谈谈电子技术的入门之路

电子技术涉及到的理论和应用知识方方面面非常众多，其实必须掌握的只有欧姆定律这个初中就已经学过的公式：U＝I×R，稍稍扩展一下：P＝U×I。欧姆定律已经能够解决多数常规电子电路设计中的分析、计算问题，即使很多严格来讲需要涉及到高等教育内容和使用高等数学工具的问题，也往往能够使用欧姆定律来进行工程近似计算。另外必须掌握的还有电阻、电容的串并联计算方法，这些也都是中等教育的内容，也就是说，一个只接受过九年义务教育的人，应该已经具备了成为电子工程师所需的知识基础。

用欧姆定律写作业、答试卷，相信是每一个读到本文的读者都经历过的，但不是每个人都真的会应用欧姆定律，事实上绝大多数没入门的初学者都不会。为什么我会做出这样的判断？

论坛上经常可以见到这样的问题：485总线的偏置电阻应该选多少？7805的输出电流不是1A么，怎么我的才输出100mA就烫的不行了？等等……这些都是典型的不会应用欧姆定律的案例。对于第一个问题，知道了电源电压和485总线规定的200mV逻辑门限电平，同时知道总线终端电阻的并联阻抗是60欧姆（两个120欧姆电阻并联的结果），剩下的就是用欧姆定律计算在当前电源电压下，在60欧姆上串联多大的电阻能使60欧姆阻抗上的分压大于等于200mV，然后除以2分成两个电阻问题即可解决，难度也就是初三物理课后作业的水平。那个7805烫手的问题更简单，根据输入输出压差，也就是落在7805上的电压再乘以7805的输入电流即可得到7805的耗散功率，烫手是否正常立刻可知。如果弄明白了怎么应用欧姆定律，这类问题根本就没有任何难度，要养成的习惯仅仅是遇到实际问题时有意识的去考虑应用简单的理论计算来找寻答案。

当今的电子电路设计以嵌入式数字电路为主，绝大多数这方面的应用设计并不涉及到高频、大功率或微弱信号的处理，也不会有很多复杂的回路，因此电路设计中的理论计算主要依靠欧姆定律就可以了。至于那些需要更多更深层次理论计算的应用，可以在遇到时再临时补课，比如欧姆定律的“升级”基尔霍夫定律、戴维南定律等等，凡是接受过理工科高等教育的读者，对这些定律的名称都不会陌生，这里同样要学会的是如何应用理论公式来解决实际问题。

在实践中，其实只要稍稍注意一下“解题”的方法，也就是说在解决实际问题时的意识和思路，那么真正掌握欧姆定律的应用并不是什么难事，剩下的就是学习和积累相关的专业知识了，那么该关注的重点都有哪些呢？

在大学里该重点学些什么

欧姆定律只是中等教育的内容，理工科高等教育的内容主要集中在两个方面：一是更高层次的数学工具和理论知识，二是专业方向所涉及的专业知识。这里，我主要跟大家聊一下作为电子工程师该重点关注和学好的专业课程。

首先，最最重要的一门课就是电子技术基础（国外称“电子学”），包括模拟和数字两部分，模拟部分尤其是重中之重，而模拟电路的重点则是晶体管的基本原理和应用电路。很多年轻人认为现在都数字时代了，晶体管有可能一辈子都用不到，所以学的时候一点也不用心，但事实上晶体管电路是当今几乎一切电子电路的基础单元。你看不见它并不代表它不存在，想绕开它根本就不可能。不管是数字电路还是模拟运放亦或是高频电路、电源电路等等，归根结底还是晶体管电路，只有弄明白了晶体管基本原理并掌握其应用电路的分析设计方法其他的“高级”电路才可能真正掌握，所以绝对不能偏废。其他该掌握的还有运放基本应用知识和各种逻辑门乃至组合逻辑、时序逻辑的基本特性及分析、设计方法，如果想在理论上进一步提升还要学好电路（也有称作“电路基础”、“电路原理”的）以及信号与系统这两门课。

其次，计算机原理也是要重点关注的课程。现代电子技术应用中多数领域都离不开计算机技术，甚至可以说计算机技术已深入到生活的方方面面。电子工程师的很多设计工作自然也是围绕着计算机技术展开的，其重要性不必多说。很多初学者总是困惑于如何学好单片机，其实原则上单片机根本不用去专门学，学好了电子技术基础和计算机原理，单片机基本上就可以手到擒来了，当然，编程语言不能忽略。由于C语言是目前嵌入式计算机平台的主要工作编程语言，所以对于电子工程师而言，掌握C语言的编程是必须的。如果同时能够再掌握汇编语言自然更好，那将会对底层控制的理解更加深入。如果想在软件编程方面有进一步的提高，软件工程这门课很有意义。

如果想进入高频电子/无线通讯技术领域，电磁场论和数字通讯这两门课很重要，想从事电源类技术工作的则需要加强功率模拟电路知识并学习磁性元件、开关电源原理等。自动化类专业当然离不开自控原理，特别是经典控制论。

以上应该是大学期间该重点学好的专业课程的“最小集合”了，鉴于现今的技术资料多数为英文的，所以至少英文的阅读特别是英文技术文档的阅读必须掌握；如果不能，那电子工程师这个职业恐怕就不适合你，勉强为之的话也不会有多大作为，切记、切记。就英文专业文档的阅读而言，其实并不需要多么高深的英文水平，正确理解专业词汇的意义才是关键，而这可以通过大量阅读中文技术文档在熟悉和掌握有关专业汉语词汇的基础上借助英汉辞典来实现，剩下的唯耐心和细心而已。

最后简单地谈谈数学。数学是现代科学及工程技术都离不开的工具，太多知识的背后其实就是数学，数学反应的是客观世界的规律，如果在对现象的理解和掌握的基础上再进一步去理解和掌握现象背后的数学规律，那么在技术水平达到一定高度后，数学的力量就会显现。甚至可以说，一个人的技术之路最终能到达何处，将由其数学能力决定。

——节选自《MCU工程师炼成记》

电子技术基础知识和基本概念

电和磁是不可分割的统一体，有电就有磁，有磁就有电。无线电中经常用到电磁学中的概念，还有许多电与磁的换能器件。

磁场与磁力线

1.磁性、磁体、磁极、磁力

(1)磁性。能够吸引铁等物质的性质称为磁性。

(2)磁体。具有磁性的物体叫磁体，最常见的扬声器其背面的磁钢就是磁体。

(3)磁极。磁铁两端磁性最强的区域称为磁极。一个磁铁有两个磁极：一个是南极，用S表示;另一个是北极，用N表示。当一块磁铁分割成几块后，每一小块磁铁上都有一个S极和一个N极，如图1-4所示，也就是说S、N极总是成对出现的。

(4)磁力。磁极间有相互作用力，这种力称为磁力。同极性间相斥，异极性之间相吸。

图1-4 磁极示意图

2.磁场和磁力线

(1)磁场。磁场和电场一样是一种特殊的物质，它看不见也摸不着，但的确存在。磁体周围存在的磁力作用的空间称为磁场，互不接触的两个磁体之间相互作用的力是由磁场传递的。

(2)磁力线。图1-5所示是磁力线示意图。磁力线有时还称为磁感线或磁通线。磁力线是闭合的。

图1-5 磁力线示意图

重要提示

磁力线有方向，规定在磁体的外部，磁力线由N极指向S极，在磁体内部则是由S极指向N极，如图1-5中所示。

磁力线的方向可以用来表示磁场方向。

在磁极附近磁力线最密，表示磁场最强;在磁体中间磁力线最稀，表示磁场最弱。用磁力线的多少来表征磁场的强弱。

3.电流磁场

电流周围存在磁场。磁场总是伴随着电流而存在，电流永远被磁场所包围。

(1)直导线电流磁场。如图1-6所示，一根直的导线，当导线中流有电流时，在导线的周围存在磁场，判断这一磁场方向用右手螺旋定则，具体方法是：让右手握住直的导线，并将大拇指指向电流流动的方向，四指所指的方向就是磁场方向。

图1-6 示意图

(2)环形电流磁场。如图1-7所示，将导线绕成环形(称为螺线管或线圈)，并给线圈通电，此时的磁场方向也是用右手螺旋定则来判断，具体方法是：右手握住螺线管，让四指指向线圈中的电流流动方向，大拇指所指方向为磁场方向。

图1-7 示意图

磁通、磁感应强度、磁导率和磁场强度

1.磁通

磁通是磁通量的简称。通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁力线总数，称为磁通。磁通用Φ表示。当面积一定时，垂直通过该面积的磁力线愈多，说明磁场愈强，反之则弱。

2.磁感应强度

垂直通过单位面积上的磁力线数，称为磁感应强度，可见磁感应强度能够表示磁场的强弱。磁感应强度用B表示。

关于磁感应强度还要说明几点。

(1)磁感应强度也称为磁通密度。

(2)磁感应强度是一个矢量，它不仅表示了磁场中某点的磁场大小，也表示了该点的磁场方向。磁力线上某点的切线方向就是该点的磁感应强度方向。

(3)磁场中各点的磁感应强度大小和方向相同时，这种磁场称为均匀磁场。

3.磁导率

为了表征物质的导磁性能，引入磁导率这个物理量，磁导率用μ表示。

由实验测得真空中的磁导率(用μ0表示)为一个常数。

为了比较物质的导磁性能，将任一物质的磁导率与真空中磁导率的比值作为相对磁导率，用μr表示。

根据物质的磁导率不同，可将物质划分成下列三类。

(1) μ r <1的物质叫反磁物质，如铜。

(2) μ r >1的物质叫顺磁物质，如锡。

(3) μ r >>1的物质叫铁磁物质，如铁、钴。

4.磁场强度

磁场强度的定义是：磁场中某点磁感应强度与媒介质的磁导率的比值，叫该点的磁场强度。磁场强度用H表示。

磁场强度也是一个矢量，在均匀磁场中它的方向同磁感应强度的方向相同。

磁化、磁性材料和磁路

1.磁化

凡是原来没有磁性的物质使之具有磁性的过程称为磁化。凡是铁磁物质都能被磁化。

2.磁性材料

磁性材料(又称铁磁材料)通常可以划分成三类。

(1)软磁材料。这种铁磁材料在磁化后，保留磁性的能力很差。

(2)硬磁材料。这种铁磁材料在磁化后，保留磁性的能力很强。

(3)矩磁材料。这种铁磁材料只要有很小的磁场就能磁化，且一经磁化就达到饱和状态。

3.磁路

磁通(或磁力线)集中通过的路径称为磁路，相当于电路的概念。图1-8所示是磁路示意图。

图1-8 磁路示意图

关于磁路说明几点如下。

(1)为了获得较强的磁场，需要将磁通集中在磁路中。形成磁路的最好方法是用铁磁材料做成磁芯，将线圈绕在磁芯上。

(2)由于铁磁材料制成的磁芯其磁导率μ远大于空气的磁导率，所以磁通主要是沿磁芯闭合，只有很少部分通过空气或其他材料。

(3)通过磁芯的磁通称为主磁通，磁芯外的磁通称为漏磁通，漏磁通愈小愈好。

(4)磁路按其结构不同分为无分支磁路和分支磁路两种，其中分支磁路又分成不对称分支磁路和对称分支磁路两种，这相当于电路中的并联电路。

(5)磁路不同于电路，电路可以有开路状态，可磁路没有开路状态，因为磁力线是不可能中断的闭合曲线。

电磁感应和电磁感应定律

1.电磁感应

前面讲到电能够产生磁，电磁感应定律说明了磁也能够产生电。

图1-9所示是电磁感应现象示意图。当磁铁从上端向下插入时，会在线圈两端得到一个感应电动势，其极性为上正下负。如果磁铁在线圈中静止不动，则没有这一电动势。当磁铁从下向上插入时，感应电动势的方向为下正上负。

关于电磁感应主要说明以下几点。

(1)感应电动势又称感生电动势、感应电势、感生电势。

图1-9 电磁感应现象示意图

(2)产生电磁感应的条件是线圈中的磁通必须改变。当磁铁从上或从下插入线圈时都有感应电动势产生，这是因为磁铁运动引起了线圈中的磁通发生了改变。当磁铁在线圈中不运动时，没有感应电动势产生，因为磁铁不运动，线圈中的磁通没有改变。

(3)当线圈闭合时，由感应电动势产生的电流称为感应电流或感生电流。

2.电磁感应定律

感应电动势的大小与穿过线圈的磁通的变化率成正比，这被称为法拉第电磁感应定律。

当磁铁插入线圈中的速度愈快，磁通变化率愈高，感应电动势愈大，反之则愈小。

这一定律只能说明感应电动势的大小，不能说明感应电动势的方向。

自感、互感和同名端

1.自感

由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应叫自感应，简称自感。

图1-10所示电路可以说明自感现象。电路中的E是电源，H是白炽灯，L1是线圈(线圈的电阻很小，远小于白炽灯的电阻)，S1是开关。

图1-10 自感现象示意图

当开关S1刚接通时，由于L1的电阻远小于白炽灯的电阻，所以电流只流过L1所在支路，没有电流流过白炽灯，这样白炽灯不亮。但是，当开关S1突然断开时，白炽灯却突然很亮后熄灭，这一现象称为自感现象。

重要提示

这一现象是因为开关断开时，L1中的磁通突然从有突变到零，这时L1两端要产生感应电动势，这一感应电动势加在白炽灯的两端，使白炽灯突然很亮。

关于自感说明以下几点。

(1)由自感产生的电动势称为自感电动势，简称自感电势。

(2)自感电动势与线圈本身的电感量成正比关系。线圈电感量是线圈的固有参数，电感量用L表示，L与线圈匝数和结构等情况有关。

(3)自感电动势还与线圈中电流的变化率成正比关系，当L一定时，电流变化愈快，自感电动势愈大，反之则小。

(4)对某一个具体线圈而言，L的大小反映了线圈产生自感电动势的能力。

重要提示

自感系数定义是，当一个线圈流过变化的电流时，电流产生的磁场使每匝线圈具有的磁通叫自感磁通，整个线圈具有的磁通称为自感磁链，将线圈中通过单位电流所产生的自感磁链称为自感系数。

2.互感

图1-11所示是互感现象示意图。图中有线圈L1和线圈L2，其中在线圈L1回路中接入电池和开关S1，在线圈L2回路中接入检流计。

图1-11 互感现象示意图

当开关接通后，检流计指针偏转一下后又归零，检流计的指针偏转说明有电流流过了线圈L2。

开关S1接通后，线圈L1中的电流从无到有，在线圈L1中产生了变化的磁通，这一变化的磁通穿过了线圈L2。

由于线圈L2中存在变化的磁通，所以在线圈L2两端要产生感应电动势，便有感应电流。当开关接通一段时间后，由于是直流电源，线圈L1中的电流大小不变，其磁通也不再变化，线圈L2中没有变化的磁通就不能产生感应电动势，所以检流计的指针不再偏转。一个线圈中的电流变化，引起另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象，简称互感。

关于互感说明以下几点。

(1)互感现象说明线圈L1和线圈L2之间存在磁耦合，又称为互感耦合。

(2)为了定量表征互感耦合情况，引入了互感系数这个量，互感系数用M表示。它的大小等于一个线圈中通过单位电流时，在另一个线圈中产生的互感磁链。互感M表征了磁交链的能力。

(3)线圈间具有的互感系数M是互感线圈的固有参数，它的大小与两个线圈的匝数、相互间位置、几何尺寸等因素有关。

(4)由互感所产生的电动势称为互感电动势，简称互感电势。当两个线圈确定后，一个线圈上互感电动势的大小正比于另一个线圈中的电流变化率。

(5)互感电动势不仅有大小还有方向，这一电动势的方向可以用同名端方法来确定。

3.互感线圈同名端

图1-12所示是同名端示意图，将线圈绕向一致而感应电动势极性一致的端点称之为同名端。如图1-12(a)所示中，线圈L1和线圈L2同绕在一个铁芯上，从图中可以看出，1端和4端是两线圈的头，且两线圈的绕向相同，所以是同名端，电动势的极性一致。2、3端也是同名端，1、2端之间极性相反，称为异名端。

图1-12 同名端示意图

同名端常用黑点表示。如图1-12(a)中所示，标有黑点的端是同名端，在电路图中的表示方式如图1-12(b)所示。

屏蔽

1.屏蔽

给变压器的一次绕组通入交流电后，在绕组周围产生了磁场，尽管有铁芯给绝大部分磁力线构成了磁路，但是仍有一小部分磁力线散布在变压器附近的一定空间范围内。

如果变压器散发的这些残余磁力线穿过变压器附近的其他线圈(或电路)，在其他线圈中也要产生感生电动势，这便是磁干扰，是不允许的。为此，要给变压器加上屏蔽壳，使变压器中的磁场不向外辐射。

2.低频屏蔽

变压器的屏蔽壳不仅可以防止变压器干扰其他电路的正常工作，同时也可以防止其他散射磁场对变压器正常工作的干扰。

在低频变压器中，采用铁磁材料制成一个屏蔽盒(如铁皮盒)，将变压器包起来。由于铁磁材料的磁导率高，磁阻小，所以变压器产生的磁力线由屏蔽壳构成回路，防止了磁力线穿出屏蔽壳，使壳外的磁场大大减小。

同理，外界的杂散磁力线也被屏蔽壳所阻挡，不能穿到壳内来。

3.高频屏蔽

在高频变压器中，由于铁磁材料的磁介质损耗大，所以不用铁磁材料作为屏蔽壳，而是采用电阻很小的铝、铜材料制成。

当高频磁力线穿过屏蔽壳时，产生了感生电动势，此电动势又被屏蔽壳所短路(屏蔽壳电阻很小)，产生涡流，此涡流又产生反向磁力线去抵消穿过屏蔽壳的磁力线，使屏蔽壳外的磁场大大减小，达到屏蔽的目的。

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