硬件基础-从物理学到工程技术中的电路1-会对模拟电路发怵吗?
为什么?
物理学是研究物理现象的科学-学科。比如运动现象:惯性定律-物体会保持原有状态不变,除非施加力。若施加了力,那就遵守牛顿第二定律。若不提及运动,那就是力遵循的作用与反作用定律。
专门研究运动现象的工程技术称作-理论力学的运动学-位移、速度、加速度。遵循物理学的惯性定律,研究点、刚体及其组合的运动学。
专门研究力现象的工程技术称作-理论力学的静力学—力的合成、力的平衡等。研究点、刚体及其组合的受力及其平衡。
专门研究力与运动关联现象的工程技术称作-理论力学的动力学—力作用在点、刚体及其组合的上的动力学规律。
物理学是研究物理现象的科学-学科。比如电磁现象:库仑定律(高斯定律)-静止的点电荷与力的关系。若静止有电场,若运动有电流也有电场-不过电场的影响比电流的量级小许多而被忽略。
若施加了电动力-电势能,而且让电荷在自己的路途里-电路里与运动,那就遵循欧姆定律。若提及电荷(后来科学证实是负电子)运动规律随时间变化-交流电,那就有点讨厌-用了个当量值的概念。还有安培、法拉第、楞次、麦克斯韦等等。
库仑定律欧姆定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律专门研究电荷在自己的通路上运动的现象的工程技术称作-电路理论与技术-电流、电压、电阻、电容、电感等。遵循物理学的欧姆定律,研究一个-单个电阻、电容、电感等及其组合的电路参数-电流、电压、电动势、电功率等。
工程技术应用研究那可多了去了。因电路元器件的组合多样性,就要遵循基尔霍夫第一与第二定律。也就是:回路电压定律与节点电流定律。尤其烦人的是电流变化与时间有关联-交变电流。那涉及到的数学才是最烦人的。虽然回路电压定律与节点电流定律会得到个方程组-矩阵就被牵扯进来了。可比起付利埃级数、富里叶变换等正交三角函数系,还是简单的。数学让太多的人望而却步。还别说随机信号等。
还别说当下,由于计算机的出现,由于精密性的要求,由于弱效应的必须考虑-电场效应、电磁感应、磁电影响等使得模拟量的电路设计、工程实现等更加考验、检验电子工程师的能力与水平。
由模拟电路到数字电路,虽然数字电路的信号-电路参数没有模拟电路的分析复杂。可数字电路的组合方式却让设计者头疼不已。那是布尔代数,是数理逻辑,是层层叠叠的门电路组合。虽然元器件的工作点可以有点影响而不会影响电路状态太多、太明显,可层层叠叠那也不是个小问题。
将—底层基本要素:从底层单元特性到器件组合—电路功能与特性,归为硬件基础—分立元件-模拟与数字。
初学者需要从三个方面建立基本的概念和知识积累。
一个是从书本来的理论知识—理想化的模型、一般化的规律、代数化的参数及其关系-定律=原理图。
二是从实验(试验)来的实践知识—典型化的模型、特殊化的经历与规律、算术化的参数及其关系-定律=实体结构。
三是用计算机辅助—这是一个基于理论和数字化的—理想化模型、特殊化的经历与规律、算术化的参数及其关系-定律=数字化的虚拟实体仿真结构。
虽然计算机辅助也是纯理论的,也就是元器件参数是理想化的,电路没有干扰,可总能给出一个非常接近实际工程的参考量。如果将实际经验的参数考虑进去,那也就与实际所差无几了。或者,给自己找个理由。用计算机辅助软件来检验自己设计的模拟电路的实际计算参数及其组合是否可以从理论上满足工程需要。
实际的电子元器件在电路中,用下面的图形符号表示(还有其它的符号种种)。符号化的理想元器件及其特性
理想化的电子元器件模型与符号在电路中,电气特性主要有对电流的反应。也就是:
常量参数—直流电—时不变参数—自身又是在直流电条件下R保持不变,则有实验所得欧姆定律V=IR。这就是电阻在直流电路中的数学模型。
变量参数—正弦/余弦交流电—时变参数—自身又是在交流电条件下R保持不变,则有理论与实验所得欧姆定律Vm=ImR。使用了热效应—热能功能原理—理论推导而来的有效值参数,这就有了电阻在交流电路中的数学模型。
还有变量参数—脉冲交变电流、……、周期交变电流、非周期交变电流、……、随机变化的电流、……、数字信号、……还有具有自身变量特性的电阻—温度变化、尺寸变化、体积变化、材料特性变化等造成的非线性电阻等。
在电路中,电阻可以被通过串联、并联、三角形连接、T形、π形、……等特殊形态,以便于电路特性达到电气性能要求。它们的数学表达则需要基尔霍夫两个定律来实现。这就是电路的数学模型。结合欧姆定律,就可以分析计算出各自需要的电气参数—设计计算工具和依据—设计与故障分析必备。
1.电阻、电容、电感的固有特性实验
电阻固有特性实验-模拟电感固有特性实验-模拟电容固有特性实验-模拟理论计算
V=IR常量参数-直流电-稳态-数学模型
∑V回路电压定律-数学模型
∑I节点电流定律-数学模型
后面还有:
元器件在电路中的分析与计算元器件组成的电路分析与计算功能电路的组成与电气性能分析