Электронная техника

редактировать
Электротехника, участвующая в разработке электронных схем, устройств и их систем Печатная плата

Электронная техника (также называемая электроникой и коммуникациями ) - это дисциплина электротехника, в которой используются нелинейные и активные электрические компоненты (например, полупроводниковые устройства, особенно транзисторы и диоды ) для разработки электронных схем, устройств, интегральных схем и их системы. Дисциплина обычно также разрабатывает пассивные электрические компоненты, обычно на основе печатных плат.

Электроника - это подполе в рамках более широкого учебного предмета по электротехнике, но обозначает широкую инженерную область, которая охватывает подполя такие как аналоговая электроника, цифровая электроника, бытовая электроника, встроенные системы и силовая электроника. Электроника инженерия занимается реализацией приложений, принципов и алгоритмов, разработанных во многих смежных областях, например физика твердого тела, радиотехника, телекоммуникации, системы управления, обработка сигналов, системная инженерия, компьютерная инженерия, приборостроение, управление электроэнергией, робототехника и многие другие.

Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) - одна из самых важных и влиятельных организаций для инженеров-электронщиков, базирующаяся в США. На международном уровне Международная электротехническая комиссия (IEC) разрабатывает стандарты для электронной техники, разработанные на основе консенсуса и благодаря работе 20 000 экспертов из 172 стран мира.

Содержание

  • 1 Отношение к электротехнике
  • 2 История
  • 3 Электроника
  • 4 Подполя
  • 5 Образование и обучение
    • 5.1 Электромагнетизм
    • 5.2 Сетевой анализ
    • 5.3 Электроника устройства и схемы
    • 5.4 Сигналы и системы
    • 5.5 Системы управления
    • 5.6 Связь
  • 6 Профессиональные органы
  • 7 Проектирование
  • 8 См. также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

Отношение к электротехнике

Электроника - это подполе в рамках более широкого академического предмета электротехника. В некоторых университетах можно получить академическую степень по специальности «Электронная инженерия», в то время как другие университеты используют в качестве предмета электротехнику. Термин инженер-электрик до сих пор используется в академическом мире для обозначения инженеров-электронщиков. Однако некоторые считают, что термин «инженер-электрик» следует использовать для тех, кто специализируется в области энергетики и техники сильноточных или высоких напряжений, в то время как другие считают, что энергия - это лишь одна из подгрупп электротехники, аналогичная распределению электроэнергии технике. Термин энергетика используется как дескриптор в этой отрасли. Опять же, в последние годы наблюдается рост числа новых курсов с отдельным входом, таких как системная инженерия и системная инженерия, за которыми часто следуют академические факультеты с аналогичным названием, которые обычно не рассматривается в качестве подотраслей электроники, а как электротехники.

История

Электронная инженерия как профессия возникла в результате технологических усовершенствований в телеграфной индустрии в конце 19 века и радио и телефон в начале 20 века. Люди были привлечены к радио из-за его технического увлечения, сначала в приеме, а затем в передаче. Многие из тех, кто занимался радиовещанием в 1920-е годы, были только «любителями» в период до Первой мировой войны.

В значительной степени современная электронная инженерия родилась из телефона, радио и телевидения. разработка оборудования и разработка большого объема электронных систем во время Второй мировой войны, включающих радар, гидролокатор, системы связи, а также современные системы боеприпасов и оружия. В межвоенные годы эта тема была известна как радиотехника, и только в конце 1950-х начал появляться термин электронная техника.

Первый рабочий транзистор был транзистором с точечным контактом, изобретенным Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году. MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был позже изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. MOSFET был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого круга применений. MOSFET произвел революцию в электронной промышленности, став самым широко используемым электронным устройством в мире. МОП-транзистор является основным элементом большинства современного электронного оборудования.

Электроника

В области электронной техники инженеры проектируют и тестируют схемы, в которых используется электромагнитное поле. свойства электрических компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды и транзисторы для достижения определенной функциональности. Схема тюнера, которая позволяет пользователю радио отфильтровать все, кроме одной станции, является лишь одним примером такой схемы.

При разработке интегральной схемы инженеры-электронщики сначала создают схемы схем, которые определяют электрические компоненты и описывают взаимосвязи между ними. По завершении инженеры VLSI преобразуют схемы в реальные схемы, которые отображают слои различных проводников и полупроводников материалов, необходимых для построения схемы. Преобразование схем в макеты может быть выполнено с помощью программного обеспечения (см. автоматизация проектирования электроники ), но очень часто требует тонкой настройки человеком, чтобы уменьшить пространство и потребление энергии. Как только макет будет завершен, его можно отправить на завод завод для изготовления.

Для систем средней сложности инженеры могут использовать VHDL моделирование для устройств с программируемой логикой и FPGA.

Интегральных схем, ПЛИС и другие электрические компоненты затем могут быть собраны на печатных платах для формирования более сложных схем. Сегодня печатные платы используются в большинстве электронных устройств, включая телевизоры, компьютеры и аудиоплееры.

Подполя

Электронная инженерия имеет множество подполей. В этом разделе описаны некоторые из самых популярных подполей электронной техники; Хотя есть инженеры, которые сосредотачиваются исключительно на одном подполе, многие также сосредотачиваются на комбинации подполей.

Обработка сигналов занимается анализом и обработкой сигналов . Сигналы могут быть либо аналоговыми, в этом случае сигнал непрерывно изменяется в соответствии с информацией, либо цифровыми, и в этом случае сигнал изменяется в соответствии с серией дискретных значений, представляющих информацию.

Для аналоговых сигналов обработка сигнала может включать усиление и фильтрацию аудиосигналов для звукового оборудования или модуляцию и демодуляцию сигналов для телекоммуникаций. Для цифровых сигналов обработка сигналов может включать в себя сжатие, проверку ошибок и обнаружение ошибок цифровых сигналов.

Телекоммуникационная техника занимается передачей информации по каналу, например, по коаксиальному кабелю , оптическое волокно или свободное пространство.

Передача через свободное пространство требует, чтобы информация была закодирована в несущей, чтобы сдвинуть информацию на несущую частоту подходит для передачи, это известно как модуляция. Популярные методы аналоговой модуляции включают в себя амплитудную модуляцию и частотную модуляцию. Выбор модуляции влияет на стоимость и производительность системы, и инженер должен тщательно сбалансировать эти два фактора.

После определения характеристик передачи системы инженеры по телекоммуникациям проектируют передатчики и приемники, необходимые для таких систем. Иногда эти два элемента объединяются в устройство двусторонней связи, известное как приемопередатчик . Ключевым моментом при разработке передатчиков является их потребляемая мощность, поскольку это тесно связано с их силой сигнала. Если уровень сигнала передатчика недостаточен, информация о сигнале будет искажена шумом..

Электромагниты - это углубленное исследование сигналов, которые передаются в канале (проводном или беспроводном). Это включает в себя основы электромагнитных волн, линий передачи и волноводов, антенн, их типов и приложений с радиочастотой (RF) и микроволнами. Его приложения широко используются в других областях, таких как телекоммуникации, управление и приборостроение.

Техника управления имеет широкий спектр приложений: от пилотажных и силовых установок коммерческих самолетов до круиз-контроля, присутствующих во многих современных автомобилях. Он также играет важную роль в промышленной автоматизации.

Инженеры по контролю часто используют обратную связь при разработке систем управления. Например, в автомобиле с круиз-контролем скорость автомобиля постоянно контролируется и передается обратно в систему, которая регулирует двигатель выходная мощность соответственно. В случае регулярной обратной связи теория управления может использоваться для определения того, как система реагирует на такую ​​обратную связь.

Приборостроение занимается разработкой устройств для измерения физических величин, таких как давление, расход и температура. Эти устройства известны как приборы.

. Конструкция таких приборов требует хорошего понимания физики, которое часто выходит за рамки теории электромагнетизма. Например, радарные пушки используют эффект Доплера для измерения скорости встречных транспортных средств. Аналогично, термопары используют эффект Пельтье – Зеебека для измерения разницы температур между двумя точками.

Часто приборы используются не сами по себе, а в качестве датчиков более крупных электрических систем. Например, можно использовать термопару, чтобы обеспечить постоянство температуры в печи. По этой причине приборостроение часто рассматривается как аналог контрольно-измерительной техники.

Компьютерная инженерия занимается проектированием компьютеров и компьютерных систем. Это может включать разработку нового компьютерного оборудования, разработку КПК или использование компьютеров для управления промышленным предприятием. Разработка встроенных систем - систем, предназначенных для конкретных задач (например, мобильных телефонов) - также входит в эту область. Это поле включает микроконтроллер и его приложения. Компьютерные инженеры также могут работать над программным обеспечением системы. Однако проектирование сложных программных систем часто является областью программной инженерии, которая обычно считается отдельной дисциплиной.

Проектирование СБИС СБИС означает очень крупномасштабную интеграцию. Он занимается производством микросхем и различных электронных компонентов.

Образование и подготовка

Инженеры-электронщики обычно имеют ученую степень по специальности электронная инженерия. Продолжительность обучения для получения такой степени обычно составляет три или четыре года, а полученная степень может быть обозначена как бакалавр технических наук, бакалавр наук, бакалавр прикладных наук. или бакалавр технологий в зависимости от университета. Многие университеты Великобритании также предлагают степени магистра инженерных наук (MEng ) на уровне выпускников.

Некоторые инженеры-электронщики также предпочитают получать аспирантуру, например, магистр наук, доктор философии в области инженерии или Доктор технических наук. Степень магистра вводится в некоторых европейских и американских университетах в качестве первой степени, и разделение инженеров на аспирантуру и аспирантуру часто затруднено. В этих случаях учитывается опыт. Степень магистра может состоять из исследования, курсовой работы или их комбинации. Доктор философии состоит из значительного исследовательского компонента и часто рассматривается как отправная точка в академических кругах.

В большинстве стран степень бакалавра инженерных наук представляет собой первый шаг к сертификации, а сама программа получения степени сертифицирована профессиональным органом. Сертификация позволяет инженерам на законных основаниях подписывать планы проектов, влияющих на общественную безопасность. После завершения сертифицированной программы получения степени инженер должен соответствовать ряду требований, включая требования к опыту работы, прежде чем будет сертифицирован. После сертификации инженеру присваивается звание профессионального инженера (в США, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера или корпоративного инженера (в Великобритании, Ирландии, Индии)., и Зимбабве), дипломированный профессиональный инженер (в Австралии и Новой Зеландии) или европейский инженер (на большей части территории Европейского Союза).

Диплом по электронике обычно включает разделы, охватывающие физику, химию, математику, управление проектами и конкретные темы в электротехника. Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, подфилин электронной техники. Затем студенты выбирают специализацию в одной или нескольких подполях к концу степени.

Основой данной дисциплины являются физико-математические науки, поскольку они помогают получить как качественное, так и количественное описание того, как такие системы будут работать. Сегодня большая часть инженерных работ связана с использованием компьютеров, и при проектировании электронных систем обычным делом является использование программ автоматизированного проектирования, и моделирования,. Хотя большинство инженеров-электронщиков понимают основы теории схем, теории, используемые инженерами, обычно зависят от выполняемой ими работы. Например, квантовая механика и физика твердого тела могут иметь отношение к инженеру, работающему над СБИС, но в значительной степени не имеют отношения к инженерам, работающим со встроенными системами.

Помимо электромагнетизма и теории сетей, другие предметы в программе относятся к курсу электронной инженерии. Курсы по электротехнике имеют другие специальности, такие как машины, производство электроэнергии и распределение. В этот список не входит обширная программа инженерной математики, необходимая для получения степени.

Электромагнетика

Элементы векторного исчисления : расхождение и curl ; Теоремы Гаусса и Стокса, Уравнения Максвелла : дифференциальные и интегральные формы. Волновое уравнение, вектор Пойнтинга. Плоские волны : распространение в различных средах; отражение и преломление ; фаза и групповая скорость ; глубина кожи. Линии передачи : характеристическое сопротивление ; преобразование импеданса; диаграмма Смита ; согласование импеданса ; импульсное возбуждение. Волноводы : моды в прямоугольных волноводах; граничные условия ; частоты среза ; дисперсионные соотношения. Антенны: дипольные антенны ; антенные решетки ; диаграмма направленности; теорема взаимности, усиление антенны.

Сетевой анализ

Сетевые графы: матрицы, связанные с графами; матрицы инцидентности, фундаментальных разрезов и основных схем. Методы решения: узловой и сеточный анализ. Сетевые теоремы: суперпозиция, передача максимальной мощности Тевенина и Нортона, преобразование Уай-Дельта. Синусоидальный анализ устойчивого состояния с использованием векторов. Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами; анализ во временной области простых схем RLC, Решение сетевых уравнений с использованием преобразования Лапласа : анализ частотной области схем RLC. Параметры 2-портовой сети: точка движения и передаточные функции. Уравнения состояния для сетей.

Электронные устройства и схемы

Электронные устройства : энергетические диапазоны в кремнии, собственном и внешнем кремнии. Транспорт носителей в кремнии: диффузионный ток, дрейфовый ток, подвижность, удельное сопротивление. Генерация и рекомбинация носителей. pn переход диод, стабилитрон, туннельный диод, BJT, JFET, MOS конденсатор, MOSFET, LED, pin и лавинный фотодиод, ЛАЗЕРЫ. Технология устройства: процесс изготовления интегральных схем, окисление, диффузия, ионная имплантация, фотолитография, n-ванна, p-ванна и процесс CMOS с двумя ваннами.

Аналоговые схемы : Эквивалентные схемы (большой и малосигнальный) диодов, BJT, JFET и MOSFET. Простые диодные схемы, отсечка, зажим, выпрямитель. Стабильность и стабильность смещения транзисторных и полевых транзисторов. Усилители: одно- и многокаскадные, дифференциальные, операционные, обратной связи и силовые. Анализ усилителей; АЧХ усилителей. Простые схемы операционного усилителя. Фильтры. Синусоидальные генераторы; критерий колебания; конфигурации с одним транзистором и операционным усилителем. Функциональные генераторы и схемы формирования сигналов, источники питания.

Цифровые схемы : Логические функции (НЕ, AND, OR, XOR,...). Семейства цифровых ИС с логическими затворами (DTL, TTL, ECL, MOS, CMOS ). Комбинационные схемы: арифметические схемы, преобразователи кода, мультиплексоры и декодеры. Последовательные схемы : защелки и триггеры, счетчики и регистры сдвига. Цепи выборки и хранения, АЦП, ЦАП. Полупроводниковая память. Микропроцессор 8086 : архитектура, программирование, память и интерфейс ввода / вывода.

Сигналы и системы

Определения и свойства преобразования Лапласа, непрерывного- временное и дискретное время ряд Фурье, непрерывное и дискретное время преобразование Фурье, z-преобразование. Теоремы выборки. Линейные инвариантные во времени (LTI) системы : определения и свойства; причинность, стабильность, импульсная характеристика, свертка, полюсы и нули, частотная характеристика, групповая задержка, фазовая задержка. Передача сигнала через системы LTI. Случайные сигналы и шум: вероятность, случайные величины, функция плотности вероятности, автокорреляция, спектральная плотность мощности, аналогия функций между векторами и функциями.

Системы управления

Базовые компоненты системы управления; структурное описание, редукция блок-схем - правило Мейсона. Системы разомкнутого и замкнутого контура (отрицательная обратная связь единства) и анализ устойчивости этих систем. Графики потоков сигналов и их использование при определении передаточных функций систем; переходный и установившийся анализ систем управления LTI и частотной характеристики. Анализ подавления установившихся помех и шумовой чувствительности.

Инструменты и методы для анализа и проектирования систем управления LTI: корневые локусы, критерий устойчивости Рауса – Гурвица, графики Боде и Найквиста. Компенсаторы системы управления: элементы компенсации опережения и запаздывания, элементы пропорционально-интегрально-производного (ПИД) регулирования. Дискретизация систем с непрерывным временем с использованием удержания нулевого порядка и АЦП для реализации цифрового контроллера. Ограничения цифровых контроллеров: алиасинг. Представление переменных состояния и решение уравнения состояния систем управления LTI. Линеаризация нелинейных динамических систем с реализациями в пространстве состояний как в частотной, так и во временной областях. Основные концепции управляемости и наблюдаемости для систем LTI MIMO. Реализации пространства состояний: наблюдаемая и управляемая каноническая форма. формула для размещения полюсов обратной связи по состоянию. Разработка оценщиков полного и пониженного порядка.

Связь

Аналоговые системы связи: амплитудная и угловая модуляция и системы демодуляции, спектральная анализ этих операций, супергетеродинных шумовых условий.

Цифровые системы связи: импульсно-кодовая модуляция (PCM), дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM), дельта-модуляция (DM), цифровая модуляция - схемы амплитудной, фазовой и частотной манипуляции (ASK, PSK, FSK ), приемники с согласованным фильтром, учет полосы пропускания и вероятность расчеты ошибок для этих схем, GSM, TDMA.

Профессиональные органы

Профессиональные организации, примечательные для инженеров-электриков, включают Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институт инженеров-электриков (IEE) (теперь переименован в Институт инженерии и технологий или IET). Члены Института инженерии и технологий (MIET) являются профессионально признанными в Европе инженерами-электротехниками и инженерами по вычислительной технике. IEEE утверждает, что выпускает 30 процентов мировой литературы по электротехнике и электронике, насчитывает более 430 000 членов и ежегодно проводит более 450 конференций по всему миру, спонсируемых или совместно спонсируемых IEEE. SMIEEE - это признанное профессиональное обозначение в США.

Проектирование

Для большинства инженеров, не участвующих в самом передовом проектировании и разработке систем, техническая работа составляет лишь часть той работы, которую они выполняют. Много времени также тратится на такие задачи, как обсуждение предложений с клиентами, подготовка бюджетов и определение графиков проектов. Многие старшие инженеры управляют командой техников или других инженеров, и по этой причине навыки управления проектами важны. Большинство инженерных проектов включают в себя определенную форму документации, поэтому очень важны хорошие письменные коммуникативные навыки.

Рабочие места электронщиков столь же разнообразны, как и виды работы, которую они выполняют. Инженеров-электронщиков можно найти в безупречной лабораторной среде производственного предприятия, в офисах консалтинговой фирмы или в исследовательской лаборатории. В течение своей трудовой жизни инженеры-электронщики могут руководить широким кругом лиц, включая ученых, электриков, программистов и других инженеров.

Устаревание технических навыков - серьезная проблема для инженеров-электронщиков. Таким образом, членство и участие в технических обществах, регулярные обзоры периодических изданий в данной области и привычка к постоянному обучению имеют важное значение для поддержания профессионального уровня. И они в основном используются в области бытовой электроники.

См. Также

  • значок Портал электроники

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:35:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте