Современные электронные системы – от маломощных потребительских модулей до высокопроизводительных вычислительных платформ; функционируют на основе электрических схем, формирующих их функциональные и архитектурные свойства. Схемотехника представляет собой область прикладной электроники, ориентированную на разработку, параметрический анализ и оптимизацию электрических схем различной топологии и уровня интеграции. На этом этапе осуществляется преобразование функциональных требований в формализованную электрическую структуру устройства, что делает схемотехнику связующим звеном между системной концепцией и стадией промышленной реализации электронного изделия.
Она включает в себя как аналоговую, так и цифровую составляющие. Аналоговая схемотехника – это проектирование схем, работающих с непрерывными (аналоговыми) сигналами; например, усилители звука, радиоприемники. Цифровая же ориентирована на дискретные двоичные сигналы (0 и 1), лежащие в основе цифровых технологий. Иными словами, аналоговые схемы оперируют плавно изменяющимися величинами, а цифровые – логическими уровнями сигналов (высокий/низкий). Существуют и смешанные решения, сочетающие оба подхода.
Схемотехники
Многих интересует вопрос: что такое схемотехника простыми словами? Проще говоря, схемотехника – это практика создания электрических схем (электронных устройств) для выполнения заданных функций. Она изучает принципы соединения электронных компонентов (резисторов, транзисторов, микросхем и т.д.) в рабочие узлы и системы. Если говорить другими словами, цель этой дисциплины – превратить идею или требуемую функцию в реальную электронную схему, готовую к внедрению в устройство.
В схемотехнике важно понимание основ смежных наук: без базовых знаний электротехники и физики электронных компонентов сложно спроектировать надежную схему. Однако сама по себе данная наука носит прикладной характер: она занимается не исследованием материалов или отдельных приборов, а непосредственно проектированием схем для решения практических задач. Иначе говоря, инженер-схемотехник думает категориями сигналов, логических состояний, входов и выходов – подбирая нужную комбинацию элементов для достижения требуемого результата.
Изучение характеристик сигналов
Термин «схемотехника» буквально означает “техника схем” – умение создавать электрические схемы. Иначе говоря, эта дисциплина определяет, как соединить электронные компоненты в единую систему для выполнения нужных функций. Важный аспект схемотехники – продумывание структуры устройства в целом, а не изучение отдельных элементов по отдельности.
Схемотехника тесно связана с другими техническими направлениями, прежде всего с электроникой. Электроника изучает принципы работы электронных компонентов (диодов, транзисторов, микросхем) и создает новые элементы. Схемотехника использует эти компоненты для проектирования функциональных узлов и устройств.
Электротехника и схемотехника: в чем разница? Электротехника занимается энергосистемами (генерация и передача электроэнергии), а схемотехника – низковольтными электронными схемами обработки сигналов. Проще говоря, электротехника отвечает за мощность, а схемотехника – за информацию.
Основы теории цепей (законы Ома, Кирхгофа и др.) служат фундаментом схемотехники. Без понимания этих законов сложно правильно рассчитать токи и напряжения в узлах схемы, а значит – спроектировать надежное устройство. Поэтому изучение электрических цепей всегда предшествует углублению в схемотехнику.
Законы электротехники
Создание любой электронной схемы проходит через несколько стадий. Схемотехнические работы можно условно разделить на подготовительный этап и основные этапы проектирования.
На этом этапе выполняется предварительное исследование и прототипирование. Проектировщик собирает упрощенный макет или модель ключевых узлов будущей схемы, чтобы проверить работоспособность идеи. Такой черновой тест позволяет выявить ошибки на ранних стадиях разработки и учитывать актуальную конъюнктуру технологий при выборе компонентов.
На этом шаге формулируются функции и характеристики будущего устройства. Разрабатывается список требований: что должна обеспечивать схема, в каких условиях работать, какие есть ограничения (по питанию, габаритам, бюджету и т.п.).
Далее выполняется разработка принципиальной схемы. Инженер выбирает нужные узлы, рассчитывает параметры компонентов и подбирает элементную базу. Готовую схему часто проверяют с помощью компьютерного моделирования (специальные программы-САПР), чтобы убедиться в правильности работы.
На заключительном этапе собирается прототип схемы и проводится его испытание на соответствие техническому заданию. Выявленные проблемы устраняются (корректировка схемы, замена компонентов), после чего устройство считается готовым к внедрению.
Тестирование оборудования
Цифровая схемотехника занимается схемами, обрабатывающими информацию в двоичном коде (сигналы “0” и “1”). В таких схемах используются логические элементы (микросхемы, выполняющие операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.), которые обрабатывают дискретные сигналы по правилам таблиц истинности. За счет комбинации логических элементов строятся сложные узлы – вплоть до процессоров компьютеров.
Что такое триггер в схемотехнике? Триггер (flip-flop) – это элемент памяти, способный хранить 1 бит (логический “0” или “1”) до прихода сигнала переключения. Триггеры служат основой для регистров и других запоминающих узлов цифровых устройств.
Электронная плата
Инженер-схемотехник занимается разработкой электронных схем и устройств “под ключ”. Такой специалист получает техническое задание и воплощает его в рабочую электрическую схему: проектирует принципиальную схему, рассчитывает параметры элементов, подбирает компоненты, моделирует работу схемы на компьютере, а затем собирает и тестирует прототип. В процессе разработки схемотехник устраняет выявленные неполадки и доводит устройство до требуемых характеристик.
В своей работе схемотехники активно используют программные инструменты (CAD/САПР для проектирования схем и печатных плат) и измерительное оборудование. Эти средства значительно ускоряют процесс проектирования и отладки.
Профессия схемотехника востребована во многих отраслях – от производства бытовой электроники до авиакосмической техники. С опытом специалист может вырасти до ведущего инженера проекта или руководителя группы разработчиков.
Типичная программа обучения схемотехнике начинается с базы и переходит к практике. На курсах Вы научитесь следующему:
Обучение схемотехнике
Приглашаем Вас пройти курсы по схемотехнике! Обучение поможет Вам систематизировать знания и получить практический опыт, необходимый для реализации собственных проектов. Не откладывайте решение – в современной цифровой среде грамотные схемотехники на вес золота.
