硬件，不吹牛規(guī)劃！

01 前言

不懂硬件的人，會(huì)覺得硬件高深莫測(cè)，“為什么他改幾個(gè)電阻、電容就調(diào)出來，我弄個(gè)半天沒搞定？”，“噢，靠的是經(jīng)驗(yàn)”，但是經(jīng)驗(yàn)又是什么呢？

不能形容，反正就是覺不明厲。

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)，可以說是包羅萬象，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?？b密才可以，而這種思維要靠后面的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)出來的，而不是說還沒入門，就否定了自己。

今天我們來介紹一下硬件設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)路線。

02 初級(jí)理論篇

2.1 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)。

2.2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。

2.3 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，比如說受控源（其實(shí)就是三極管），所以學(xué)完模電還要再回過頭來再看一遍。這里重點(diǎn)掌握戴維南定理，不然后面沒法學(xué)。

2.4 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)變過來，不然后面沒法學(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，沒有它將不能打開電路設(shè)計(jì)的大門，但是由于篇幅有限，在此不做討論。

2.5 數(shù)字電子技術(shù)

這門課相對(duì)于模電來說，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，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。

2.6 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，是開關(guān)電源的先修課。

可以說電源是硬件設(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。

03 中級(jí)理論篇

3.1 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)?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/電流/" target="_blank">電流的符號(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，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)來表示正弦波的三要素，是不是很麻煩？這里重點(diǎn)掌握留數(shù)保形映射。

3.2 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)無線收發(fā)裝置，這些都要根據(jù)實(shí)際需求來確定，不能一概而論。這門課都是重點(diǎn)。

3.3 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。

3.4 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。

3.5 單片機(jī)

現(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?/p>

3.6 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)。

04 高級(jí)理論篇

4.1 信號(hào)完整性分析

可以說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。

4.2 開關(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題，也是相當(dāng)考驗(yàn)硬件工程師的模電功底。

4.3 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)越來越高，頻率升高會(huì)帶來各種各樣的難題，所以學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)射頻電路也是很有必要的。

4.4 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。

4.5 集成電路原理與應(yīng)用

可以說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)將無法理解這一現(xiàn)象。

05 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)來分析問題了。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，就是開關(guān)電源的內(nèi)容，只是擴(kuò)展了一些內(nèi)容而已。

關(guān)于電力電子這里推薦上科大的

開關(guān)電源工程師需學(xué)習(xí)哪些知識(shí)？

1 電路拓?fù)涞脑砼c設(shè)計(jì)

? 清楚不同變換器的功能，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取合適拓?fù)洌?/p>

? 熟知變換器的工作狀態(tài)，能對(duì)變換器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和交流小信號(hào)分析；

? 熟悉變換器的數(shù)學(xué)模型，能獲取變換器穩(wěn)態(tài)輸入輸出關(guān)系和傳遞函數(shù)；

? 根據(jù)變換器的傳函，能對(duì)變換器進(jìn)行環(huán)路設(shè)計(jì)；

? 在環(huán)路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性（伯德圖等）；

? 熟悉變換器的損耗計(jì)算（導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗）；

2 仿真分析

設(shè)計(jì)方案確定之后，可以對(duì)其仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性和可行性。開關(guān)電源設(shè)計(jì)常用的仿真軟件：

? PSIM/Pspice(電力電子建模)；

? Saber(數(shù)?；旌辖?；

? Matlab/Simulink；

上述仿真軟件各有特色，根據(jù)使用習(xí)慣選擇。

3 元器件知識(shí)

完成方案設(shè)計(jì)、仿真分析之后，就要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，首當(dāng)其沖是元器件選型。

? 熟悉功率元器件（IGBT、MOSFET等）的特性及使用方法；

? 熟悉RLC等一般元器件的使用；

? 熟悉變壓器或電感的設(shè)計(jì)方法；

? 熟悉濾波器的設(shè)計(jì)方法；

4 PCB繪圖與制板

? 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，繪制原理圖；

? 根據(jù)元器件選型，制作封裝庫（部分需自己制作）；

? 布局布線（需考慮接地、EMC等）；

? 將PCB圖交廠家生產(chǎn)；

5 數(shù)字控制器的使用

開關(guān)器件的開關(guān)信號(hào)可由模擬電路產(chǎn)生也可由數(shù)字控制器產(chǎn)生，當(dāng)使用數(shù)字控制器時(shí)，就需要熟悉其原理及使用方法，常用的有DSP、FPGA等。

? 熟悉數(shù)字控制器的原理；

? 熟悉數(shù)字控制器外圍電路的設(shè)計(jì)；

? 熟悉數(shù)字控制器的編程語言；

? 能根據(jù)相應(yīng)的調(diào)制方式產(chǎn)生開關(guān)器件的開關(guān)信號(hào)；

6 EMC設(shè)計(jì)

EMC設(shè)計(jì)貫穿始終電源設(shè)計(jì)，涉及到屏蔽、濾波、接地、PCB設(shè)計(jì)等層面，對(duì)于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)非常重要。

7 關(guān)于「怎樣學(xué)習(xí)」?

? 基本理論

千里之行始于足下，沒有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，就無法地設(shè)計(jì)出色開關(guān)電源。

? 實(shí)踐部分

在實(shí)踐中檢驗(yàn)所學(xué)，在實(shí)踐中深入學(xué)習(xí)。當(dāng)你把一個(gè)電路調(diào)通，輸出符合設(shè)計(jì)的目標(biāo)時(shí)，那種喜悅是別人無法體會(huì)的。

不怕出問題，就怕不出問題。在電路的設(shè)計(jì)、仿真和硬件的制作過程中，出現(xiàn)的每個(gè)問題都是學(xué)習(xí)對(duì)象，知識(shí)的運(yùn)用與積累也是建立在這樣的一個(gè)個(gè)問題之中。在實(shí)踐中學(xué)習(xí)最能提高一個(gè)電源設(shè)計(jì)師的水平。

硬件工程師有哪些東西是必須掌握的？

1、電路知識(shí)，模擬電子線路知識(shí)：作為一個(gè)合格的硬件工程師，模擬電路知識(shí)是基礎(chǔ)，從了解最基本的電阻，電容，電感，二極管，三極管等原件開始，我們需要熟悉一些基本的模擬電路的設(shè)計(jì)方法。比如簡(jiǎn)單的放大電路，加減法電路，三極管做開關(guān)管的電路等。尤其電路分壓，功率計(jì)算這些基礎(chǔ)是天天都在用的。

2、電路知識(shí)，數(shù)字電子線路知識(shí)：作為一個(gè)合格的硬件工程師，數(shù)字電子線路知識(shí)也是我們需要掌握的一個(gè)基礎(chǔ)，數(shù)電學(xué)習(xí)或者理解起來比模電要相對(duì)容易些，要了解一些常用的門電路，觸發(fā)器，時(shí)序關(guān)系等。

3、單片機(jī)，微處理器的應(yīng)用：作為一個(gè)合格的硬件工程師，我們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)電路中往往要設(shè)計(jì)單片機(jī)和一些微處理器的的電子產(chǎn)品。這就要我們有單片機(jī)的基礎(chǔ)，了解內(nèi)部工作原理，和一些功能以及使用方法，外圍電路等。常用的基礎(chǔ)是51單片機(jī)，或者arm系列一些處理器。

4、EDA軟件的使用：作為一個(gè)合格的硬件工程師，我們要學(xué)會(huì)使用一些常用的EDA軟件，如protel,AD，powerPCB等等。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電路的原理圖和PCB要用EDA軟件畫出來，然后打板制版。

5、熟悉常用的測(cè)試工具：作為一個(gè)合格的硬件工程師，常用的測(cè)試工具我們要學(xué)會(huì)使用，最常用的萬用表，開關(guān)電源，示波器。復(fù)雜些的有網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻譜分析儀，信號(hào)發(fā)生器等。

6、常用的測(cè)試軟件的使用：比如串口調(diào)試助手，或者網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具，一些分析電路的軟件等等，這些都是我們常用的工具。

7、嵌入式軟件的編寫：做單片機(jī)項(xiàng)目的時(shí)候，硬件設(shè)計(jì)好后需要編寫測(cè)試軟件，有能力的硬件工程師一般也是可以去寫嵌入式測(cè)試軟件的。這樣通過軟件測(cè)試一下我們硬件的基本功能。

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