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一个简单、有用、无风险的模拟电路,理工科生入门必看!

时间:2018-09-13 作者:Bill Schweber 阅读:
许多理工类(STEM)项目和课程,大部分时间都花在使用Arduino这样的平台来“编程”了,而许多真正的设计挑战是在物理和接口层面。了解物理层电路的最佳方法当然是构建一些电路并使用它们,我发现一个非常适合的模拟电路,简单、实用、无风险,低于1/2mΩ以下为短路、高于½MΩ为开路。。。

你肯定知道,无论是学校、家庭、还是公司,都在积极鼓励从小学到高中的学生对理工科(Science、Technology、Engineering、Math,科学、技术、工程和数学,缩写为STEM)产生浓厚兴趣。在我看来,这是好消息,因为未来理工科领域可能需要更多人才。您永远无法预知哪些人会用创新而有远见的方法来解决许多设计挑战。

即使理工科学生最后没能成为卓越的创新者,他们仍能完成许多基本的工程任务,例如在越来越小的外壳里挤进更多的器件,同时功耗更低,这些功夫都需要扎实的基础工程技术和技能。

注意:我只提到了STEM而不是STEAM(其中的A表示Art),因为我认为艺术有自己的位置并且已经得到相当多的关注。

对于“我们需要更多工程师和科学家”的说法,也许有人会反驳,因为目前确实不缺这样的人才,技术从业者太多反而会导致工资水平下降。这说得没错,“工程人才短缺迫在眉睫”的话已经喊了几十年啦。到底缺什么,以及工程师人数的增减会对工作状况产生怎样的影响,我们暂时还不知道。

因此,我很高兴看到人们对理工科的兴趣,其中很多兴趣与机器人一类的项目有关。这完全可以理解,因为那些项目激发人的想象力,保持学生的兴趣,而且最后可以把结果展示出来。

然而,有一件事让我烦恼。我看到许多STEM项目和课程的学生,大部分时间都花在用Arduino这样一些大家都熟知的平台来“编程”了。因此,这些学生关于理工科的认知仅仅是通过键盘得到的,似乎一切只是一堆代码或应用程序,而且似乎所有工程问题都可通过编程来解决。

抱歉,事实根本不是这样。富有经验的工程师都知道,许多真正的设计挑战是在物理和接口层面,包括驱动电流和电压、拉和灌、瞬态、损耗、寄生、泄漏、负载特性、噪声、时序,毛刺等问题,还有很多很多……在大多数情况下,看似聪明的代码是解决不了问题的。相反,“粗活重活”都在模拟电路功能和元件(有源和无源)上面。即使一个电路名义上是数字的,实际上在物理层面,所有系统都是模拟的,当然这只是物理学的观点。

了解物理层电路的最佳方法当然是构建一些电路并使用它们,同时减低甚至消除处理器/软件方面的因素,至少一开始应该这样。我发现一个非常适合的小电路,见图1。该电路很容易在面包板上实现,因为它没有关键元件,不存在布局或构建问题,电压和电流都没有任何风险,低于1/2mΩ以下为短路、高于½MΩ为开路。构建该电路的人可以使用基本的DVM或示波器测量各种电流和电压,还可以测试改变元件值会产生什么影响。让人怎能不喜欢?

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图1:这个在音频/ LED连续性和泄漏检测器中采用的模拟电路,简单、有用又无风险,可以让理工科学生了解组件及其实际功能。 (来源:QST)

许多STEM项目的学生在涉足具体项目以后发现工程和科学领域不适合他们,这没关系。如果没有别的用处,他们至少会清楚工程师和科学家们创造出“神奇作品”是多么不容易,从而对他们更加崇敬。也许下次当这些学生看到一个产品时,就会更好地理解产品在设计、原型制造、调试和上市时需付出的努力。

同样重要的是,他们也可能会慢慢接受一种最重要的设计现实:折衷和约束。当他们发现一个产品的特征或功能他们并不喜欢,或者一个产品没有他们想要的特征或功能时,再也不会粗暴地说,“为什么他们不这样做,难道有什么问题吗? ”不好意思,增加或改变那个小“东西”,的确可能产生影响重大的”连锁反应“。

那么,在STEM项目中,让学生们只依赖代码,或者让他们自己动手制作电路和接口并完成检测和修改,您认为哪一个更重要?

(原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站,参考链接: Analog Circuits Give Boost to STEM Reality,由Jenny Liao编译。)

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