电路设计中的工程计算

工程师喜欢强调经验,经验固然不错,但江湖也流传着一句话“经验主义害死人阿”。每条成功的经验必然有其特定的背景和环境条件,比如输入的信号和电源、输出所带的负载、所处的电磁环境、接地布线的方式、所处的温度环境、源端匹配电路的输出阻抗、负载匹配电路的输入阻抗等等等等,这些个些微的不同,对电路的分布参数、参数漂移、精度匹配都会提出新的不同的要求,照搬过去的设计,恰如30年后,当年情深意重的男女,很多都已经变了,还能回得到过去吗?

但数学不同,它可以计算这些所有因素的影响,真正做到秀才不出门,便知天下事。曾经接触一位深圳的客户,光耦的数据传输偶有丢数据的现象。从信号完整性上分析、从EMC上考虑,始终未解决。后来拿到电路原理图,做了一个简单计算,确认源端的限流电阻阻值偏大,如果真要大到信号完全失真的情况,这问题倒可能好被查出来了。问题是此电阻的最大负误差临近时,才会使接收端的信号幅值在高电平VHmin高一丁点,所以就出现了偶尔失真的情况。后建议伊去测一下光耦输出端的波形质量,然后把波形发给我看加以确认。果不其然。

另一次,某海上试验项目,几条船和岸上的通讯项目,通过微波+船载稳定跟踪平台,实现船上天线与岸上制高点天线之间的通信联络,但对船驶出的海域距离有较大的一个要求,投标进行时,几家单位纷纷拿出自己做过的各种设备系统战绩,纷纷抛出预算,一副志在必得的态势。我方拿出的方案只有一本工程计算书,从数学推理上证明:在这样一个海域距离要求下,考虑地面实测制高点的海拔高度,考虑海域球面的弯曲,考虑水面对电磁波反射的多路径效应,考虑船的摇摆最糟糕的情况,综合推理出此项目不成立,做出来的东西不可能达到预期的技术要求。评标气氛尴尬至极,哑火了。后来,无限期推迟此项目修改需求,我单位兵不血刃的拿下此项目,因为是我们帮他制定了方案预期目标。

再一次,是一个流体驱动的测试设备,立项方技术人员做了半年多的策划和选型,想做该领域的全世界第一台样机。但一直关键件选型没找到合适的。被朋友拉去参与此项目讨论,用数学公式粗略推导后,通过偏微分计算对传感器和驱动装置进行精度误差分配,分配后发现,传感器的量程和精度要求是矛盾的,电机的扭矩和转速是矛盾的,也就是说按照该方案,原理上可行,关键测控和执行器件,工业制造商实现不了。后来改成了双系统分段并联的原理方式,此项目险已有十余套进入正常服役。

以上有关工程与数学的案例可以总结成一句话“理论上通过的,实践上未必通的过;理论上通不过的,实践上一定通不过。”这里的理论就是“工程计算方法”。后来逐渐的对此发生了兴趣,凡事开始了算一算的工作习惯,逐渐发现,普通的加减乘除、简单的微积分、三角函数运算、解析几何、复变函数、拉氏变换、傅立叶变换、Z变换、偏微分、概率论与数理统计,都已经被我用在了电路系统的技术工作中。虽然用到的知识点种类不少,但涉及到的技术难度并不高。目前还未被用到是的双重曲面积分计算和立体几何,想来在建筑等行业应该用的上吧。

我曾经总结过一句话:

“如果一个工程师能把数学与电子结合好了,他就会成为一位顶级的工程师;

如果一个女人把经济学与生活结合好了,她就会成为一位顶级的家庭主妇”。

后者是否正确未被验证过,因为我身边的女人总是率性的生活,根本不研究任何的经济学规律。但前者确实是被验证了。工程计算仍然是不可多得的好方法,它可以让我们秀才不出门,便知天下事,帷幄之中,便可预测设计之结果。并能帮助我们找到问题的关键点、量化的风险和余量。最近在给几家客户单位的技术辅导审核中,已经充分验证了这是工程设计的基础方法论。

不计算,即使好也不知有多好,即使坏,也不知有多大风险。可惜的是很多工程师,甚至包括比较老的工程师,都在强调所谓的设计经验,过去合适的参数选型和典型电路,换在当下,即使能用,或许已在超标崩溃的边缘。不计算,则如盲人骑瞎马,夜半临深池。

常见的需要计算的地方有:

1、工程计算基础

1.1 过渡过程及超调对输入端器件的影响

1.2 降额通用要求

1.3 Datasheet的应用

1.4 系统失效率与可靠性串并联模型

1.5 电子系统可靠性量化评估方法

1.6 系统精度分配方法

1.7 阻抗连续

1.8 机械电子嵌入式软件的失效率规律与特性

1.9 应力条件的(应力变化率、组合应力、器件环境条件)

1.10 可靠性设计三阶段(系统设计、功能设计、容差设计)

1.11 建立一致性


2、工程计算与器件选型

2.1 电阻选型计算:电阻的固有特性、上拉电阻、下拉电阻、限流电阻、分压电阻、阻抗匹配电阻的选型计算

2.2 电容选型计算:电容的固有特性与寄生参数、退耦电容、储能电容、安规电容、隔直电容、滤波电容的选型计算

2.3 电感选型计算

2.4 晶振及振荡电路选型计算

2.5 散热器件:整机散热计算、散热片、风扇、半导体致冷片散热选型计算

2.6 光电器件选型计算:光耦、发光二极管、数码管选型计算

2.7 导线与接插件选型计算

2.8 保护器件选型计算:保险丝、TVS管、压敏电阻、高压放电管选型计算

2.9 滤波器件选型计算:滤波器件特性、滤波电路设计计算、滤波器、滤波电容、磁珠磁环、电感选型计算

2.10 PCB板选型:PCB板特性及PCB设计计算

2.11 数字IC器件选型计算:数字IC特性(结温、响应时间、带载能力、温漂、阈值、时序要求)、MCU、存储类器件、逻辑器件的选型计算

2.12 模拟IC器件选型计算:AD、运放、放大器件的选型计算

2.13 电源模块选型计算:电压转换器件、电源模块、变压器选型计算及设计应用方法

2.14 开关类器件:开关类器件的特性、开关管、继电器选型计算

2.15 二极管三极管:二极管和三极管特性、三极管、二极管选型计算

2.16 电控机械器件:电机特性、电机选型计算

2.17 软件类:存储空间、中断or查询选择、界面设计、时序、运算执行时间的计算

2.18 可维修性评估:量化评估指标和试验方法

2.19 其它:按键、扬声器的选型方法和计算

实在想呼吁一件事情,给大学教基础数学课的老师们,第一堂课上,不要讲概念,而是把这门学科中的知识对实践中的哪点需要和作用讲出来,这样,听课的人开始就会知道我们学的原因是因为什么。有句话“兴趣和需要是最好的老师”,对枯燥的数学有兴趣的不多,剩下的就只有需要了。当年我也很烦数学,但如今,数学之美已深入到工作生活的每个角落,当enjoy这些的时候,计算将不再是精神的负担,它对我们工作效果的影响将会变得美轮美奂、无与伦比。

文章来源:网络

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