硬件，不吹牛規劃！

01 前言

不懂硬件的人，會覺得硬件高深莫測，“為什么他改幾個電阻、電容就調出來，我弄個半天沒搞定？”，“噢，靠的是經驗”，但是經驗又是什么呢？

不能形容，反正就是覺不明厲。

就是這種崇拜心理，才能觸發你的好奇心，去學下去，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習路線，再加上99%的汗水和1%的靈感才可以。

硬件設計，可以說是包羅萬象，它涉及到非常龐大的知識量，而且，一個電路錯一點小地方，都有可能導致整個系統不能工作。

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習來培養出來的，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計的學習路線。

02 初級理論篇

2.1 高等數學和線性代數

這里重點掌握微積分和矩陣，因為在后面的課程里面將會大量用到這兩個東西，是基礎中的基礎。

2.2大學物理

這里很多東西其實在高中有學到，重點掌握電阻、電容、電感的特性和電生磁、磁生電的原理，其中麥克斯?韋方程組將會在射頻、微波中有用到。

2.3 電路分析基礎

其實電路基礎的理論并不難，但是有些抽象的東西，是暫時不能很好地理解，比如說受控源（其實就是三極管），所以學完模電還要再回過頭來再看一遍。這里重點掌握戴維南定理，不然后面沒法學。

2.4 模擬電子技術

這是電子專業的核心基礎課，至少學三遍，此外，學啃書是不行的，還得配合Multisim仿真軟件才能學好（實踐部分后面再介紹）。

如果說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，需要在實踐中權衡取舍，一定要把以前的思維轉變過來，不然后面沒法學。

這門課全部都是重點，但是學完它，除了抄書上的電路，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概念，沒有它將不能打開電路設計的大門，但是由于篇幅有限，在此不做討論。

2.5 數字電子技術

這門課相對于模電來說，要簡單很多很多。

它把三級管搭成各種門電路、觸發器，以便于直接把數學知識運用起來，同時它也是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。

這門課全部都是重點，但是要真正掌握它，還是得學FPGA才可以。

2.6 電力電子技術

這里講到晶閘管IGBT和電力MOS管，都是用在強電領域的器件，是開關電源的先修課。

可以說電源是硬件設計當中最關鍵的部分，一個電源設計得好不好，直接影響整個系統能否正常工作。其中整流、逆變、升壓、降壓電路，都是要重點掌握的。

03 中級理論篇

3.1 復變函數

這門課跟高數的微積分一樣，是一種數學工具。

復數信號是物理不可實現的，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，如何在一個圖上面表示振幅與頻率的關系或者相位與頻率的關系（方便觀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，模就是時鐘的秒針，而輻角就是秒針轉動的角度，秒針轉一圈就是個圓，而把這個圓的各點按照出現的時間先后，重新描繪在直角坐標系，就是一個正弦波。

這就意味著，用復數可以表示一個正弦波的三要素，振幅就是模（秒針的長短），相位就是秒針轉動的角度，頻率就是秒針轉動的快慢。

想一下，如果用實數來表示正弦波的三要素，是不是很麻煩？這里重點掌握留數保形映射。

3.2 信號與系統

介紹如何利用數學建模去描述電路，就是這門課要研究的內容。什么是信號？

LED燈的亮滅、喇叭發出的聲音、天線感應的電磁波等，有實際用途的信息載體（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、傳動裝置等）。

系統是一種更為抽象的概念，可大可小，小到一個三極管，大到一個無線收發裝置，這些都要根據實際需求來確定，不能一概而論。這門課都是重點。

3.3 自動控制原理

自控原理是信號與系統的姐妹學科。

介紹如何用數學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都是要重點掌握的。

學懂這門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。

3.4 高頻電子線路

高頻是模電的非線性部分。

你會發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的情況下，再學這門課，就不覺得難，因為它本身就是模電的擴展，而不是全新的領域。這門課都是重點，至少學三遍。

3.5 單片機

現在已經很少不用CPU的硬件電路了，而單片機正是最簡單的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。

3.6 電子測量技術

做硬件的經常要跟儀器打交道，學習測量技術，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網領域）。

這里會接觸很多新器件，大多都是傳感器，當然重點研究的還是電氣特性。這門課并不難，關鍵要多做實驗。

04 高級理論篇

4.1 信號完整性分析

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計，學好這門課，才可以畫出性能更優的PCB。

4.2 開關電源

學會設計電源電路，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題，也是相當考驗硬件工程師的模電功底。

4.3 射頻電路設計

隨著科技的發展，電路的工作頻率將會越來越高，頻率升高會帶來各種各樣的難題，所以學會設計射頻電路也是很有必要的。

4.4 通信原理

掌握現代的通信技術，其中包括信息論基礎和各種調制方式都會在各種通信電路當中有用到。

4.5 集成電路原理與應用

可以說幾乎每塊電路板都會用到芯片，所以學習一下芯片的制造技術，將會讓你的硬件水平大大提高。

舉個簡單的案例，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法理解這一現象。

05 總結

如果你認為這么多書，怎么看都看不完。

那是以一種靜止、偏面的觀點來分析問題了。其實上介紹那么多課，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單的調制方式。

電力電子技術里面的直流斬波電路，就是開關電源的內容，只是擴展了一些內容而已。

關于電力電子這里推薦上科大的

開關電源工程師需學習哪些知識？

1 電路拓撲的原理與設計

? 清楚不同變換器的功能，根據設計要求選取合適拓撲；

? 熟知變換器的工作狀態，能對變換器進行穩態分析和交流小信號分析；

? 熟悉變換器的數學模型，能獲取變換器穩態輸入輸出關系和傳遞函數；

? 根據變換器的傳函，能對變換器進行環路設計；

? 在環路設計基礎上，分析系統的穩定性（伯德圖等）；

? 熟悉變換器的損耗計算（導通損耗、開關損耗）；

2 仿真分析

設計方案確定之后，可以對其仿真分析，驗證設計方案的準確性和可行性。開關電源設計常用的仿真軟件：

? PSIM/Pspice(電力電子建模)；

? Saber(數?；旌辖?；

? Matlab/Simulink；

上述仿真軟件各有特色，根據使用習慣選擇。

3 元器件知識

完成方案設計、仿真分析之后，就要進行硬件設計，首當其沖是元器件選型。

? 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計方法；

? 熟悉濾波器的設計方法；

4 PCB繪圖與制板

? 根據設計方案，繪制原理圖；

? 根據元器件選型，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；

5 數字控制器的使用

開關器件的開關信號可由模擬電路產生也可由數字控制器產生，當使用數字控制器時，就需要熟悉其原理及使用方法，常用的有DSP、FPGA等。

? 熟悉數字控制器的原理；

? 熟悉數字控制器外圍電路的設計；

? 熟悉數字控制器的編程語言；

? 能根據相應的調制方式產生開關器件的開關信號；

6 EMC設計

EMC設計貫穿始終電源設計，涉及到屏蔽、濾波、接地、PCB設計等層面，對于開關電源的設計非常重要。

7 關于「怎樣學習」?

? 基本理論

千里之行始于足下，沒有扎實的理論基礎，就無法地設計出色開關電源。

? 實踐部分

在實踐中檢驗所學，在實踐中深入學習。當你把一個電路調通，輸出符合設計的目標時，那種喜悅是別人無法體會的。

不怕出問題，就怕不出問題。在電路的設計、仿真和硬件的制作過程中，出現的每個問題都是學習對象，知識的運用與積累也是建立在這樣的一個個問題之中。在實踐中學習最能提高一個電源設計師的水平。

硬件工程師有哪些東西是必須掌握的？

1、電路知識，模擬電子線路知識：作為一個合格的硬件工程師，模擬電路知識是基礎，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計方法。比如簡單的放大電路，加減法電路，三極管做開關管的電路等。尤其電路分壓，功率計算這些基礎是天天都在用的。

2、電路知識，數字電子線路知識：作為一個合格的硬件工程師，數字電子線路知識也是我們需要掌握的一個基礎，數電學習或者理解起來比模電要相對容易些，要了解一些常用的門電路，觸發器，時序關系等。

3、單片機，微處理器的應用：作為一個合格的硬件工程師，我們在以后的設計電路中往往要設計單片機和一些微處理器的的電子產品。這就要我們有單片機的基礎，了解內部工作原理，和一些功能以及使用方法，外圍電路等。常用的基礎是51單片機，或者arm系列一些處理器。

4、EDA軟件的使用：作為一個合格的硬件工程師，我們要學會使用一些常用的EDA軟件，如protel,AD，powerPCB等等。因為設計的電路的原理圖和PCB要用EDA軟件畫出來，然后打板制版。

5、熟悉常用的測試工具：作為一個合格的硬件工程師，常用的測試工具我們要學會使用，最常用的萬用表，開關電源，示波器。復雜些的有網絡分析儀，頻譜分析儀，信號發生器等。

6、常用的測試軟件的使用：比如串口調試助手，或者網絡調試工具，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：做單片機項目的時候，硬件設計好后需要編寫測試軟件，有能力的硬件工程師一般也是可以去寫嵌入式測試軟件的。這樣通過軟件測試一下我們硬件的基本功能。

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