EE 入门(一) - 电子电路基础知识

系列 - EE 入门

我是从去年 12 月开始玩电子的,起因是 11 月搞了个 Homelab,然后就一路玩到 ESPHome,买了一堆传感器。 玩了一阵后 ESPHome 这种小白式玩法就满足不了我了,于是开始学习电路知识,用树莓派跟其他单片机开始折腾遥控小车、简易机械臂、跑马灯等等,可以说是玩得很尽兴。

今年我也打算继续玩一玩这一块,尤其想玩一玩用 ESP32/STM32 自制无人机,如果能搞搞无人机编队飞行就更好了~

言归正传,这篇文章是我入门电子电路的第一篇笔记,涵盖最基础的电路理论与一些焊接知识,末尾还包含了后续的学习规划。

笔记内容参考了许多网上的资料,主要有如下几个:

我看完上面的文章后,随着玩得越来越深入,又陆续了解了这些内容:

  • 电路基础
    • 什么是面包板、面包线、杜邦线
    • 如何使用万用表测电压、电流、电阻、电容,判断二极管、三极管引脚。
      • (N 年前学这玩意儿时用的是最简单易懂的物理指针表,但是实际显然是电子的用着更方便)
      • 回忆下用法:首先调到合适档位,然后测电流要串联到电路中、测电压要与被测器件并联、测电阻直接接在被测器件两端即可。
      • 对于手动量程万用表(如 DT-9205A),它的显示单位为量程名字末尾非数字部分。
        • 比如电阻 200 量程的显示单位就为 Ω;2K/20K/200K 这三个量程的显示单位都为 KΩ;2M/20M/200M 的显示单位都为 MΩ
        • 对于电流/电压/电容也是一样。
    • 什么元件需要防静电,以及有线防静电手环/台垫
    • 如何读色环电阻的阻值?(不会读不如直接万用表走起…)
    • 如何选购、使用电烙铁/吸锡器等焊接工具
  • 单片机(MCU)与单板计算机(SBC)
    • 什么是开发版
    • 什么是 TTL 串口、串口驱动、波特率
    • 什么是 SPI/UART/I$^{2}$C 数据传输协议
    • 什么是 GPIO 引脚,以及开发版的引脚各有什么功能
    • 如何使用 USB 转 TTL 串口板给 ESP32/ESP8266/51/STM32 等单片机刷固件
    • ST-Link/J-Link/DAPLink 调试编程器(仿真器)与 TTL 串口有何区别,JTAG 和 SWD 接口又是个啥?该用哪个?
    • 如何使用 C 语言为单片机编写程序?如何上传编译好的固件?如何调试?

总之兴趣驱动,不会的东西就 Google 一下或者问问 ChatGPT,玩起来~

  1. 欧姆定律: $U = IR$
    1. 电压 U 单位伏特 Volt,符号 $V$
    2. 电流 I 单位安培 Ampere,符号 $A$
    3. 电阻 R 单位欧姆 Ohm,符号 $\Omega$
  2. 电功率公式: $p= UI$
    1. 功率 p 单位瓦特 Watt,符号 $W$,等同于 $V \cdot A$ 的缩写
  3. 电能公式: $w = pT$
    1. 其中 p 为电功率,单位前面说了就是 Watt
    2. T 为时间,单位秒 Second
    3. $w$ 电能的单位为焦耳 joule,等同于 $V \cdot A \cdot s$
    4. 常见的电池通常会使用 $mA \cdot h$ 或者 $w \cdot h$ 来标记其电能容量。
      1. $mA \cdot h$ 乘上电压再转换下电流跟时间的单位为 A 跟 s,就得到焦耳数
      2. $w \cdot h$ 直接乘 3600(1 小时的秒数)就得到焦耳数
  4. 电容量公式: $C = Q/U$
    1. 电容量 C 单位为法拉 Farad,符号为 $F$
    2. 带电量 Q 的单位为库仑 Coulomb,符号为 $C$
  5. 库仑的定义: $1C = 1A \cdot s$
    1. 1 库仑即 $6.24146 \times 10^{18}$ 个电子所带的电荷量
  6. 电感 TODO(貌似用得比较少…待补充)

常见电子元器件:

  • 电阻
  • 二极管 Diode
    • 发光二极管
    • 整流二极管
    • 稳压二极管
  • 三极管
  • MOSFET 场效应管
    • 电压转换器(power converter):整流器(rectifier)、逆变器(inverter)、斩波器(chopper)及变频驱动器(VFD)
  • 电容
    • 电解电容
    • 瓷片电容
    • 独石电容
  • 晶振

https://learn.sparkfun.com/tutorials/diodes

二极管是一种只允许电流由单一方向流过,具有两个电极的元件,是现代电子产业的基石。 可类比水流中的单向阀门,水只能从一端流向另一端,而不能逆流。

最初的二极管是真空电子二极管,很大、需要预热、功耗大,易破碎。 后来美国人使用半导体材料发明了晶体二极管(或者叫半导体二极管)。 目前常用的二极管都是晶体二极管,主要使用硅或者锗这类半导体材料。

晶体二极管的核心是 PN 结(p–n junction),要了解 PN 结,需要先介绍半导体的几个概念:

  • 空穴:又称 Electron hole,物理学中指原子的共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下的空位。
  • 载流子:半导体中有两种载流子,即价带中带正电的空穴,和导带中带负电的电子。
  • P 型半导体:P 表示 Positive,指以带正电的空穴导电为主的半导体,也叫空穴半导体。
    • 在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成P型半导体。
  • N 型半导体:N 表示 Negative,指自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
    • 例如,含有适量五价元素砷、磷、锑等的锗或硅等半导体。

懂了上面这些后,让我们考虑在一个 N 型半导体跟 P 型半导体形成的 PN 结中,电子显然只能从 N 极流向 P 极,因为只有 N 极才有足够的电子。相反电流只能从 P 级流向 N 极,因为只有 P 极才有足够的空穴。

如果电流要反向流动,那 PN 结的 P 极的电子会更多,而 N 级的空穴也会更多,电势差会更大,显然就会非常费劲。

二极管在导通状态下二示意图如下,其中也展示了二极管对应的符号与真实二极管的结构(带环的一侧为其 N 极):

电阻拥有线性的伏安特性曲线,遵从欧姆定律。而二极管则完全不同,它伏安特性曲线(Current-Voltage Graph)如下:

几个主要特征与相关名词介绍:

更详细的文章:PN Junction Diode

  • 正向压降 Forward Voltage: 指使电流能够导通的最小电压 $V_F$
    • 「正向压降」被用于克服二极管的内部电场了,所以在电流通过二极管后,电压需要减去这个电压,这也是中文名「正向压降」的由来。
      • 硅二极管的正向压降通常为 0.6v - 1v,锗二极管的正向压降通常为 0.3v
    • 根据伏安特性曲线,实际上随着电流的变化,「正向压降」也是有小幅波动的,不过计算时一般都认为它是固定值。
  • 击穿电压 Breakdown Voltage: 指使电流能否反向导通的最小电压,从图中标识看 $V_{BR}$ 为 -50v,显然它远大于不到 1v 的「正向压降」。
    • 当电流能经过二极管反向导通时,我们称二极管被击穿(Breakdown)

二极管依据其设计目标,分类了许多不同类别:

  • 普通二极管
  • 整流器(rectifier) / 功率二极管(power diode)
    • 依靠二极管只能单向导通的原理,可以使用它将交流电变成直流电。
    • 能承受较大的正向电流和较高的反向电压
  • 发光二极管(Light-Emitting Diodes, LEDs)
    • LED 的正向压降取决于它的颜色,而且比较固定,通常红色约为 1.6v,绿色有 2v 和 3v 两种,黄色和橙色约为 2.2v,蓝色约为 3.2v
  • 稳压二极管
    • 利用二极管在反向击穿状态,其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象,制成的起稳压作用的二极管。
  • 开关二极管
    • 能够快速由导通变为截止或由截止变为导通的一种二极管。
  • 检波二极管
    • TODO
  • 阻尼二极管
    • 具有较低有电压降和较高的工作频率,且能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流。

还有二极管堆组:

  • 整流桥堆(半桥、全桥)
    • 菱形联接

等等…

三极管即双极型晶体管,缩写 BJT,前面介绍了二极管结构为单个 PN 结,而三极管的结构则为 PNP 或者 NPN 结构,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件之一。

它的工作方式就像是一个一个液压阀门,通过小电流来顶开中间的通路,使大电流得以通过,一个 NPN 型放大器电路的示意图如下:

b 与 e 之间的电压形成一个小电流,这个小电流越大,c 与 e 之间的电阻就越小。

就像是如下液压阀门,b 处的水压越大,液压阀门被推得越开,c 与 e 之间的水流就越大:

三极管不是凭空把电放大了,而是说: 小的电信号(小水流)把另一个通路的大电流的阀门打开了,后面的器件能够感受到这个大电流, 所以是放大了。对电来说 实际有两个电源供电的 一个是小电源(小信号、信号源) 一个是大电源。

咱们的收音机,实际就是天线,接收到空气中的小电流,你可以理解为毛毛雨。

这个毛毛雨到了三极管的一个脚上打开阀门, 电池供电通过另外两个脚流动,再打开一个后面的三极管, 一级级的这样不断打开,一般收音机最早的时候是三管收音机、六管收音机,就是这么个意思一直到这个水流大到能够推动喇叭就发声了。

一个极简三级放大收音机电路:

两种三极管的符号与识别:

三个电极介绍:

  • C: 即 Collector 集电极
  • B: 即 Base 基极
  • E: 即 Emitter 发射极

可以看到 NPN 跟 PNP 三极管最大的区别,是在于电流流向:

  • NPN 的 Base 基极是 P 对应正极,电流从 B 与 C 极 流向 E 极
  • PNP 的 Base 基极是 N 对应负极,电流从 E 极流向 B 与 C 两个电极

根据 B 极电流 $I_B$ 的变化,$V_{CE}$ 的变化曲线如图:

可以看到在 $I_{B}$ 一定的情况下,不论 $V_{CE}$ 在 2v 以上如何变化,$I_{C}$ 的电流都几乎是恒定的。换个角度看电压在 2v - 12v 之间时,$I_{B}$ 与 $I_{C}$ 几乎是完全的线性关系,不受电压波动的影响。

注意 12v 以上只是没有画出来,假使这个三极管最多只能承受 12v 电压,那更高的电压会击穿它,你就能看到三极管冒火花了…

$\frac{I_{C}}{I_{B}}$ 之间的比率(常数)被称做三极管的电流增益(Current Gain),一般使用 $\beta$ 表示。

因为实际场景中 $I_{B}$ 不太好判断,通常都是直接调整 $V_{BE}$,因此我们再换个角度,对比下 $I_{C}$ 与 $V_{BE}$:

通过上图可以发现三极管的另外两个特征:

  1. $V_{BE}$ 需要一个启动电压,大约在 0.7v 左右,低于 0.7v 时$I_C$ 的电流一直非常小
  2. 在 $V_{BE}$ 超过 0.7v 后,任何此电压的小变化,都会导致 $I_{C}$ 的剧烈变化

一个常见的单状态 NPN 放大器电路如下:

可以注意到,输入 $V_{in}$是一个很小的交流信号,过来之前加了一个电容隔绝掉其中参杂的直流信号。

其次因为 $V_{BE}$ 需要一个启动电压才能进入电流放大的工作区间,这里通过 $R1$ 与 $R2$ 为 $V_{BE}$ 提供了一个启动电压 DC Biasing Point.

https://elamazing.com/2021/03/31/mosfet/

MOSFET 与三极管的区别与选用:https://www.eet-china.com/mp/a17394.html

CMOS 集成电路工艺 - 百科: https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=124559&Type=bkzyb

MOSFET 晶体管一般简称 MOS 管,是电压控制元件(通过栅极电压控制源漏间导通电阻),而双极型晶体管(三极管)是电流控制元件(通过基极较小的电流控制较大的集电极电流)

MOS 管在导通压降下,导通电阻小,栅极驱动不需要电流,损耗小,驱动电路简单,自带保护二极管,热阻特性好,适合大功率并联,缺点开关速度不高,比较昂贵。

而功能与 MOS 管类似的三极管,特点是开关速度高,大型三极管的 IC 可以做的很大,缺点损耗大,基极驱动电流大,驱动复杂。

一般来说低成本场合,普通应用优先考虑用三极管,不行的话才考虑 MOS 管。

场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,功耗低,而且可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。 目前主流的数字集成电路,包括 CPU/GPU/RAM,基本都是通过光刻制造的 CMOS 集成电路(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Integrated Circuit),CMOS 就是基于 MOSFET 技术实现的。

MOSFET 管的结构、极性,用法等内容,待补充…

TODO

电容是电能的容器,里面存储的是电荷,电容在电路中是储能、缓冲、减压、过滤器件。。

水要通过池塘、湖泊,首先需要灌满它才能过得去。所以这部分水(电能)可以被这些容器保存下来,这是电容的储能作用,另外很明显,无论前面的水流多么湍急,到了湖泊就要先灌满它,湖泊开口再向下游流水,自然流水就缓慢一些,所以它也有缓冲的作用。大波浪到了湖泊变平稳,实际变成了小波浪,波的形状都变了,这就是过滤的作用,只允许特定的波通过

再回顾下电容相关的公式:

  1. 电容量公式: $C = Q/U$
    1. 电容量 C 单位为法拉 Farad,符号为 $F$
    2. 带电量 Q 的单位为库仑 Coulomb,符号为 $C$
  2. 库仑的定义: $1C = 1A \cdot s$
    1. 1 库仑即 $6.24146 \times 10^{18}$ 个电子所带的电荷量

电容的类型:

  • 瓷片电容
    • 用陶瓷材料作介质,在陶瓷表面涂覆一层金属(银)薄膜,再经高温烧结后作为电极而成。
    • 用途:通常用于高稳定振荡回路中,作为回路、旁路电容器及垫整电容器。但仅限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用,或对稳定性和损耗要求不高的场合〈包括高频在内〉。瓷片电容不宜使用在脉冲电路中,因为它们易于被脉冲电压击穿。
  • 铝电解电容(有极性)
    • 有极性铝电解电容器是将附有氧化膜的铝箔(正极)和浸有电解液的衬垫纸,与阴极(负极)箔叠片一起卷绕而成。
    • 优点: 容量范围大,一般为1~10 000 μF,额定工作电压范围为6.3 V~450 V。
    • 缺点: 介质损耗、容量误差大(最大允许偏差+100%、–20%)耐高温性较差,存放时间长容易失效。
    • 用途: 通常在直流电源电路或中、低频电路中起滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。
    • 注意:因其具有极性,不能用于交流电路。
  • 独石电容
    • 独石电容是用钛酸钡为主的陶瓷材料烧结制成的多层叠片状超小型电容器。
    • 优点: 性能可靠、耐高温、耐潮湿、容量大(容量范围1 pF ~ 1 μF)、漏电流小等
    • 缺点: 工作电压低(耐压低于100 V)
    • 用途: 广泛应用于谐振、旁路、耦合、滤波等。 常用的有CT4 (低频) 、CT42(低频);CC4(高频)、CC42(高频)等系列。
  • 钽电解电容
    • 有两种制作工艺:
      • 箔式钽电解电容器:内部采用卷绕芯子,负极为液体电解质,介质为氧化钽
      • 粉烧结式: 阳极(正极)用颗粒很细的钽粉压块后烧结而成
    • 优点: 介质损耗小、频率特性好、耐高温、漏电流小。
    • 缺点: 生产成本高、耐压低
    • 用途: 广泛应用于通信、航天、军工及家用电器上各种中 、低频电路和时间常数设置电路中。
  • 等等

「电磁感应(Electromagnetic induction)」我们都学过,它是指放在变化磁通量中的导体,会产生电动势。 此电动势称为感应电动势或感生电动势,若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流(感生电流)。 简单的说就是磁场变化能产生电能,电流变化也会形成磁场

电磁感应最为人所知的应用应该就是「发电机」、「电动马达」跟「变压器」了。「发电机」通过电磁感应将机械能转换为电能,而「电动马达」刚好相反,它通过电磁感应将电能转换为机械能。 这个转换实际上都是依靠磁场与「电磁感应」实现的。

而我们这里提的电感这种元器件,其核心原理是楞次定律(Lenz’s law):

由于磁通量的改变而产生的感应电流,此电流的流向为抗拒磁通量改变的方向。

将楞次定律应用在闭合回路的自感效应中,得到的结论是:

电路上所诱导出的电动势的方向,总是使得它所驱动的电流,会阻碍原先产生它(即电动势)的磁通量之变化。

具体而言,对于「电感」,当电流增加时它会将能量以磁场的形式暂时存储起来,等到电流减小时它又会将磁场的能量释放出来,这会产生抵抗电流变化的效果

电感并不损耗能量,它只是临时将电流存储起来,待会儿再释放出来而已(这叫什么?削峰填谷,平滑算法)。

电感的结构通常是漆包铜线缠绕在一个永磁体上,因为需要有电流的变化才能工作,通常仅应用在交流电领域。

足够深入的分析:电阻的定义到底是什么?

我们对电阻最直观的理解,是中学时学过的:

$$R = \frac{V}{I}$$

但是在简单的含有电阻 R + 一个电感或电容的直流电路中,电流是随时间变化的,并在最终达到一个稳态。

这时根据上面的公式计算,因为电压是固定的,我们发现电路中电阻 R 的阻值实际是随时间变化的。

这个问题在直流电路中并不明显,因为电路最终仍然会达到稳态,这时电阻就跟它的标称电阻差距不大了。

但是在交流电路中,因为电流始终是在震荡的,这个问题就会变得相当明显,以至于无法简单地使用「电阻」来表达一个电阻器的特性,为此引入了一个新概念叫「阻抗」。

在具有电阻、电感和电容的电路里,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一个复数,实部称为电阻,虚部称为电抗,其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为阻抗。 阻抗的单位是欧姆。阻抗的概念不仅存在于电路中,在力学的振动系统中也有涉及。

如果仔细看看你买过的耳机的相关参数,会发现它就包含一个「阻抗」参数,知乎上就有相关讨论 耳机是不是阻抗越高越好?.

对电阻更精确的理解是:电阻是电压对电流的变化率,它不一定是一个静态值(也就是说可能是非线性的,比如二极管的伏安特性曲线就不是直线)。

用单片机设计电路时,一个重要的点就是下拉电阻与上拉电阻。

不太好直接解释,直接看视频吧,下面这两个视频解释得很清晰:

再补充一个博友的文章 单片机的GPIO配置,详细解释了 GPIO 相关的配置原理。

秒懂单片机晶振电路原理

石英晶体或晶振,是利用石英晶体(又称水晶)的压电效应,用来产生高精度振荡频率的一种电子器件,属于被动器件(无源源件)。

晶体是指其中的原子、分子、或离子以规则、重复的模式朝各方向延伸的一种固体。 晶体与几乎所有的弹性物质都具有自然共振频率,透过适当的传感器可加以利用。

石英晶体的优点是在温度变化时,影响震荡频率的弹性系数与尺寸变化轻微,因而在频率特性上表现稳定。

石英晶体谐振器的原理:

  • 石英晶体上的电极对一颗被适当切割并安置的石英晶体施以电场时,晶体会产生形变。这与晶体受压力产生电势的现象刚好相反,因此被称做逆压电效应
  • 当外加电场移除时,石英晶体又会恢复原状并发出电场,因而在电极上产生电压,这是我们熟知的压电效应
  • 逆压电效应 + 压电效应 这两个特性造成石英晶体在电路中的行为,类似于某种电感器、电容器、与电阻器所组合成的 RLC 电路。组合中的电感电容谐振频率则反映了石英晶体的实体共振频率。
  • 当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸与切割方法)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为压电谐振

可能有些初学者会对晶振的频率感到奇怪,12M、24M 之类的晶振较好理解,选用如 11.0592MHZ 的晶振给人一种奇怪的感觉,这个问题解释起来比较麻烦,如果初学者在练习串口编程的时候就会对此有所理解,这种晶振主要是可以方便和精确的设计串口或其它异步通讯时的波特率。

电路中每个器件上有电能量集聚,形成电势差,就相当于物体的高度差。 假设没有一个参考基准点,就没法测量这个电势差了,因此规定电路的某个点就是作为基准面,也就是地(GND/Ground)了。

地/GND 并不需要是真正的地面,对于我主要关注的弱电电路板而言,电路的负极就是地。

同理可推出,如果需要将同一个电路板同时接入多个源电路,则必须将这多个电路板的负极连接在一起,这样它们的「GND」参考基准点才是一致的!

https://zhuanlan.zhihu.com/p/570713171

弱电领域另外一个常见的接地应该就是静电接地了,这是为了确保人体/工作台与地面的电势差为零,避免工作时静电放电导致元器件损坏。

人体感应的静电电压一般在 2KV-4KV 左右,通常是人体轻微运动或与绝缘摩擦引起的。 这么高的电压,足够击穿很多电子元件了,所以电子厂都会强制员工穿戴防静电装置(有线防静电手环)。

静电接地通常要求接真正的地面,比如与建筑物接触紧密的金属门窗、水龙头等都算是「地」。 个人用的话,据朋友介绍效果最好的方法是:穿拖鞋,并且一只脚踩地上哈哈~

这需要使用到我们中学学过的物理学欧姆定律公式:

$$V = I \cdot R$$

首先针对电子电路领域的 hello world,即发光二极管 + 电阻:

我们可以根据 LED 灯的最大电流来估算电阻值,根据欧姆定律有

$$R = \frac{V}{I}$$

普通发光二极管的正常工作电流通常为 $2 \text{mA}$ ~ $20 \text{mA}$,电流越大它就越亮,正向压降有好几种,假设我们的为 $3.3v$。

因此电路允许的最大电流为 $0.02 \text{A}$,如果电源电压为 3.7v,那电阻得到的电压大概为 $0.4 \text{V}$,这样可计算得到 $R$ 为 $20 \Omega$.

发光二极管在正常工作状态几乎没有电阻,因此可以直接将上面计算出的结果当作串联电阻的阻值。

因此为了使发光二极管正常工作,串联电阻应该略大于 $25 \Omega$.

  • KAL 基尔霍夫电流定律:所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这节点的电流的总和
  • KVL 基尔霍夫电压定律:沿着闭合回路所有元件两端的电势差(电压)的代数和等于零

这两个定律感觉通过「能量守恒」去理解,会显得很直观,不论是电流还是电压,都不会无中生有,在整个电路上它始终是守恒的。

KVL + 节点电压法是分析电路的一种有效手段。

上面这个是常见的简单特性描述,但是不够准确,准确的说:

  • 电容是隔断不变的电信号,通过变化的电信号。
  • 电感是阻碍变化的电信号,通过不变的电信号。

显然直流电的电流也是可以变化的,比如刚过了整流桥的直流电就是一个脉动信号。

交流信号就很好,很真实,为什么还要有交流直流叠加信号,到最后还要把直流信号去掉,只保留交流信号,多麻烦。这是因为,任何器件如果想打开或者处于一定状态,多少都需要一定的能量驱动的,如果这个能量不足,让器件处于不稳定的状态,我们还原不了真实的信号,所以三极管放大加上静态偏置,实际上就是为了让他先工作在临近放大区,再来交流信号才能正确还原。

所谓的静态偏置,实际上就是挂上个电阻先给这个三极管的某个引脚加上直流电。再来的交流信号与直流叠加变成交直流混叠信号,来驱动三极管的b极。

犹如大坝的开口在5米处,但是交流信号(变化的信号)只有1米的波动,所以先把水位抬高到5米,这个波动才能送过去。

现在信号放大电路大部分被运算放大器替代,两个运放之间有一个隔直电容,这是因为运放不需要这种类似三极管的偏置,它不需要抬高水位,本身它建立的条件就是你来波动我就能正常反馈到后级,你这个时候如果叠加了直流信号,反而出问题了,因为你把水位抬高了,比较低的信号不能正常反馈到后级被这个直流信号掩盖了。

玩硬件的话,工具套装是必不可少的,最先遇到的场景就是——很多的传感器都需要自己焊接排针。

常用工具的主要有这些:

  • 万用电表(Multimeter)
  • 面包板(Breadboard)
  • 电烙铁(Soldering Iron)
  • 玻纤洞洞板(Stripboard / Perfboard)

其他进阶玩耍时可能会用到的工具:

  • 示波器(Oscilloscope)
  • 可调直流稳压电源(Adjustable DC Power Supply)
  • 频谱分析仪

电子元器件又主要分类两类:

  • 插式元器件
    • 传统电子元器件,都带有较长引脚,PCB 版需要为引脚预留通孔。
    • 相关技术:through-hole technology
    • 这种元件比较大个,都很适合手工焊接,焊接完成后还需要剪掉多余引脚。
  • 片式元器件 SMD (surface-mount device)
    • 一种新型元器件,也叫贴片元件。
    • 比插式元器件要小很多,而且 PCB 板不需要预留插孔,更节省材料跟空间,广泛应用在各种小型化电子设备中。
    • 相关技术:(SMT) Surface-mount technology
    • 相关设备:激光打印钢网、贴片机(巨贵)
    • 贴片元件手工焊接时不适合用电烙铁焊,因为它太小了,这样焊接会很费劲。
    • 贴片元件最简单的手工焊接方法是使用针筒焊锡膏在 PCB 触点上涂好锡膏,可用牙签去掉多余锡膏,然后用镊子将贴片元件放上去,最后使用恒温焊台加热完成焊接。元件放歪点没关系,加热时它会因为液态锡的表面张力自动正位。

电烙铁主要考虑的是升温速度跟温度保持能力,便宜的电烙铁基本都有升温慢、焊接中途易失温等毛病。 目前总结的电烙铁信息如下:

  • 便携电烙铁:入门级别推荐
    • 优缺点: 便携、价格低。但是升温相对焊台要慢一些,温控相对不够精确,而且无自动休眠,空烧烙铁头容易氧化,再有就是它没有接地不防经典,焊接精密元件比较危险。
    • 貌似主要推荐广东黄花 907 电烙铁,淘宝官方店买个刀头的 54 大洋
  • 热风枪:主要用来拆焊,以及焊接贴片元件 + 芯片。
    • 我买了一把德力西 2000W 的数显热风枪,不过貌似更多人推荐那种二合一焊台,直接控制热风枪跟电烙铁两个玩意儿。
  • 焊台:进阶推荐,也可考虑一步到位…
    • 优缺点: 发热很快、热容相对较大,自动休眠不会空烧、还有过流保护、单片机稳定温控。缺点是要贵一些,另外相对没那么便携。
    • 相关流行产品
      • 白菜白光 T12 恒温焊台,最早是网友基于日本白光公司 T12 烙铁头(日本工厂到期强制报废的洋垃圾)配上自制恒温控制电路完成的 DIY 焊台,因为相对高端焊台相当便宜所以冠以「白菜」之名。
        • 淘宝上有一些卖这个的,质量见仁见智吧,我没买过。
      • 日本白光 HAKKO 焊台:这个很多人推荐,说是质量好。不过贵,新手用可能有点奢侈了。
  • 二合一焊台:焊台自带热风枪 + 高频电烙铁两件套,高手必备(一般拆机才会用到热风枪)
    • 高频电烙铁使用的是跟电磁炉一样的高频涡流发热原理,电烙铁头自身发热,不需要任何发热芯,发热很快、热容大、烙铁头更换便宜。高端烙铁头都是高频的。
    • 反正就很高级也很贵啦。我现阶段买了它也是浪费钱,所以没了解具体型号啥的了
  • 恒温加热台:功能跟热风枪差不多,但是体积大很多,而且更贵,新手不推荐买。

关于电烙铁头,貌似刀头是最推荐的,因为它用途最广泛,热容大,基本适用所有场景。

电烙铁,我最后买的第一把电烙铁是网友 DIY 的「L245 焊笔 玫瑰金」,铝合金 CNC 切割工艺,Type-C 供电,最高支持到 PD 120W,颜值很高,口碑也很好,价格是 148 大洋。 使用起来还是比较 OK 的,热得很快,热容也 OK。不过毕竟是 DIY 的便宜焊笔,质量不稳,我有遇到过多次误休眠、未识别到焊芯、芯片系统崩溃等问题,都是靠断电重启解决的。

参考:http://www.cxg.cn/newshow1346.html

前面讲了,我毕竟买的是 150 一把的焊笔,C245 这个烙铁头也不便宜,直接当耗材随便折腾就太浪费了。有必要搞清楚怎么使用与保养电烙铁:

  • 焊接作业前,先为高温海绵加水湿润,再挤掉部分水分。
    • 如果使用非湿润的清洁海绵,会使烙铁头受损氧化,导致不沾锡。
    • 另外我发现「镀铜钢丝球」确实比高温海绵好用多了,墙裂推荐!笔不干净了往钢丝球里插一插,立即光亮如新。
  • 焊接作业中,每次都先在高温海绵上擦干净烙铁头上的旧锡,再进行焊接。
    • 如果是用「镀铜钢丝球」,那就直接在钢丝球里插一插,立即光洁如新。
    • 中途不使用时,如果无自动休眠功能,可以手动将温度调低至 200 度以下,避免空烧。空烧会降低烙铁头寿命。
  • 焊接完毕后,将温度调至约 250 摄氏度,使用湿润的高温海绵清洁烙铁头,最后将烙铁头加上一层新锡作保护,这样可以保护烙铁头和空气隔离,烙铁头不会氧化变黑。
  • 烙铁头已经氧化、不沾锡时应如何处理
    • 先把温度调到 300 摄氏度,用清洁海绵清理烙铁头,并检查烙铁头状况。
    • 如果烙铁头的镀锡层部分含有黑色氧化物时,可镀上新锡层,再用清洁海绵抹净烙铁头。如此重复清理,直到彻底去除氧化物,然后在镀上新锡层。
      • 将温度调至 200 摄氏度左右貌似比较容易上锡,不易聚成球。
      • 实测上锡再用海绵抹除,每次都能摸走一些黑色氧化物,非常有效。不过要清理干净还是需要一些耐心。
    • 如果烙铁头变形或穿孔,必须替换新咀。
  • 其他注意事项
    • 勿大力焊接:只要让烙铁头充分接触焊点,热量就可传递,无需大力焊接。
    • 尽量低温焊接:高温焊接会加速烙铁头氧化,降低烙铁头使用寿命。如烙铁头温度超过470℃,它的氧化速度是380℃的两倍。
    • 经常保持烙铁头上锡:这可以减低烙铁头的氧化机会,使烙铁头更耐用。
    • 保持烙铁头清洁与及时清理氧化物
    • 小心放入烙铁架:如果烙铁头接触到烙铁架无法自动休眠,长时间空烧将会毁掉烙铁头。
    • 选用活性低的助焊剂:最便宜的就是松香,更好一点的是无铅无酸无卤素助焊剂。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/584316437

建议直接看上面的文章,可能的原因大概是:

  1. 受潮
  2. 焊锡丝混有杂质,或者助焊剂含量过高
  3. 焊接操作时手上有汗或是洗过手后手没有完全干就开始焊接
  4. 烙铁温度过高

我最近买的两卷焊锡丝就有爆锡的问题,烙铁温度是设的很常规的 320 度甚至更低的 290 度,现在怀疑是不是这个无铅焊锡丝有问题。 罪魁祸首找到了,是因为我的锡线架,它下方就是湿润的高温海绵…这显然很容易受潮…

当你焊错焊反了元件,或者你需要修修改改电路板时,就需要先进行拆焊。

用电烙铁进行拆焊需要注意这些事项:

  • 温度必须要高,起码 350 以上
  • 烙铁尖必须留点锡在上面。如果烙铁尖不挂锡,焊接的时候会发现即使温度高,电路板的焊锡也很难融化
  • 另一个方式是先加点有铅锡丝降低焊锡熔点,然后再用吸锡器或吸锡带来吸
  • 如果用吸锡器,发现不撤烙铁头直接把吸锡器怼上去,效果是最好的
  • 如果使用的是吸锡带,温度就必须更高,估计至少得 380 甚至更高
    • 因为吸锡带一般是纯铜,导热性能很好。一般 320 度就很容易熔的锡,上了吸锡带后热量全被吸锡带传导走了,温度不高根本融化不了

或者直接上热风枪+镊子也行(我还没试过…)。

焊材(建议日常用贵一点的无铅锡丝,虽然熔点高些,但对身体好):

  • 焊锡丝:最常见的焊材,不过稍微要求一点焊接技术,可能需要大约半个小时熟悉下
    • 常用 0.8mm 跟 1.0mm 的锡丝
    • 个人玩建议买无铅的,虽然贵点熔点高一点,但更环保,对身体也好。
  • 锡膏:新型焊接材料,由焊锡粉、助焊剂以及其它的表面活性剂等混合成的膏状物。
    • 对于常用焊接场景,可以直接抹上锡膏,然后用热风枪一吹,或者用烙铁刀头拖焊,或者直接上发热板 / 恒温加热台,据说非常简单好用。
    • 最常用的场景是复杂 PCB 板子,直接用定制的钢丝网覆盖 PCB 板子刷上锡膏、直接就把触点都刷上了,然后再用镊子手工贴上贴片元器件。不过这个有难度…已经是高手玩法了。最省心是花钱直接找 PCB 厂子给打印 + 焊接(钞能力)。
    • 对于焊点不多的贴片,可以直接使用针筒式的锡膏挤上去,然后再用牙签或镊子去掉多余的锡膏,用镊子把贴片元件放上去(有点歪没事,加热时焊锡的张力会使它自动回正),最后直接上热风枪或加热台就能焊接 ok 了。
    • 同样建议买无铅的,虽然贵点熔点高一点,但更环保,对身体也好。
  • 高温海绵:可以说是焊接必备了,一定要加水湿润后再使用。可以多备几片,脏了洗洗,洗不干净就换。
  • 镀铜钢丝球:同样是用于清洁烙铁头的,前面讲焊接技术时已经说过了,这个确实比高温海绵好用很多。
  • 助焊剂 Flux
    • 在焊接工艺中能帮助和促进焊接过程,同时具有保护作用、阻止氧化反应的化学物质。
    • 高纯度松香:便宜常用,一般焊个传感器跟普通 PCB 板子完全够用。
      • 如果板子要长期使用,那焊完需要用酒精浸泡清洗,避免助焊剂碳化导致绝缘性能下降。(如果只是练手的板子,那就无所谓了)
    • 无铅无卤无酸助焊剂:高端助焊剂,免洗
      • 无铅主要是为了环保,对身体好。
      • 因为卤素离子很难清洗干净,助焊剂残留将导致绝缘性能下降,因此免洗助焊剂必须得无卤素。
      • 无酸是为了避免助焊剂腐蚀电路板跟、引脚、烙铁头。

以及其他焊接相关工具:

  • 吸锡器:主要用于电器拆焊
    • 场景:一是焊错了或者锡多了,拆焊后重新焊接。二是拆焊其他电路
    • 这玩意儿一个便宜的才十多块,入门阶段买一个也行。不过也有说拿电烙铁热一下然后一磕,焊锡就自己掉下去了,自己玩不一定需要这玩意儿。
  • 吸锡带:拿来清理表贴焊盘上的残锡。就是一卷细铜丝编制的带子,融化的锡容易被它吸走
    • 比吸锡器更便宜万用,缺点是需要更高的温度,可以考虑买一卷。
  • 热风枪:貌似主要是拆焊用的,当然用来吹热缩管也很好用。
  • 焊台夹具:焊线焊板子都挺实用,相当于长出来四只手。而且相比放桌面,它的散热速度低很多,更难失温。
  • 尖嘴钳:焊接完一些非贴片元件,必须要把多余的引脚剪掉,尖嘴钳感觉挺需要的。
  • 维修工作台(耐高温硅胶垫):淘宝上一二十块钱一块,可以保护桌子、方便放一些小元器件。

还有就是跟焊接没啥关系,但是 DIY 常用的工具:

  • 切割垫:如果需要做一些切割,这个应该也很有用,看许多网友都有,不过我暂时没搞清楚自己是否需要。
  • 螺丝磁性收纳垫:其实跟焊接关系不大了,不过也列一下
  • 螺丝刀 + 万能扳手 + 水口钳:这个好像跟焊接没啥关系,不过也可以列一下
    • 尤其是电动螺丝刀,刀头一定要买好一点的,并且最好是标准有替代品的。我以前用电动螺丝刀就遇到过刀头硬度不行被十字螺丝刀头磨平了的情况…
    • 水口钳推荐德力西
  • 螺丝 + 螺母:螺丝刀跟扳手都有了,螺丝螺母不得买几套?
    • 其中有些特别的是自锁螺母,这种螺母自带尼龙自锁圈,即使没拧到位也能自锁。不过需要用比较大的力气才能拧进去,这是正常现象。
    • 螺母防松的六种基本方法,你知道几个?(动图)
    • 螺丝的型号,DIY 中常用的,M3即螺絲外徑為 3mm, M4 即螺絲外徑為 4mm,同理 M5 即 5mm
      • 有時會註明螺絲牙距,如 M3x0.5,M4x0.70,M5x0.8,M6x1,但因為这是標準規範,通常不提
    • 对结构强度要求不高的场景,也可以自己用 3D 打印机打印螺丝螺母。
    • 螺丝更详细的中英术语对照:螺絲規格與定義 - 緯丞螺絲
  • 游标卡尺 + 卷尺:最简单的是买数字的,不需要费心思读数…也推荐德力西的
  • 3D 打印机、激光切割机等等其他 DIY 工具

有了电路基础后,首先可以买一些入门的焊接套件练练焊接技术,并搞明白它的原理。 我在淘宝「电子爱好者之家」上买了几个焊接套件,如指尖陀螺、5v 升 12v 升压板、LED 摇摇棒、十二个实验洞洞板套件、高压发生器等。

边玩边学习相关知识是最有意思的,玩到一定阶段后,可以再考虑补一补基础知识。 基础理论方面我查到这几本(为了我的英语能力,选择读英文的):

学习基础的电路理论时可以仿真软件同步学习,如:

  • Multisim(元器件仿真)、Proteus(单片机仿真)
    • 这两个软件都非常流行,不过基本都仅支持 Windows 系统,我选择放弃。
  • EDA(Electronic Design Automation) 电路板原理图、PCB(Printed Circuit Board) 设计工具
    • 立创 EDA: 国产 EDA,全平台支持,也提供 Web 版
    • KiCAD: 开源电路板设计工具,功能强大,支持插件,社区资源多。

有一定电路基础后,就可以开始玩单片机了。

  • 介绍:单片机的英文名叫 Microcontroller Unit,缩写为 MCU. 它是把 CPU、RAM、定时/计数器(timer/counter)、I/O 接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
  • 应用:主要用于前端的无操作系统、以实时控制为主的环境,如电子钟表、电机控制等。在硬件爱好者手中可用于机器人前端控制,四轴飞行器前端控制,3D打印机前端控制等。
  • 典型产品:
    • Arduino: AVR 单片机为核心控制器的单片机应用开发板,是开源硬件,新手友好
    • STM32: 貌似是单片机从业人员的入行首选,使用 ARM Cortex-M 系列核心。
  • 补充说明:
    • 单片机非常简单,因为很接近底层,而且硬件配置极差,干不了太多的事。主要的优势就是稳定、开发也简单。
    • 单片机跟硬件的绑定很严重,经常出现一套代码换一个单片机平台,就得完全重写。

单片机最简单的玩法当属 esphome,只需要会 yaml 配置语言就能开始用 ESP32/ESP8266/ESP32-C3 等 MCU 玩智能家居,不需要写任何代码,生态非常丰富,作为入门路径感觉很合适(文章开头就说了,我就是从这玩意儿入坑的硬件…)

但是 ESPHome 毕竟太简单,用的都是别人写好的现成模块,想实现点更自定义的功能就得自己学习单片机编程了。

我的单片机编程学习路径大概是:

  • 8051: 最简单最经典的单片机
  • STM32: 工业届应用最广泛的单片机,网上资料众多。
    • 开发工具链很成熟完善,不过有点偏底层,适合用于学习底层知识。
    • 我的 STM32 学习笔记与代码(持续更新中,使用 C 语言,后续打算试下 Rust):ryan4yin/learn-stm32f103c8t6
  • ESP32: 包含 wifi 蓝牙功能的 IoT 单片机,在物联网领域应用非常广泛,硬件发烧友的最爱。
    • 乐鑫官方的 ESP-IDF 完全开源,功能比较完善,封装层次比 STM32 HAL 更高,而且迭代很快,用起来更简单(不过相对地就对底层更缺乏掌控)。
    • 我的 ESP32 学习笔记与代码(同样持续更新中,也是用的 C,后面也打算用 Rust 搞搞):electrical-engineering/esp32
  • 其他
    • 买了矽速科技新出的 Maix Zero M0S/M1S,使用 RISC-V 架构的 MCU,貌似目前必须用芯片官方(博流智能)的 SDK 写代码。点了个灯就一直吃灰了(

单片机领域目前仍然是 ARM32 架构的天下,不过开源免费的 RISC-V 架构发展迅猛,有望与 ARM32 分庭抗礼。目前乐鑫基于 RISC-V 的 ESP32C3 就挺受欢迎的,还出了书,另外后续版本 ESP32C5 也已经被 ESP-IDF 支持了,发展很快。

嵌入式系统(Embedded System),是指嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。

单片机玩够了后,就可以开始玩嵌入式 Linux了。

  • 介绍:嵌入式 Linux,即运行 Linux 操作系统的、性能比 MCU 更高的微型计算机,行业上最常用 ARM Cortex-A5X 系列芯片与 Linux 开发一些嵌入式设备。
  • 应用:路由器、电视盒子、智能家居等。在硬件爱好者手里可以用来做计算机视觉控制小车、WiFi、蓝牙控制中枢等等。
  • 典型产品
    • Raspberry Pi: 使用 ARM Cortex-A 系列 CPU 的微型计算机,社区庞大,生态丰富。
    • 其他各种国产派,如基于瑞芯微 RK35XX 系列 SoC 的 OrangePi、RockPi、野火鲁班猫等,它们都比现在的树莓派便宜很多(2023 年的 4B 2G 全新要 1000+ 太恐怖了),性能也更高,生态差一些不过瑕不掩瑜。
    • STM32/IMX6ULL 也有相关产品
  • 补充说明
    • 嵌入式 Linux 代码的可移植性相对要好很多,因为硬件相关的逻辑都封装在驱动层了。

我目前的学习顺序与进度:

  • 瑞芯微 RK3588s 系列国产派: 性能贼强,还自带 NPU(2TOPS * 3)
  • 树莓派 4B:
  • 其他
    • 除了前面俩,还兜兜转转玩了很多新产品,笔记都写在这里面了:electrical-engineering
    • MAIX-III AXera-Pi AX620A(爱芯派),1.8TOPS 算力(标称 3.6TOPS 的一半不能用于 AI)
      • 这块板子的 NPU 感觉性能还可以,但是 CPU 跟 IO 都有点拉,跑个 pip3 list 都要卡老半天。毕竟 A7 内核,估计性能也就这样了,全靠交叉编译续命。
      • 没啥开源资料,只适合用来玩玩 AI,Linux 系统没啥可玩性。
    • 鲁班猫 0 无线版(LubanCat Zero W)
      • 基于 RK3566,开放的资料非常全,包含 SoC 原厂的各种文档、SDK 驱动开发包、核心板封装库,还提供许多免费的在线文档,内容包含 Linux 内核编译部署、Linux 驱动开发、嵌入式 QT 开发等等
      • 因为资料很全,用来学 Linux 内核驱动开发感觉是比较合适的。
    • 矽速科技的 LicheePi 4A,国产高性能 RISC-V 开发版。
    • 群星闪耀家的 Milk-V Mars,同样是国产高性能 RISC-V 开发版,不过比 LicheePi 4A 弱一些(价格低好多哪)。
      • 用的是赛昉家的 JH7100 芯片,用 Nick_Cao 老师的代码跑了 NixOS 玩。
      • 吐槽:它家这名字是会取的,不论是「群星闪耀」还是「Milk-V」都很有意思

其他我感兴趣的资料(资料内容有一定的重叠):

嵌入式 Linux 领域目前也仍然是 ARM 架构的天下,但是开源免费的 RISC-V 架构发展也很快,性能越来越强,生态越来越好,很值得期待。

最近也整了点 FPGA 玩,学了点 Verilog 语言,浅尝辄止,做了点笔记:

单纯一个人埋头自学未免太过枯燥,效率也不一定高,偶尔也可以逛逛各种社区、看看相关的技术博客、文章,是一个更丰富的信息源。

我收集的一些相关论坛、公众号、交流群总结在了这里,可供参考:

上面这些都学了一遍的话,业余玩玩硬件应该就很够用了,期待我完成这个学习路线的那一天…

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