入门、单片机硬件原理、单片机的开发过程、单片机编程、中断技术、定时器/计数器、串行通信技术和接口技术Protel电路绘图设计部分的内容有Protel软件入门、设计电路原理图、制作新元件、手工设计PCB、自动设计PCB和制作新元件封装。“电子工程师自学速成”丛书主要有以下特点。◆ 基础起点低。读者只需具有初中文化程度即可阅读本套丛书。◆ 语言通俗易懂。书中少用专业化的术语，遇到较难理解的内容用形象的比喻说明，尽量避免复杂的理论分析和烦琐的公式推导，使得图书阅读起来十分顺畅。◆ 内容解说详细。考虑到自学时一般无人指导，因此在本套丛书编写过程中对书中的知识和技能进行了详细解说，让读者能轻松理解所学内容。◆ 采用图文并茂的表现方式。书中大量采用读者喜欢的直观形象的图表方式表现内容，使阅读变得非常轻松，不易产生阅读疲劳。◆ 内容安排符合认知规律。图书按照循序渐进、由浅入深的原则来确定各章节内容的先后顺序，读者只需从前往后阅读图书，便会水到渠成。◆ 突出显示知识要点。为了帮助读者掌握书中的知识要点，书中用阴影和文字加粗的方法突出显示知识要点，指示学习重点。

导体对电流的阻碍称为该导体的电阻，电阻通常用字母“R”表示，电阻的单位为欧姆（简称欧），用“Ω”表示，比欧姆大的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们之间的换算关系为

导体的电阻计算公式为

在上式中，L为导体的长度（单位：m），S为导体的横截面积（单位：m2），ρ为导体的电阻率（单位：Ω·m）。不同的导体，ρ 值一般不同。表 1-1 列出了一些常见导体的电阻率（20 时）。在长度L和横截面积S相同的情况下，电阻率越大的导体其电阻越大，例如，L、S相同的铁导线和铜导线，铁导线的电阻约是铜导线的 5.9 倍。由于铁导线的电阻率较铜导线大很多，所以为了使负载得到较大电流以及减小供电线路的损耗，供电线路通常采用铜导线。表1-1 一些常见导体的电阻率（20 时）

导体的电阻除了与材料有关外，还受温度影响。一般情况下，导体温度越高电阻越大，例如常温下灯泡（白炽灯）内部钨丝的电阻很小，通电后钨丝的温度升到1 000 以上，其电阻急剧增大；导体温度下降电阻减小，某些金属材料在温度下降到某一值时（如-109 ），电阻会突然变为0Ω，这种现象称为超导现象，具有这种性质的材料称为超导材料。

电位、电压和电动势对初学者来说较难理解，下面通过图 1-4 所示的水流示意图来说明这些术语。首先来分析图1-4中的水流过程.

水泵将河中的水抽到山顶的A处，水到达A处后再流到B处，水到B处后流往C处（河中），然后水泵又将河中的水抽到A处，这样使得水不断循环流动。水为什么能从A处流到B处，又从B处流到C处呢？ 这是因为A处水位较B处水位高，B处水位较C处水位高。要测量A处和B处水位的高度，必须先要找一个基准点（零点），就像测量人的身高要选择脚底为基准点一样，这里以河的水面为基准（C处）。AC之间的垂直高度为A处水位的高度，用HA表示；BC之间的垂直高度为B处水位的高度，用HB表示。由于A处和B处水位高度不一样，它们存在着水位差，该水位差用 HAB表示，它等于 A 处水位高度 HA与 B 处水位高度 HB之差，即HAB=HA-HB。为了让A处源源不断有水往B、C处流，需要水泵将低水位的河水抽到高处的A点，这样做水泵是需要消耗能量的（如耗油）。1．电位电路中的电位、电压和电动势与上述水流情况很相似。如图 1-5 所示，电源的正极输出电流，流到A点，再经R1流到B点，然后通过R2流到C点，最后流到电源的负极。与图1-4所示水流示意图相似，图1-5所示电路中的A、B点也有高低之分，只不过不是水位，而称为电位，A点电位较B点电位高。为了计算电位的高低，也需要找一个基准点作为零点，为了表明某点为零基准点，通常在该点处画一个“⊥ ”符号，该符号称为接地符号，接地符号处的电位规定为0V，电位单位不是米（m），而是伏特（简称伏），用“V”表示。在图1-5所示电路中，以C点为0V（该点标有接地符号），A点的电位为3V，表示为VA=3V；B点电位为1V，表示为VB=1V。

图1-6 电路的3种状态

1．通路图1-6（a）所示电路处于通路状态。电路处于通路状态的特点有：电路畅通，有正常的电流流过负载，负载正常工作。2．开路图1-6（b）所示电路处于开路状态。电路处于开路状态的特点有：电路断开，无电流流过负载，负载不工作。3．短路图1-6（c）所示电路处于短路状态。电路处于短路状态的特点有：电路中有很大电流流过，但电流不流过负载，负载不工作。由于电流很大，电源和导线很容易被烧坏。

1．接地接地在电子电路中应用广泛，电路中常用图1-7所示的符号表示接地和接机壳。为了便于初学者理解，本书将接地和接机壳统一成接地来说明。在电子电路中，接地的含义不是表示将电路连接到大地，而是有以下的意义。① 在电路中，接地符号处的电位规定为 0V。在图1-8（a）所示电路中，A 点标有接地符号，规定A点的电位为0V。② 在电路中，标有接地符号的地方都是相通的。图1-8（b）所示的两个电路，虽然从形式上看不一样，但电路的实际连接是一样的，故两个电路中的灯泡都会亮。

图1-7 接地和接机壳符号

图1-8 接地符号含义说明图

2．屏蔽在电子设备中，为了防止某些元器件和电路工作时受到干扰，或者为了防止某些元器件和电路在工作时产生信号干扰其他电路的正常工作，通常对这些元器件和电路采取隔离措施，这种隔离称为屏蔽。屏蔽常用图1-9所示的符号表示。屏蔽的具体做法是用金属材料（称为屏蔽罩）将元器件或电路封闭起来，再将屏蔽罩接地。图 1-10所示为带有屏蔽罩的元器件和导线，外界干扰信号无法穿过金属屏蔽罩干扰内部的元器件和电路。

图1-10 带有屏蔽罩的元器件和导线

欧姆定律是电子技术中的一个最基本的定律，反映了电路中电阻、电流和电压之间的关系。欧姆定律的内容是：在电路中，流过电阻的电流I的大小与电阻两端的电压U成正比，与电阻R的大小成反比，即

也可以表示为U=IR和

为了更好地理解欧姆定律，下面以图1-11所示的几种形式为例加以说明

1-11 欧姆定律的几种形式图示

在图1-11（a）中，已知电阻R=10Ω，电阻两端的电压UAB=5V，那么流过电阻的电流

在图1-11（b）中，已知电阻R=5Ω，流过电阻的电流I=2A，那么电阻两端的电压UAB=I·R=2A× 5Ω=10V。在图 1-11（c）中，已知流过电阻的电流 I=2A，电阻两端的电压 UAB=12V，那么电阻的大小

下面以图1-12所示的电路为例来说明欧姆定律的应用。

图1-12 欧姆定律的应用说明图

在图 1-12 所示的电路中，电源的电动势 E=12V，它与 A、D 之间的电压 UAD相等，3 个电阻R1、R2、R3串接起来，可以相当于一个电阻R，R=R1+R2+R3=2Ω+7Ω+3Ω=12Ω。知道了电阻的大小和电阻两端的电压，就可以求出流过电阻的电流I了。

求出了流过R1、R2、R3的电流I，并且它们的电阻大小已知，就可以求出R1、R2、R3两端的电压UR1（UR1实际就是A、B两点之间的电压UAB）、UR2和UR3了。

从上面可以看出 UR1+UR2+UR3=UAB+UBC+UCD=UAD=12V

在图1-12中如何求B点电压呢？ 首先要明白：在电路中，某点电压指的是该点与地之间的电压，所以B点电压UB实际就是电压UBD，求UB有以下两种方法。方法一 UB=UBD=UBC+UCD=UR2+UR3=7V+3V=10V方法二 UB=UBD=UAD-UAB=UAD-UR1=12V-2V=10V

1．电功电流流过灯泡，灯泡会发光；电流流过电炉丝，电炉丝会发热；电流流过电动机，电动机会运转。可见电流流过一些用电设备时是会做功的，电流做的功称为电功。用电设备做功的大小不但与加到用电设备两端的电压及流过用电设备的电流有关，而且与通电时间长短有关。电功可用下面的公式计算式中，

W表示电功，单位为焦（J）；U表示电压，单位为伏（V）；I表示电流，单位为安（A）；t表示时间，单位为秒（s）。2．电功率电流需要通过一些用电设备才能做功，为了衡量这些设备做功能力的大小，引入一个电功率的概念。电功率是指单位时间里电流通过用电设备所做的功。电功率常用 P 表示，单位为瓦（W），此外还有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它们之间的换算关系是

电功率的计算公式是 P=UI

根据欧姆定律可知U=I·R，

所以电功率还可以用以下公式来表示

举例：在图1-13所示电路中，灯泡两端的电压为220V（它与电源的电动势相等），流过灯泡的电流为 0.5A，求灯泡的电功率、电阻和灯泡在10s内所做的功。

图1-13 电功率计算例图

灯泡的电功率 P=UI=220V×0.5A=110W

灯泡的电阻

灯泡在10s做的功 W=Pt=UIt=220V×0.5A×10s=1 100J

这里要补充一下，电功的单位是焦耳（J），但在电学中还常用另一个单位——千瓦时（kW·h）来表示，千瓦时也称度。1kW·h=1度，千瓦时与焦耳的关系是

1kW·h可以这样理解：一个电功率为100W的灯泡连续使用10h消耗的电功为1kW·h，即消耗1度电。3．焦耳定律电流流过导体时导体会发热，这种现象称为电流的热效应。电热锅、电饭煲和电热水器等都是利用电流的热效应来工作的。

英国物理学家焦耳通过实验发现：电流流过导体，导体发出的热量与导体流过的电流、导体的电阻和通电的时间有关。这个关系用公式表示就是

式中，Q 表示热量，单位为焦耳（J）；R 表示电阻，单位为欧姆（Ω）；t 表示时间，单位为秒（s）。该定律说明：电流流过导体产生的热量，与电流的平方、导体的电阻及通电时间成正比。由于这个定律除了由焦耳发现外，俄国科学家楞次也通过实验独立发现，故该定律又称焦耳-楞次定律。举例：某台电动机的额定电压是220V，线圈的电阻为0.4Ω， 当电动机接220V的电压时，流过的电流是3A，求电动机的电功率和线圈每秒钟发出的热量。

电动机的电功率 P=U·I=220V×3A=660W电动机线圈每秒钟发出的热量 Q=I2Rt=32A×0.4Ω×1s=3.6J

电阻是电路中应用最多的一种电子元器件，在一个电路中往往同时使用多个电阻。电阻的连接方式可分为串联、并联和混联3种。

两个或两个以上的电阻头尾相接连在电路中，称为电阻的串联。电阻的串联如图1-14所示。

图1-14 电阻的串联

电阻串联电路的特点有以下几个。① 流过各串联电阻的电流相等，都为I。② 电阻串联后的总电阻增大，总电阻等于各串联电阻之和，即

③ 总电压等于各串联电阻上电压之和，即

④ 电阻越大，两端电压越高，因为R1<R2，所以UR1<UR2。在图1-14所示的电路中，两个串联电阻上的总电压U等于电源的电动势，即U=E=6V；电阻串联后总电阻R=R1+R2；流过各电阻的电流

；电阻R1两端的电压UR1=I·R1=0.5A×5Ω=2.5V，电阻R2两端的电压UR2=I·R2=0.5A×7Ω=3.5V。

两个或两个以上的电阻头头相接、尾尾相接连接在电路中，称为电阻的并联。电阻的并联如图1-15所示。

图1-15 电阻的并联

电阻并联电路的特点有以下几个。① 并联电阻两端的电压相等，即

③ 电阻并联总电阻减小，总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即

该式子可变形为

④ 在并联电路中，电阻越小，流过电阻的电流越大，因为R1<R2，所以I1>I2。在图 1-15 所示电路中，并联电阻 R1、R2两端的电压相等，UR1=UR2=U=6V；流过 R1的电流

，流过 R2的电流

总电流 I=I1+I2=1A+0.5A=1.5A；R1、R2并联总电阻

。

一个电路中的电阻连接方式既有串联又有并联时，称为电阻的混联，如图1-16所示。

图1-16 电阻的混联

对于电阻混联电路总电阻可以这样求：先求并联电阻的总电阻，然后再求串联电阻与并联电阻的总电阻之和。在图 1-16 所示电路中，并联电阻 R3、R4的总电阻为

电路的总电阻

想想看，如何求图1-16中总电流I，R1两端电压UR1，R2两端电压 UR2，R3两端电压 UR3和流过 R3、R4的电流I3、I4的大小。

下期就是交流电和直流电

悦学越强：月入数万的高级电子，硬件工程师需要掌握的知识

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高级电子工程师所需的知识和经验：具备电子工程师行业经验，熟练掌握PCB设计和布局

《过孔和走线电流和温度的 PCB 设计指南》

电路设计和PCB设计是电子设备开发的重要步骤。以下是对这两个方面工作的详细描述：

电路设计：

电路设计涉及创建实现特定功能的电气电路。电路通常由电子元件（如电阻器、电容器、电感器、晶体管和集成电路）组成，这些元件通过电线或迹线连接在一起。

在电路设计过程中，设计者必须考虑许多因素，包括电路要实现的功能、元件的可用性和成本、电路的性能特性（如频率响应和功耗）以及电路的物理尺寸和布局。

电路设计经常涉及使用计算机辅助设计（CAD）软件，这使得设计者可以轻松创建和仿真模拟电路。仿真模拟非常重要，因为它允许设计者在实际构造之前测试和验证电路的性能。

PCB设计：

PCB设计涉及创建实体板，该实体板容纳电子电路并允许可靠地连接电子元件。PCB由一个或两个铜迹线层压在一个电介质材料上构成。

PCB设计通常涉及几个阶段，包括板布局、元件放置、路由和最后的验证测试。在板布局阶段，需要考虑诸如元件大小和方向、迹线路由和信号完整性等因素。

元件放置涉及在板上安排电子元件以优化板的性能同时确保易于组装和维护。路由涉及通过铜迹线连接电子元件，这时需要考虑诸如迹线长度、信号完整性和串扰等因素。

最后的验证和测试阶段涉及使用CAD软件工具和测试设备来检查PCB设计的布局和性能。这个步骤确保PCB满足性能规范并准备投入生产。

电路设计和PCB设计是电子设备开发的重要步骤。电路设计涉及创建实现特定功能的电气电路，而PCB设计涉及创建容纳电路并允许可靠连接电子元件的实体板。通过使用CAD软件，设计者可以模拟和验证电路性能、优化元件放置和路由，并确保最终的PCB满足用于生产的性能规范。

高级电子工程师所需的知识和经验：对混合信号设计有理解，并对模拟电路有可靠的知识

《混合信号嵌入式系统设计：赛普拉斯 PSoC 实践指南》

“对混合信号设计有理解，并对模拟电路有可靠的知识。”指的是对数字和模拟电路设计技术都有良好掌握的人。混合信号设计是指同时结合数字和模拟电路的电路设计，这种设计在现代电子系统中很常见，如微控制器、传感器和通信系统。

对于有混合信号设计理解的人，他们对数字逻辑和模拟电子学都有很好的理解。这种知识将包括熟悉数字逻辑门，如与门、或门和非门，以及由电阻器、电容器、电感和运算放大器组成的模拟电路。他们将理解这两种类型的电路如何在系统中相互作用，以及如何优化它们的性能。

对于具有模拟电路可靠知识的人，他们将具有模拟电路设计和分析的经验。这包括理解由电阻器、电容器和电感组成的线性电路的行为，以及由二极管和晶体管组成的非线性电路的行为。他们将理解模拟电路如何用于处理电信号，例如放大、过滤和混合信号。

有了这种综合知识，理解混合信号设计和具有模拟电路可靠知识的人将能够设计出需要数字和模拟电路高效协同工作的复杂电子系统。

高级电子工程师所需的知识和经验：EMC / EMI知识

《EMI/EMC 计算建模手册》

EMC和EMI知识涉及电磁场对电子系统的影响以及可以采取的对抗这些影响的措施。

EMC知识包括可以采取的措施，以确保电子系统不产生会干扰其他系统的电磁场。这些措施可能包括屏蔽、接地和过滤，以抑制噪声和干扰。屏蔽可以通过法拉第笼或导线上的导电涂层实现。接地是将电子系统连接到公共接地参考点，以最小化电压差异并减少干扰。过滤是用于从电源和信号线中去除噪声，防止它干扰其他系统。

EMI知识主要关注外部电磁场对电子系统的影响。这些影响可能包括噪声、干扰或对电子元件的损害。为了最小化EMI的影响，可以采取诸如屏蔽、过滤和接地之类的措施。屏蔽是用以保护电子系统免受外部电磁场干扰的法拉第笼或屏蔽罐。过滤是用来从输入信号中去除噪声，而接地可确保电子系统与地球具有相同的电位，从而减少静电荷的积累。

在设计电子系统时，还必须考虑单个组件的EMC / EMI行为。诸如电容器、电感和变压器之类的组件可能会产生相当大的干扰，而其他如同轴电缆和双绞线可能作为天线接收外部场。

综上所述，EMC / EMI知识对于确保可靠和高效的电子系统至关重要，这些系统不受电磁干扰的影响，也不会产生干扰其他系统的电磁场。

高级电子工程师所需的知识和经验：Testing（测试）, debugging（调试） and simulations（模拟）

《CMOS模拟和混合信号电路设计：实践与创新》

"Testing（测试）, debugging（调试） and simulations（模拟）" 是电子/硬件工程师工作中非常重要的部分，这些工作帮助确保产品设计的功能正确性和性能稳定性。以下是对这些任务更详细的描述：

1. 测试：测试是电子硬件工程中非常重要的环节，主要包括以下几种类型：

a. 功能测试：功能测试主要检验产品的各项功能是否正常。在硬件设计完成后，工程师会根据产品规格说明书中的要求，逐项测试产品的各项功能。

b. 性能测试：性能测试主要检验产品在特定条件下的性能表现，如高温、低温、高湿、震动等环境条件下产品的工作表现。

c. 兼容性测试：兼容性测试主要检验产品在不同的硬件或软件平台上的兼容性。

d. 安全性测试：安全性测试主要检验产品对潜在的安全风险的抵抗能力，如产品是否容易被黑客攻击，是否能够保护用户数据的安全等。

2. 调试：调试是当测试中发现错误或问题时，工程师进行修复的过程。在硬件工程中，调试通常使用专门的调试工具，如逻辑分析仪、示波器等，帮助工程师定位和修复错误。

3. 模拟：在电子硬件工程中，模拟是一种非常有用的工具，可以帮助工程师在正式生产前预测和解决可能出现的问题。模拟可以针对产品的性能、功耗、热分布、信号完整性等进行模拟，以提前发现和解决潜在的问题。常用的模拟工具包括Spice、Cadence、Mentor等。

在实际工作中，这些任务并不是孤立的，而是相互联系、相互影响的。例如，调试和模拟往往是密不可分的，工程师经常需要借助模拟工具来定位和修复错误，而测试则为模拟和调试提供了反馈和依据。

高级电子工程师所需的知识和经验：Design for volume manufacturing（量产设计）

《电子制造卓越设计》

“Design for volume manufacturing（量产设计）”是电子/硬件工程师的一项重要工作，主要涉及为了大规模生产而进行的设计决策和优化。以下是对这一工作的详细描述：

1. 组件选择和优化：在选择组件时，工程师需要考虑到这些组件的可用性、可靠性、成本效益以及可维护性。同时，工程师还需要对这些组件进行优化，以使其在生产过程中尽可能减少误差和提高效率。

2. 生产流程设计：工程师需要设计和制定生产流程，以确保产品的大规模生产是高效且经济的。这包括确定制造步骤、设备需求、生产线布局、物料处理等。

3. 产量和生产率优化：工程师需要分析和优化生产率和产量，以提高生产效率并降低成本。这可能涉及到对制造过程的改进、优化产品设计以适应生产能力、改进物料和人员管理等。

4. 质量控制：设计用于大规模生产的质量控制方案是工程师的一项重要任务。这包括制定并实施质量控制计划、进行产品检验和测试、识别和解决潜在的质量问题等。

5. 生产工艺和设备评估：工程师需要评估现有的生产工艺和设备，以确定它们是否满足生产需求。这可能涉及到对现有设备的改进或新设备的购买和安装。

6. 产品标准和合规性：工程师还需要确保产品设计符合相关标准和规定，例如行业标准、安全性标准等。这可能需要对产品设计进行修改以满足这些标准和规定。

7. 持续改进：为了保持竞争力并满足市场需求，工程师需要持续关注生产过程中的改进机会。这可能涉及到对生产流程、设备、材料等方面的改进。

“Design for volume manufacturing（量产设计）”是一个迭代的过程，需要工程师不断优化产品设计、生产流程和设备以实现高效的大规模生产，同时确保产品质量和可靠性。这通常需要与多个团队协作，包括项目经理、设计师、生产人员、供应链管理等，以确保从设计到生产的顺利过渡。

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