硬件知識“三重奏”

不懂硬件的人，會(huì )覺(jué)得硬件高深莫測，“為什么他改幾個(gè)電阻、電容就調出來(lái)，我弄個(gè)半天沒(méi)搞定？”，“噢，靠的是經(jīng)驗”，但是經(jīng)驗又是什么呢？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，但這是遠遠不夠，還需要一條可供參考的學(xué)習路線(xiàn)，再加上99%的汗水和1%的靈感才可以。
硬件設計，可以說(shuō)是包羅萬(wàn)象，它涉及到非常龐大的知識量，而且，一個(gè)電路錯一點(diǎn)小地方，都有可能導致整個(gè)系統不能工作，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)習來(lái)培養出來(lái)的，而不是說(shuō)還沒(méi)入門(mén)，就否定了自己。
今天我們來(lái)介紹一下硬件設計的學(xué)習路線(xiàn)。

一、初級理論篇
1、高等數學(xué)和線(xiàn)性代數。這里重點(diǎn)掌握微積分和矩陣，因為在后面的課程里面將會(huì )大量用到這兩個(gè)東西，是基礎中的基礎。
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。其實(shí)電路基礎的理論并不難，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(zhuān)業(yè)的核心基礎課，至少學(xué)三遍，此外，學(xué)啃書(shū)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、高數當中的答案都是明確、唯一的，那么模電的答案將是不明確、多樣化的，需要在實(shí)踐中權衡取舍，一定要把以前的思維轉變過(guò)來(lái)，不然后面沒(méi)法學(xué)。這門(mén)課全部都是重點(diǎn)，但是學(xué)完它，除了抄書(shū)上的電路，你仍然什么都做不了，因為還需要其它方面的知識一起用才可以。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)電路設計的大門(mén)，但是由于篇幅有限，以后再寫(xiě)文章介紹。
5、數字電子技術(shù)。這門(mén)課相對于模電來(lái)說(shuō)，要簡(jiǎn)單很多很多。它把三級管搭成各種門(mén)電路、觸發(fā)器，以便于直接把數學(xué)知識運用起來(lái)，同時(shí)它也是FPGA的先修課，是硬件工程師向算法工程師（跟計算機的算法有很大區別）轉變的基礎。這門(mén)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，都是用在強電領(lǐng)域的器件，是開(kāi)關(guān)電源的先修課?？梢哉f(shuō)電源是硬件設計當中最關(guān)鍵的部分，一個(gè)電源設計得好不好，直接影響整個(gè)系統能否正常工作。其中整流、逆變、升壓、降壓電路，都是要重點(diǎn)掌握的。
二、中級理論篇
1、復變函數。這門(mén)課跟高數的微積分一樣，是一種數學(xué)工具。復數信號是物理不可實(shí)現的，但是為什么需要復數？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(guān)察分析才需要這樣弄）？這就需要用到復數了，其中i或者j（因為電流的符號是i，所以才換成j，以防混淆）表示的就是方向，對應著(zhù)極坐標的向量。我們可以把復數轉成模和輻角的形式，想象一下，模就是時(shí)鐘的秒針，而輻角就是秒針轉動(dòng)的角度，秒針轉一圈就是個(gè)圓，而把這個(gè)圓的各點(diǎn)按照出現的時(shí)間先后，重新描繪在直角坐標系中，就是一個(gè)正弦波。這就意味著(zhù)，用復數可以表示一個(gè)正弦波的三要素，振幅就是模（秒針的長(cháng)短），相位就是秒針轉動(dòng)的角度，頻率就是秒針轉動(dòng)的快慢。想一下，如果用實(shí)數來(lái)表示正弦波的三要素，是不是很麻煩？所以學(xué)習復變函數很重要。
2、信號與系統。介紹如何利用數學(xué)建模去描述電路，就是這門(mén)課要研究的內容。什么是信號？LED燈的亮滅、喇叭發(fā)出的聲音、天線(xiàn)感應的電磁波等，有實(shí)際用途的信息載體（包括聲、光、電、熱等）都是信號。什么是系統？就是處理信息載體的東西（包括放大器、傳動(dòng)裝置等）。系統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(xiàn)收發(fā)裝置，這些都要根據實(shí)際需求來(lái)確定，不能一概而論。這門(mén)課都是重點(diǎn)。
3、自動(dòng)控制原理。自控原理是信號與系統的姐妹學(xué)科。介紹如何用數學(xué)建模的方法去分析電路，主要分析電路的穩定性。其中，波特圖、PID都是要重點(diǎn)掌握的。學(xué)懂這門(mén)課就可以用里面的知識去分析一些較為復雜的帶運放的電路，這種電路用KCL和KVL是仍然很難解決。
4、高頻電子線(xiàn)路。高頻是模電的非線(xiàn)性部分。你會(huì )發(fā)現高頻里面很多內容跟模電都差不多，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(mén)課，就不覺(jué)得難，因為它本身就是模電的擴展，而不是全新的領(lǐng)域。這門(mén)課都是重點(diǎn)，至少學(xué)三遍。
5、單片機?，F在已經(jīng)很少不用CPU的硬件電路了，而單片機正是最簡(jiǎn)單的CPU，所以掌握單片機也是很有必要的。其中單片機的接口電路也是相當考驗你的硬件功底的。
6、電子測量技術(shù)。做硬件的經(jīng)常要跟儀器打交道，學(xué)習測量技術(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量電路（配合單片機就可以運用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域）。這里會(huì )接觸很多新器件，大多都是傳感器，當然重點(diǎn)研究的還是電氣特性。這門(mén)課并不難，關(guān)鍵要多做實(shí)驗。

三、高級理論篇
1、信號完整性分析?？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計，學(xué)好這門(mén)課，才可以畫(huà)出性能更優(yōu)的PCB。
2、開(kāi)關(guān)電源。學(xué)會(huì )設計電源電路，給自己的電路系統配上合適的電源，以及解決電源完整性問(wèn)題，也是相當考驗硬件工程師的模電功底。
3、射頻電路設計。隨著(zhù)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 )設計射頻電路也是很有必要的。
4、通信原理。掌握現代的通信技術(shù)，其中包括信息論基礎和各種調制方式都會(huì )在各種通信電路當中有用到。
5、集成電路原理與應用?？梢哉f(shuō)幾乎每塊電路板都會(huì )用到芯片，所以學(xué)習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，數字電位器里面的電阻就是用MOS管構成的有源電阻，一定要上電，它才體現出電阻的特性，如果只使用模電的知識將無(wú)法理解這一現象。
四、總結
如果你認為這么多書(shū)，怎么看都看不完。那是以一種靜止、偏面的觀(guān)點(diǎn)來(lái)分析問(wèn)題了。其實(shí)上介紹那么多課，很多內容都是相通的。比如，數電里面的移位寄存器，就是單片機里面的串口收發(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)電源的內容，只是擴展了一些內容而已。