Что такое схемотехника простыми словами

Введение в схемотехнику/Что такое схемотехника

В этом разделе разберем более подробно смысл термина схемотехника, а так же выделим отличия этой дисциплины от других, связанных с электрическими явлениями.

1 Понимание термина «схемотехника»
2 Смежные дисциплины
- 2.1 Электроника
- 2.2 Теория электрических цепей
Понимание термина «схемотехника» править

Снова рассмотрим определение термина схемотехника из Большой советской энциклопедии:

Схемотехника, научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники.

Если оставить только ключевые слова из определения, то

схемотехника — это наука о проектировании и исследовании схем электронных устройств.

Слова проектирование и исследование достаточно понятны, они говорят нам о том, что в схемотехнике, как и во многих других научно-технических дисциплинах, большинство задач можно разделить на два класса:
- задачи синтеза («объединения ранее разрозненных вещей») — создание схемы некоего устройства из отдельных деталей или блоков.
- задачи анализа («расчленения целого на составные части») — исследование поведения и свойств большой системы на основании информации о свойствах её составляющих.
Слово схема нуждается в отдельном пояснении. Предмет изучения схемотехники — это схемы, и этот термин имеет два значения:
- Во-первых, электрическая схема — это условное графическое представление некоторой электрической цепи. В зависимости от назначения используются различные виды схем (принципиальная схема, эквивалентная схема и другие).
- Во-вторых, схема — это сама электрическая цепь (например, интегральная схема).
Можно сказать, что задача схемотехники — это анализ и проектирование реальных электронных устройств, но при этом схемотехника оперирует «схемой» — абстрактным представлением устройства в виде совокупности условных обозначений.

Смежные дисциплины править

Электроника править

В рамках электроники [2] изучаются физические основы функционирования электронных устройств. Рассматривается достаточно «низкий» физический уровень, то есть взаимодействие электронов с электромагнитными полями.

Схемотехника находится на более высоком уровне абстракции, чем электроника: в рамках электроники разрабатываются отдельные «детали» (транзисторы, диоды, электронные лампы и т.д.), а в рамках схемотехники эти детали используются. При этом для схемотехники совершенно не важно, как устроены электронные компоненты и какие физические принципы положены в основу их работы. Схемотехника обычно рассматривает все электронные компоненты как черные ящики (подобно тому, как мы успешно пользуемся мобильными телефонами, не задумываясь об их внутреннем устройстве). По этой причине для изучения схемотехники не требуются глубокие познания в общей физике: для начала достаточно школьного курса.

Теория электрических цепей править

Изучение свойств отдельных электронных компонентов (например, транзистора) является задачей электроники. Но если соединить несколько компонентов проводниками, то возникает совершенно новая сущность — электрическая цепь; в ней отдельные компоненты взаимодействуют и, благодаря этому, возникают новые эффекты и процессы, которые в отдельных компонентах наблюдать нельзя. Изучением процессов в электрических цепях занимается отдельная дисциплина — теория электрических цепей.

Теория электрических цепей [3] — раздел теоретической электротехники, в котором рассматриваются математические методы вычисления электрических величин в электрических цепях.

Теория цепей оперирует не реальными электронными компонентами (они слишком сложны для точного математического описания), а их простыми идеализированными моделями. Можно даже считать, что теория цепей вообще не интересуется реальными компонентами (транзисторами, диодами и т.д.), а ограничивается изучением только идеализированных моделей. Чтобы применить методы теории цепей к реальным устройствам, их необходимо представить в виде эквивалентных схем, содержащих только идеализированные модели.

Теория цепей дает для схемотехники методы для изучения процессов в электрических цепях. В некотором смысле задачи этих двух дисциплин перекрываются (обе имеют дело с процессами в электрических цепях). Отличие заключается в том, что теория цепей дает методы работы с абстрактными идеализированными моделями, а схемотехника применяет эти методы для построения реальных устройств.

В рамках данного курса будут рассмотрены основы теории цепей, необходимые для перехода к схемотехнике.

Примечания править
1. ↑Определение схемотехники в БСЭ
2. ↑Определение электроники в БСЭ
3. ↑Электрические цепи
Основы цифровой схемотехники

Схемотехника представляет собой направление в области электроники, которое ориентировано на изучение и разработку принципов работы и технологий подготовки проектов схем, входящих в основу электронного оборудования.

Цифровая схемотехника направлена на изучение дискретных электронных схем, где электрические импульсы обладают конкретной парой стабильных параметров напряжения и электрического тока.

Любая из дискретных характеристик присваивает код какой-либо цифре, к примеру, нулю или единице. Переход между ними осуществляется скачками. При рассмотрении цифровых схем можно заметить режим работы электронных каскадов в формате ключа, то есть «открыт-закрыт». Таким образом, для них характерны следующие положения:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
- пропуск электротока;
- отсечение тока.
Функциональная цифровая схемотехника сосредоточена на рассмотрении схем на уровне больших компонентов и узлов с определенным функционалом, к которым относят логические элементы, триггеры, регистры, блоки памяти, микропроцессоры.

Цифровые схемы применяют в разных областях хозяйственной деятельности. Подобное инженерное решение имеет ряд важных конкурентных преимуществ и демонстрирует высокую эффективность на практике. На основе цифровых технологий разработана большая часть вычислительных машин и электроники, которые отвечают актуальным запросам пользователей и позволяют решать ряд технологических задач разной сложности и масштаба.

Основы цифровой схемотехники

В зависимости от природы формируемого сигнала светотехнику классифицируют на цифровую и аналоговую. Во втором случае при выполнении различных операций и вычислений учитывают несколько параметров, в том числе, силу тока, напряжение, которое может иметь отрицательное значение, сопротивление. В случае цифровой схемотехники отсутствуют конкретизированные параметры, а построение схем осуществляется на высоком и низком логических уровнях, что значительно упрощает задачу пользователю по сравнению с аналоговыми технологиями.

Особенность аналоговых электросигналов заключается в способности изменять параметр в определенном интервале напряжений, тока, частоты и прочих метрических величин. Такие действия соотносят с натуральными физическими процессами. Подобная технология сопровождается рядом трудностей при реализации, а именно:
- неверное отображение параметров по причине повышенной реакции на помехи;
- большой процент погрешностей в результате обработки каскадами электросхем;
- повышенный уровень сложности аналогового электронного оборудования с точки зрения схемотехники, конструкции, технологических процессов.
С учетом перечисленных факторов аналоговые электронные устройства применяют для решения следующих задач:
- начальная и результирующая обработка физических сигналов;
- организация систем передачи сигналов;
- примитивные автоматизированные комплексы.
Дискретными электросигналами называют сигнал с допустимыми значениями из ранее выявленного множества с ограничениями.

Цифровые электросигналы используют для представления кодов цифр и чисел.

В распространенных случаях применяют двоичные цифровые сигналы такие, как:
- одноразрядный (двоичный дискретный);
- сигнал, имеющий лишь пару значений, кодирующих одну двоичную цифру (бит), к примеру, «0» означает 0 вольт, «1» определяет 5 (1.8, 3.3) вольт;
- многоразрядный, представляющий собой последовательность значений, которым присвоены двоичные цифровые коды, предназначенные для передачи по средствам двоичных дискретных сигналов.
Преимущества, которыми обладают цифровые сигналы по сравнению с прочими видами:
- упрощение основных электрических каскадов с точки зрения схемотехники, конструкции, технологии;
- устойчивость к образованию помех;
- отсутствие специальных требований к качественным характеристикам электрического питания;
- легкость реализации в форме интегральных микросхем;
- простое строение схем памяти;
- отсутствие трудностей в процессе кодирования двоичных цифр, то есть битов.
Цифровую схемотехнику используют в процессе разработки и производства разнообразных типов вычислительных машин и техники, в том числе:
- электронно-вычислительных машин;
- цифровых сетей передачи информации;
- систем, обрабатывающих сигналы разной конфигурации.
Выбор в пользу цифровых технологий обусловлен непредсказуемостью и нестабильностью аналоговой схемотехники. Это объясняется влиянием на характеристики сигналов неблагоприятных сторонних факторов, к примеру, температурного режима и внешних наводок. Обслуживание электроники на аналоговых схемах сопровождается определенными трудностями. Например, наличие флюса на плате или окисление контактов провоцируют потерю работоспособности. В этом плане цифровая схемотехника демонстрирует высокую стабильность и отказоустойчивость даже при воздействии негативных условий окружающей среды и шумов.

Перечисленные особенности аналоговой и цифровой схемотехники повлияли на развитие современных технологий. В настоящее время превалирующий информационный объем данных зафиксирован в цифровом формате, а компьютерное оборудование работает непосредственно с числами, то есть их двоичным кодом. Изучение схемотехники не требуется много времени и сил. С целью освоения основ этого технологического направления в электронике необходимо в первую очередь освоить перевод чисел из десятичной записи в двоичный код и принцип выполнения обратных операций.

Стандартная цифровая схема включает в себя следующие функциональные компоненты:
- входы;
- выходы;
- логические элементы (вентили).
В первую очередь сигнал при поступлении проходит через входы. Далее происходит его преобразование согласно установленным правилам. В результате осуществляется подача сигналов на выходы. Комбинированные схемы предполагают зависимость выходных сигналов от их входящего состояния. В случае последовательностных схем характерна зависимость между входом, выходом и внутренним состоянием схемы. Независимо от конфигурации, сигналы на выходе определяются входом. Обратная зависимость не предусмотрена.

Базовые устройства в цифровой схемотехнике

В основе цифровых схем несколько классических логических компонентов, наподобие деталей Лего. Из таких элементов допустимо создавать комбинации, взаимные соединения, конструировать новые схемы. Рассматривать компоненты целесообразно с помощью таблиц истинности, где отражено соотношение между сигналами на входе и выходе. Графический формат представления элементов реализован с помощью диаграмм Венна.

NOT

Данный элемент считают наиболее простым. Компонент является логическим отрицанием и инвертирует сигнал на входе, представленным в единственном числе. Компактность таблицы истинности обусловлена наличием лишь пары вероятных состояний. В С/C++ рассматриваемый элемент обозначают оператором «!». Стоит отметить, что в процессе программирования это действие применимо к переменным с бинарным и любым другим значением. На схематичном изображении использовано два вида символов. С левой стороны — американский формат (ANSI), с правой стороны — европейский аналог записи (МЭК и ГОСТ). Так как второй тип практически не используют, в большинстве информационных источников можно встретить более наглядный стандарт ANSI. Таблица истинности для NOT:

AND

В данном случае выходной сигнал определяется логической единицей при условии соответствия всех входов высокому уровню. Число входов не ограничено, что не влияет значительно на изменение таблицы истинности. Допустимо формировать каскад элементов путем подачи выхода одного вентиля AND на вход другого. Обычный формат отображения табличной формы подразумевает начальное расположение всех входов на логическом нуле с последующим поэтапным инвертированием одного из разрядов, начиная с младшего. Таким образом, реализована кодировка какого-либо числа в двоичной записи всеми входами и прибавление к этому числу единицы в каждой строке по мере прохождения всех значений.

В С/С++ предусмотрена пара аналогичных компонентов для рассматриваемого вентиля: булево И (оператор &) и логическое И (оператор &&). Первый оператор используют, когда требуется проверить флаги и выполнить прочие действия с определенными битами числа. Второй оператор необходим для работы с логическими выражениями.

Таблица истинности для AND:

OR

В данном случае для выхода характерно положение логического ноля при нулевых значениях каждого из входов. Прочие конфигурации сопровождаются высоким уровнем на выходе. В комплексе AND и OR представляют собой пару ключевых строительных материалов цифровой логики. Сначала возникают проблемы с отличием этих компонентов друг от друга. Однако путем наработки практического опыта эта проблема легко устраняется. Кроме того, существует полезная закономерность, согласно которой форма элемента с входной стороны соответствует первой букве в английском названии.

Таким образом, округлая форма вентиля OR похожа на букву О. Прямая линия компонента AND является частью начертания буквы А. Аналогично ситуации с AND для элемента OR в языках программирования С/С++ применяют булево ИЛИ (оператор |) и логическое ИЛИ (оператор ||).

Таблица истинности OR:

XOR

Логический компонент XOR представляет собой функцию исключающего ИЛИ. Несмотря на необычную форму таблицы истинности для данного элемента, ее достаточно просто запомнить. Здесь существует несколько важных закономерностей, а именно, высокий выходной уровень характерен для ситуации разных входов. Если число входов больше, чем два, то вентиль реализует нетривиальную функцию. При отсутствии логических единиц на входах, либо их четном числе, на выходе будет ноль. В противном случае, на выходе формируется единица.

В C/C++ это оператор ^, с которым связана опция обмена значениями пары числовых переменных без применения временной переменной с целью промежуточного хранения, то есть свойство самообратимости. Запись в одну строку:

Таблица истинности для XOR:

Этапы развития технологии микропроцессорной цифровой схемотехники

В течение всего периода в истории, когда микропроцессорная техника активно развивалась, лидерство в этой отрасли принадлежало компании из США Intel (Integrated Electronics). В 1971 году корпорация презентовала первый в мире 4-битный микропроцессор 4004. В состав машины входило 2300 транзисторов. Процессор основан на технологии 10 мкм, предполагал рабочую частоту 108 кГц, адресацию 640 байт памяти. Производительность техники составляла 0,06 MIPS. Завоевать популярность и укрепить лидирующие позиции в отрасли фирме Intel удалось с помощью разработки 8-битного микропроцессора 8080, выпущенного в 1974 году.

Усовершенствованная машина работала на частоте 2 мГц, адресовала 64 Кбайта памяти, содержала 6000 транзисторов за счет технологии 6 мкм. К процессору подключали три источника питания (+5, +12, — 5 В). Рабочий процесс предполагал усложненную двухтактную синхронизацию. Данная модель микропроцессора пользовалась большим спросом на международном рынке. В нашей стране была распространена аналогичная модификация техники К580ИК80, предназначенная для решения широкого спектра инженерных задач, в том числе, реализация роли составного компонента ПК и контроллеров разнообразных конфигураций.

Следующий исторический этап отмечен созданием микропроцессора 8085, в основе которого технология 3 мкм. На кристалле машины расположено 6500 транзисторов, а величина тактовой частоты в этом случае составляет 5 мГц при показателях производительности в 0,37 MIPS. Архитектура рассматриваемого микропроцессора аналогична архитектуре модели 8080. Однако более поздняя разработка характеризуется наличием порта последовательного интерфейса и предполагает общее питание под напряжением +5 В.

В 1979 году корпорация Intel быстрее остальных разработчиков представила 16-битный микропроцессор 8086. Функционал машины приближен к миниатюрным компьютерам из 70-х годов. Данный процессор функционировал на рабочей частоте 5 мГц с производительностью, равной 0,33 MIPS. При этом подразумевалась обработка 16-битных операндов. В основе машины технология 3 мкм с 29000 транзисторами, расположенными на кристалле. С создания микропроцессора 8086 началась разработка полноценной линейки под названием «80х86».

Аналогичный процессор К1810ВМ86 устанавливали в ПК, производимые в нашей стране. В этом случае требовалось расширение адресного пространства памяти до 1 Мбайта в процессоре с 16 — битными регистрами, что обусловило применение в микропроцессоре 8086 сегментной структуры памяти. Такая организация в дальнейшем повторялась в прочих разработках авторства с целью обеспечения совместимости. Спустя один год, корпорация представила новую модель микропроцессора 8088 с архитектурой, аналогичной модификации 8086 с 16-битными внутренними регистрами и внешней шиной данных, соответствующей 8 битам.

В 1981 году были созданы микропроцессоры 80186/80188 с классической архитектурой предшествующих моделей 8086/8088. Отличие заключалось в наличии на кристалле контроллера, обеспечивающего непосредственный доступ к памяти, счетчика, то есть таймера, а также контроллера прерываний и расширенной командной системы. Значимым событием в индустрии стало создание микропроцессора 80286 в 1982 году. Машина основана на технологии 1,5 мкм, включает в себя 134000 транзисторов.

В процессе разработки данной техники инженеры оперировали инновационными решениями в области микрокомпьютерной архитектуры и производства крупного компьютерного оборудования. В 1986 году корпорация Intel презентовала процессор 80386, который содержал 275000 транзисторов и использовал рабочую технологию 1,5 мкм. После значительных доработок модели присвоили идентификатор 80386 DX. 1990 год отмечен разработкой микропроцессора 80386 SL в компактном корпусе и с экономичным расходом энергоресурсов. Машину спроектировали специально для ПК.

В 1989 году компания Intel презентовала микропроцессор модели 80486 с кристаллом на 1,2 миллиона транзисторов и рабочей технологией 1 мкм. Рассматриваемая модификация техники отличалась реализацией математического сопроцессора за счет одного кристалла с центральным процессором FPU (Floating Point Unit) и наличием внутренней совмещенной кэш-памяти команд и данных, емкость которой составляла 8 КБайт. С целью улучшения параметров производительности CISC-процессор оснащен RISC-ядром.

Практика применения

Ознакомиться с принципами и особенностями цифровой схемотехники целесообразно на примере практических заданий. В качестве объекта рассмотрения можно выбрать сборку 8-битного сумматора. С целью реализации подобного решения необходимо:
- две беспаечные макетные платы;
- некоторое число DIP-переключателей;
- индикационные диоды;
- резисторы для ограничения тока на 10 кОм;
- две микросхемы 74HC283.
Стоит отметить, что в семействе микросхем с маркировкой 74хх представлена продукция разного целевого назначения, в том числе, для сборки логических вентилей (к примеру, 74HC04, где 6 инверторов расположены в едином корпусе) и полнофункциональных АЛУ (74HC181). Кроме схем с комбинацией компонентов в линейке имеются последовательностные схемы такие, как:
- триггеры (74НС74);
- регистры (74НС373);
- счетчики (74НС393).
Исходя из большого количества номенклатур, можно сделать вывод о трудностях подбора необходимой схемы. Существует простое решение подобной проблемы. Нужно обратиться к справочнику, посвященному данной серии, к примеру, Texas Instruments. В документации несложно найти данные о том, как располагаются выводы у микросхемы 74HC283, а также описание с таблицами истинности. В случае сумматора на 4 бита предусмотрена опция быстрого переноса, возможность объединения микросхем для сборки сумматоров на 8, 16, 32 бита.

Иллюстрация из рассматриваемого справочника:

Примечание 1

В Советском Союзе и Российской Федерации можно было найти ранее и сейчас микросхемы похожей конфигурации. Модели получили названия К155 и КР1564. Представленные модификации схем предназначались в качестве альтернативы 74хх и 74НСхх соответственно. В распространенных случаях разработанные схемы обладают совместимостью с корпусами и контактными по аналогии с иностранными. Минусом отечественных схем данной конфигурации является высокая цена, а также сложность поиска, так как продукцию редко, где можно приобрести.

Обращаясь к схеме на рисунке выше, стоит заметить некоторые отличия от ранее рассмотренных вариантов. Это объясняется возможностью реализации одинаковых функций несколькими разными методами. В процессе производства микросхем применяют ту методику, которая оправдана с экономической и практической точки зрения относительно технологического процесса. Сходства схем:
- элементы XOR от полусумматоров размещены перед выходом для значений каждого из разрядов;
- значение для переноса определяется одновременно с параметрами разрядов, что реализовано за счет наличия специальных компонентов на микросхеме.
После ознакомления с механизмами работы микросхем и функционалом ее вывода целесообразно приступить к сборке рабочего сумматора на 8 бит с помощью макетных плат. В этом случае потребуется использовать проводники и перемычки, которыми выполняют подключение элементов. Изображение платы:

В распространенных ситуациях значения в АЛУ поступают из регистров, которые представляют собой наиболее быстрый вид памяти в компьютерной технике. Упростить задачу по сборке можно путем использования пары DIP-переключателей. На фото эти компоненты расположены слева вверху угла. С их помощью проще присваивать необходимые значения. Таким образом, рассматриваемые переключатели играют роль регистров А и В протокомпьютера. Стоит обратить внимание на нумерацию, которая в данном случае не соответствует требованиям к нужному порядку.

Пара 74НС283 находится в центральной области на нижней макетке. Отображение итога действия можно увидеть на светодиодной линейке в верхнем углу справа. Слева в нижем углу в качестве источника энергопитания установлен преобразователь USB — UART для стабилизации подачи 5В. Когда в сборке схемы отсутствуют ошибки, после определения двоичного представления чисел на переключателях наблюдается значение суммы на диодах.

Спроектированная схема работает и на операцию вычитания. При этом не требуются изменения в структуре компонентов. При использовании представления чисел со знаком минуса в дополнительном коде нет необходимости в переопределении действия сложения, так как рабочий процесс допустимо организовать на существующем железе. Необходимо применить к каждому биту операцию NOT с последующей подачей на вход сумматора совместно с единицей. Подобный подход удобен для реализации из комплекса логических вентилей. Фото схемы:

Задачи

Полученные практические навыки полезны в процессе решения профильных задач. С помощью изученных принципов и закономерностей представляется возможным выполнить сборку полезных и функциональных схем. При этом потребуется применять не только логические операции, но и взаимодействовать с числами. В качестве наглядного примера попробуем собрать своими силами процессор, а именно, сумматор в АЛУ, который играет роль главного блока компьютерного оборудования.

Начать следует с полусумматора. В рамках решаемой задачи потребуется выполнить сложение пары 8-битных положительных значений. Рассмотрим запись суммирования по методу «в столбик», которая имеет следующий вид:

В определенной последовательности нужно сложить цифры в рамках каждого разряда. Двигаться при этом следует с правой в левую сторону. В результате будет определен итог для конкретного разряда. Стоит выполнить распространение переноса далее, когда имеет место переполнение. Тогда схема должна содержать пару входов А и В, а также пару выходов S и С. Проанализировать вероятные комбинации можно с помощью таблицы истинности:

Если рассматривать отдельно полученные колонки S и С, то заметно их соответствие определенным логическим компонентам. В результате получится полноценное представление схемы:

Примечание 2

В процессе работы с цифровыми схемами необходимо учитывать важную особенность такой электроники, которая состоит в задержке при реакции на изменение сигналов на входе. В течение времени запаздывания сигнал на входе способен измениться. По этой причине быстродействие схемы зависит от количества ее компонентов.

Ранее была рассмотрена схема полусумматора, так как в том случае не учтен выход с предшествующего разряда. Если совместить пару подобных блоков, то можно получить схему полноценного сумматора. Наглядное изображение схемы:

Что такое схемотехника

Схемотехника — это наука о проектировании и анализе электронных схем, состоящих из различных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды и микросхемы, которые реализуют различные функции обработки, передачи и хранения информации.

Схемотехника включает в себя изучение принципов работы этих компонентов, их характеристик и свойств, а также способов соединения их в сложные устройства, выполняющие различные функции. Она также занимается разработкой методов моделирования, симуляции, оптимизации и тестирования электронных схем.

Схемотехника является важной частью электроники, компьютерной техники, связи, автоматики и других областей.

Электроника занимается созданием и использованием электронных компонентов, таких как транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и микросхемы.

Схемотехника изучает способы соединения этих компонентов в сложные схемы, которые выполняют различные функции, например, усиление, фильтрация, модуляция, демодуляция и преобразование сигналов.

Электронные схемы могут быть классифицированы по разным критериям, например, по степени интеграции (дискретные, интегральные, гибридные), по типу сигнала (аналоговые, цифровые, смешанные), по режиму работы (постоянный ток, переменный ток, импульсный ток), по функциональному назначению (усилительные, генераторные, модуляторные, демодуляторные, фильтрующие, коммутационные и т.д.).

Каждый тип схемы имеет свои особенности проектирования и анализа, а также свои преимущества и недостатки.

Схемотехника в электронике является важной и актуальной областью знаний, так как электронные схемы широко применяются в различных отраслях науки, техники и жизни.

Без электронных схем невозможно представить современную связь, вычислительную технику, автоматизацию, медицину, оборону и многие другие сферы деятельности.

Схемотехника в электронике постоянно развивается и совершенствуется, появляются новые компоненты, технологии и стандарты. Она требует от специалистов глубоких знаний математики, физики, информатики и других дисциплин.

Основные понятия и определения: электронная схема, электронный компонент, электронное устройство, электронный модуль, электронная аппаратура
- Электронная схема — это изделие, сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, соединённых между собой. Различные комбинации компонентов позволяют выполнять различные функции, такие как усиление, фильтрация, модуляция, демодуляция, кодирование, декодирование, логические операции и т.д.
- Электронный компонент — это составная часть электронной схемы, которая имеет определённые электрические свойства и характеристики. Электронные компоненты могут быть пассивными или активными, в зависимости от того, имеют ли они источник энергии или нет. Пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки, не могут усиливать или генерировать сигналы, а только изменять их параметры. Активные компоненты, такие как диоды, транзисторы и микросхемы, могут усиливать, генерировать или переключать сигналы, используя внешнюю энергию.
- Электронное устройство — это устройство, принцип действия которого основан на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и используется для преобразования электромагнитной энергии (например, для передачи, обработки и хранения информации). Электронное устройство состоит из одной или нескольких электронных схем, а также других элементов, таких как источники питания, датчики, исполнительные механизмы, индикаторы и т.д. Примеры электронных устройств: радиоприёмник, телевизор, компьютер, мобильный телефон и т.д.
- Электронный модуль — это совокупность электронных компонентов, собранных на одной плате или корпусе и выполняющих определённую функцию. Электронный модуль может быть частью более сложного электронного устройства или самостоятельным изделием. Примеры электронных модулей: память, процессор, видеокарта, звуковая карта, сетевая карта и т.д.
- Электронная аппаратура — это совокупность электронных устройств и модулей, объединённых в единый комплекс для выполнения определённой задачи. Электронная аппаратура может включать в себя не только электронные, но и механические, оптические, гидравлические и другие элементы. Примеры электронной аппаратуры: радиостанция, радар, телевизионная студия, робот и т.д.
Методы анализа и синтеза электронных схем

Электронная схема — это набор элементов, соединенных проводами, которые выполняют определенную функцию. Например, усилитель, генератор, логический элемент и т.д.

Электронные схемы позволяют понять принцип работы устройства, а также упрощают его проектирование и отладку.

Анализ электронной схемы — это процесс, в котором изучаются свойства и функционирование электронных компонентов, соединенных между собой. Анализ электронной схемы позволяет понять, как работает устройство, какие сигналы оно принимает и выдает, какие параметры оно имеет и какие неисправности могут возникнуть.

Синтез электронной схемы — это процесс построения схемы, которая удовлетворяет заданным требованиям. Например, нужно создать схему, которая усиливает сигнал в 10 раз, имеет полосу пропускания 1 кГц и потребляет не более 100 мВт.

Существует много методов анализа и синтеза электронных схем, но здесь мы выделим два основных подхода: аналитический и численный. Аналитический подход заключается в использовании математических формул и законов для описания и решения схемы.

Например, для анализа схемы можно применить закон Ома, закон Кирхгофа, теорему Тевенина и т.д. Для синтеза схемы можно использовать методы эквивалентных преобразований, метод вставки и удаления элементов, метод последовательного приближения и т.д.

Аналитический подход имеет преимущества в том, что он дает точные и общие результаты, которые не зависят от конкретной реализации схемы.

Однако он также имеет недостатки в том, что он сложен для применения к сложным и нелинейным схемам, требует большого объема вычислений и может приводить к ошибкам из-за приближений и упрощений.

Численный подход заключается в использовании компьютерных программ для моделирования и оптимизации схемы. Например, для анализа схемы можно использовать программы типа SPICE, LTspice, Multisim и т.д. Для синтеза схемы можно использовать программы типа EDA, MATLAB, Simulink и т.д.

Численный подход имеет преимущества в том, что он позволяет анализировать и синтезировать любые схемы, включая сложные и нелинейные, учитывая все факторы, такие как паразитные параметры, шумы, переключения и т.д.

Однако он также имеет недостатки в том, что он требует больших ресурсов компьютера, может давать неточные или неправильные результаты из-за ошибок программы или неправильных настроек моделирования.

Методы анализа и синтеза электронных схем являются важными инструментами для разработки и изучения электроники. Они помогают понять принципы работы схем, проверить их корректность и эффективность, а также создать новые и улучшить существующие схемы.

Ни один метод не является идеальным, и каждый имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать комбинацию различных методов, а также опираться на свой опыт, интуицию и творчество.

Аналоговая схемотехника

Аналоговая схемотехника — это область электроники, которая изучает и проектирует схемы, работающие с аналоговыми сигналами. Аналоговые сигналы — это сигналы, которые могут принимать любые значения в непрерывном диапазоне, в отличие от дискретных или цифровых сигналов, которые могут принимать только определенные значения.

Аналоговые схемы часто используются для обработки звука, изображений, радиосвязи и других видов информации, которая естественно представляется в аналоговом виде.

Аналоговая схемотехника включает в себя такие элементы, как резисторы, конденсаторы, индуктивности, транзисторы, диоды, операционные усилители и другие активные и пассивные компоненты. С помощью этих элементов можно создавать различные функциональные устройства, такие как усилители, фильтры, осцилляторы, модуляторы, демодуляторы и т.д.

Аналоговые схемы также могут взаимодействовать с цифровыми схемами через преобразователи аналого-цифрового и цифро-аналогового типа.

Аналоговая схемотехника является одной из самых старых и фундаментальных областей электроники. Она имеет множество применений в разных отраслях науки и техники. Аналоговая схемотехника также представляет большой интерес для любителей и энтузиастов, которые хотят экспериментировать с электронными устройствами и создавать свои собственные проекты.

Цифровая схемотехника

Цифровая схемотехника — это раздел электроники, изучающий принципы построения и функционирования устройств, работающих с дискретными сигналами. Дискретные сигналы — это сигналы, которые могут принимать только определенные значения, например, 0 или 1, в отличие от аналоговых сигналов, которые могут изменяться непрерывно.

Цифровые устройства состоят из элементарных логических блоков, называемых логическими элементами, которые выполняют базовые логические операции, такие как И, ИЛИ, НЕ и т.д.

С помощью комбинации логических элементов можно создавать сложные цифровые схемы, способные выполнять различные задачи, такие как арифметические операции, хранение информации, передача данных и т.д.

Цифровая схемотехника имеет множество применений в современной технике и науке. Основными областями применения цифровой схемотехники являются компьютеры, микроконтроллеры, цифровая обработка сигналов, связь, криптография и т.д.

Цифровая схемотехника также используется для создания искусственного интеллекта, нейронных сетей, квантовых компьютеров и других передовых технологий.

Для изучения цифровой схемотехники необходимо иметь базовые знания по математике, физике и программированию. Также полезно ознакомиться с основами электроники и аналоговой схемотехники.

Для практического изучения цифровой схемотехники можно использовать специальное программное обеспечение для моделирования цифровых схем или реальные компоненты для построения прототипов. В Интернете можно найти множество ресурсов по цифровой схемотехнике, таких как книги, видеоуроки, онлайн-курсы и т.д.

Современная схемотехника

Современная схемотехника сталкивается с рядом вызовов и возможностей, связанных с развитием технологий, увеличением сложности задач и требований к производительности, энергоэффективности, надежности и безопасности систем.

Наиболее актуальные и перспективные направления современной схемотехники:
- Наноэлектроника и квантовая схемотехника, которые используют новые физические принципы и материалы для создания схем на молекулярном и атомном уровне, обладающих сверхвысокой плотностью, скоростью и функциональностью.
- Нейроморфная схемотехника, которая вдохновлена принципами работы биологических нейронных сетей и позволяет создавать адаптивные, самообучающиеся и энергоэффективные схемы для решения сложных задач искусственного интеллекта.
- Гибриднаяя схемотехника, которая комбинирует различные типы схем, такие как аналоговые, цифровые, оптические, мемристорные и другие, для достижения оптимального соотношения между производительностью, энергопотреблением и функциональностью.
- Системы на кристалле (SoC) и системы в пакете (SiP), которые интегрируют на одном кристалле или в одном пакете несколько разнородных компонентов, таких как процессоры, память, датчики, интерфейсы и другие, для создания компактных, многофункциональных и низкопотребляющих устройств.
- Беспроводная схемотехника, которая разрабатывает схемы для передачи данных по радио-, оптическим или другим каналам без проводов, обеспечивая высокую скорость, пропускную способность и защиту от помех.
- Безопасная схемотехника, которая занимается проектированием схем с учетом потенциальных угроз и атак, таких как физическое воздействие, подделка, взлом или кража информации, и применяет различные методы защиты, такие как шифрование и аутентификация.
Современная схемотехника является динамичной и многогранной наукой, которая постоянно развивается и адаптируется к новым вызовам и потребностям. Схемотехника способствует прогрессу во многих областях человеческой деятельности и повышает качество жизни. Она также предлагает множество интересных и творческих задач для исследователей, инженеров и студентов, которые хотят внести свой вклад в развитие этой области человеческой деятельности.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Самостоятельное изучение схемотехники

Я решил написать ряд статей, которые должны помочь разобраться самостоятельно в предмете схемотехники. Первая часть вводная, в ней рассказывается об основных дисциплинах, которые стоит изучить для понимания принципов конструктирования и построения электрических схем. Если эта статья вам понравится, тема будет развиваться, внимание будет фокусироваться на нюансах и примерах.

Для старта в обучении требуется изучить три основные дисциплины:
1. Основы электротехники
2. Теоретические основы электроники
3. Теория автоматов

Все на так страшно, как кажется на первый взгляд.

Первый пункт необходим для понимания принципов работы с электричеством (В этом предмете изучаются основы расчета электрических схем).
Второй пункт — то же самое, что и первый, но более углубленный. Здесь будут рассматриваться частные примеры основных электронных устройств, через их электрические схемы.
Третий пункт — это очень важная дисциплина, которая рассматривает электрические схемы с точки зрения их логики работы. Эта дисциплина является вводной частью в курс схемотехники и рассматривает основные логические элементы, принципы построения принципиальных схем, процессы происходящие в схемах и многое другое.

Как изучать эти дисциплины?
Изучать их стоит по ВУЗовским учебникам, совмещаяя друг с другом. Т.е. стоит начать изучение курсов ОЭ и ТА параллельно, а после этого переходить к изучению ТОЭ и схемотехники. Уже после нескольких недель вы сможете сами разрабатывать простые логические схемы и понимать работу более сложных. Конечно, не стоит забывать и про практику, на нее нужно делать особый упор. Решайте задачи, изучайте электрические и принципиальные схемы.

Какие книги понадобятся в процессе обучения?
Для изучения электротехники и электроники пойдет любой учебник для высших учебных заведений. (Как пример А. А. Бессонов «Теоретические основы электротехники»)
Теорию автоматов можно изучать по одноименному учебнику Ю. Г. Карпова

Программное обеспечение:
В ходе обучения весьма пригодяться программы такие как
Electronic Workbench
Старая программа для построения принципиальных электрических схем. Для обучения вполне пойдет демо версия с ограниченным количеством допустимых элементов на листе. Программу можно использовать как для изучения курса теории автоматов, так и для проверки задач по электротехнике.

P-CAD
Будет использоваться на завершающих этапах обучения для разводки элементов по печатной плате.

На этом вводная часть заканчивается. Если данная тема будет интересна хабраюзерам, я продолжу писать статьи на эту тему.
Удачи вам в самообразовании.
Похожие публикации: