stringtranslate.com

Электронная инженерия

Печатная плата

Электронная инженерия — это подраздел электротехники , возникший в начале 20 века и отличающийся дополнительным использованием активных компонентов, таких как полупроводниковые приборы, для усиления и управления электрическим током. Ранее в электротехнике использовались только пассивные устройства, такие как механические переключатели, резисторы, индукторы и конденсаторы.

Он охватывает такие области, как аналоговая электроника , цифровая электроника , бытовая электроника , встроенные системы и силовая электроника . Он также участвует во многих смежных областях, например, физика твердого тела , радиотехника , телекоммуникации , системы управления , обработка сигналов , системная инженерия , компьютерная инженерия , приборостроение , управление электропитанием , фотоника и робототехника .

Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) является одним из важнейших профессиональных органов для инженеров-электронщиков в США; эквивалентный орган в Великобритании — Институт инженерии и технологий (IET). Международная электротехническая комиссия (IEC) публикует электрические стандарты, в том числе для электронной инженерии.

История и развитие

Электронная инженерия как профессия возникла после открытия электрона в 1897 году и последующего изобретения вакуумной лампы , которая могла усиливать и выпрямлять слабые электрические сигналы, что ознаменовало начало электроники. [1] Практическое применение началось с изобретения диода Эмброузом Флемингом и триода Ли Де Форестом в начале 1900-х годов, что сделало возможным обнаружение слабых электрических напряжений, таких как радиосигналы от радиоантенны, с помощью немеханического устройства. Развитие электроники было стремительным. К началу 1920-х годов коммерческое радиовещание и связь стали широко распространенными, а электронные усилители использовались в таких разнообразных приложениях, как междугородная телефонная связь и индустрия звукозаписи.

Дисциплина получила дальнейшее развитие благодаря развитию большого количества электронных систем во время Второй мировой войны , таких как радары и сонары , а также последовавшей за этим потребительской революции мирного времени, последовавшей за изобретением транзистора Уильямом Шокли , Джоном Бардином и Уолтером Браттейном .

Специализированные области

Электронная инженерия имеет много подотраслей. В этом разделе описываются некоторые из самых популярных.

Электронная обработка сигналов занимается анализом и манипулированием сигналами . Сигналы могут быть либо аналоговыми , в этом случае сигнал непрерывно изменяется в соответствии с информацией, либо цифровыми , 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 аудиооборудования, а также модуляцию и демодуляцию радиочастотных сигналов для телекоммуникаций . Для цифровых сигналов обработка сигнала может включать сжатие , проверку и обнаружение ошибок , а также исправление.

Телекоммуникационная техника занимается передачей информации через среду, такую ​​как коаксиальный кабель , оптоволокно или свободное пространство . Передачи через свободное пространство требуют, чтобы информация была закодирована в несущей волне для передачи, это известно как модуляция . Популярные методы аналоговой модуляции включают амплитудную модуляцию и частотную модуляцию .

После определения характеристик передачи системы инженеры по телекоммуникациям проектируют передатчики и приемники, необходимые для таких систем. Иногда эти два устройства объединяются для формирования устройства двусторонней связи, известного как приемопередатчик . Ключевым фактором при проектировании передатчиков является их энергопотребление , поскольку оно тесно связано с силой их сигнала . Если сила сигнала передатчика недостаточна, информация сигнала будет искажена шумом .

Авиационно - электронная инженерия и авиационно-телекоммуникационная инженерия связаны с аэрокосмическими приложениями. Авиационные инженеры- телекоммуникационные инженеры включают специалистов, которые работают с бортовой авионикой в ​​самолетах или наземным оборудованием. Специалистам в этой области в основном нужны знания в области компьютеров , сетей , ИТ и датчиков . Эти курсы предлагаются в таких колледжах гражданской авиации . [2] [3]

Инженерное управление имеет широкий спектр электронных приложений от систем полета и движения коммерческих самолетов до круиз-контроля, присутствующего во многих современных автомобилях . Оно также играет важную роль в промышленной автоматизации . Инженеры по управлению часто используют обратную связь при проектировании систем управления .

Приборостроение занимается разработкой устройств для измерения физических величин, таких как давление , поток и температура . Разработка таких приборов требует хорошего понимания электронной техники и физики ; например, радары используют эффект Доплера для измерения скорости приближающихся транспортных средств. Аналогично, термопары используют эффект Пельтье-Зеебека для измерения разницы температур между двумя точками.

Часто приборы не используются сами по себе, а как датчики более крупных электрических систем. Например, термопара может использоваться для обеспечения постоянной температуры печи. По этой причине приборостроение часто рассматривается как аналог контрольно-измерительной техники. [4]

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

Проектирование СБИС СБИС означает очень крупномасштабную интеграцию . Она занимается изготовлением ИС и различных электронных компонентов. При проектировании интегральной схемы инженеры-электронщики сначала создают принципиальные схемы , которые определяют электрические компоненты и описывают взаимосвязи между ними. После завершения инженеры СБИС преобразуют схемы в фактические макеты, которые отображают слои различных проводниковых и полупроводниковых материалов, необходимых для построения схемы.

Образование и обучение

Электроника — это подраздел в рамках более широкого академического предмета электротехники . Инженеры-электронщики обычно имеют ученую степень со специализацией в области электротехники. Продолжительность обучения для получения такой степени обычно составляет три или четыре года, а завершенная степень может быть обозначена как бакалавр инженерии , бакалавр наук , бакалавр прикладных наук или бакалавр технологий в зависимости от университета. Многие университеты Великобритании также предлагают степени магистра инженерии ( MEng ) на уровне аспирантуры.

Некоторые инженеры-электронщики также выбирают получение степени магистра наук , например, магистра наук , доктора философии в области инженерии или докторантуры в области инженерии . Степень магистра вводится в некоторых европейских и американских университетах в качестве первой степени, и дифференциация инженера с аспирантурой и последипломным образованием часто бывает затруднительной. В этих случаях учитывается опыт. Степень магистра может состоять либо из исследования, либо из курсовой работы, либо из их смеси. Степень доктора философии состоит из значительного исследовательского компонента и часто рассматривается как точка входа в академическую среду.

В большинстве стран степень бакалавра в области инженерии представляет собой первый шаг к сертификации, а сама программа обучения сертифицирована профессиональным органом. Сертификация позволяет инженерам юридически подписывать планы проектов, влияющих на общественную безопасность. [5] После завершения сертифицированной программы обучения инженер должен соответствовать ряду требований, включая требования к опыту работы, прежде чем получить сертификат. После получения сертификата инженеру присваивается звание профессионального инженера (в США, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера или инкорпорированного инженера (в Великобритании, Ирландии, Индии и Зимбабве), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Новой Зеландии) или европейского инженера (в большинстве стран Европейского Союза).

Степень в области электроники обычно включает в себя разделы, охватывающие физику , химию , математику , управление проектами и конкретные темы в области электротехники . Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, подотраслей электротехники. Затем студенты выбирают специализацию в одной или нескольких подотраслях к концу обучения.

Основополагающими для этой дисциплины являются науки физики и математики, поскольку они помогают получить как качественное, так и количественное описание того, как будут работать такие системы. Сегодня большая часть инженерной работы связана с использованием компьютеров, и общепринятым является использование программ автоматизированного проектирования и моделирования при проектировании электронных систем. Хотя большинство инженеров-электронщиков понимают базовую теорию цепей, теории, используемые инженерами, как правило, зависят от выполняемой ими работы. Например, квантовая механика и физика твердого тела могут быть актуальны для инженера, работающего над СБИС , но в значительной степени неактуальны для инженеров, работающих со встроенными системами .

Помимо электромагнетизма и теории сетей, другие предметы в программе являются специфическими для курсов электронной инженерии. Курсы электротехники имеют другие специализации, такие как машины , производство электроэнергии и распределение . Этот список не включает обширную программу по инженерной математике , которая является предварительным условием для получения степени. [6] [7]

Поддержка областей знаний

Огромный размах электронной инженерии привел к использованию большого числа специалистов, поддерживающих эти области знаний.

Элементы векторного исчисления : дивергенция и ротор ; теоремы Гаусса и Стокса , уравнения Максвелла : дифференциальные и интегральные формы. Волновое уравнение , вектор Пойнтинга . Плоские волны : распространение через различные среды; отражение и преломление ; фазовая и групповая скорость ; глубина скин-слоя . Линии передачи : характеристическое сопротивление ; преобразование импеданса; диаграмма Смита ; согласование импедансов ; импульсное возбуждение. Волноводы : моды в прямоугольных волноводах; граничные условия ; частоты среза ; дисперсионные соотношения . Антенны: дипольные антенны ; антенные решетки ; диаграмма направленности; теорема взаимности, коэффициент усиления антенны . [8] [9]

Сетевые графики: матрицы, связанные с графами; инцидентность, фундаментальное множество разрезов и фундаментальные матрицы цепей. Методы решения: узловой и сетчатый анализ. Сетевые теоремы: суперпозиция, максимальная передача мощности Тевенина и Нортона, преобразование Уай-Дельта. [10] Синусоидальный анализ установившегося состояния с использованием векторов. Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами; анализ временной области простых цепей RLC, Решение сетевых уравнений с использованием преобразования Лапласа : анализ частотной области цепей RLC. Параметры двухпортовой сети: задающая точка и передаточные функции. Уравнения состояния для сетей. [11]

Электронные устройства : энергетические зоны в кремнии, собственный и примесный кремний. Транспорт носителей в кремнии: диффузионный ток, дрейфовый ток, подвижность, удельное сопротивление. Генерация и рекомбинация носителей. pn-переходный диод, стабилитрон , туннельный диод , BJT , JFET , МОП-конденсатор , МОП-транзистор , светодиод , штыревой и лавинный фотодиод , лазеры. Технология устройств: процесс изготовления интегральных схем , окисление, диффузия, ионная имплантация , фотолитография, n-трубчатый, p-трубчатый и двухтрубчатый КМОП-процесс. [12] [13]

Аналоговые схемы : эквивалентные схемы (большого и малого сигнала) диодов, BJT, JFET и MOSFET. Простые диодные схемы, ограничение, фиксация, выпрямитель. Смещение и устойчивость смещения транзисторных и FET усилителей. Усилители: одно- и многокаскадные, дифференциальные, операционные, с обратной связью и мощные. Анализ усилителей; частотная характеристика усилителей. Простые схемы операционных усилителей . Фильтры. Синусоидальные генераторы; критерий колебания; конфигурации с одним транзистором и операционным усилителем. Генераторы функций и схемы формирования волн, источники питания. [14]

Цифровые схемы : Булевы функции ( НЕ , И , ИЛИ , XOR ,...). Семейства цифровых ИС логических вентилей ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Комбинационные схемы: арифметические схемы, преобразователи кодов, мультиплексоры и декодеры . Последовательные схемы : защелки и триггеры, счетчики и сдвиговые регистры. Схемы выборки и хранения, АЦП , ЦАП . Полупроводниковые запоминающие устройства . Микропроцессор 8086 : архитектура, программирование, память и интерфейс ввода-вывода. [15] [16]

Сигналы и системы: Определения и свойства преобразования Лапласа , непрерывные и дискретные ряды Фурье , непрерывное и дискретное преобразование Фурье , z-преобразование . Теоремы выборки . Линейные системы с постоянной скоростью (LTI) : определения и свойства; причинность, устойчивость, импульсная характеристика, свертка, частотная характеристика полюсов и нулей, групповая задержка и фазовая задержка . Передача сигнала через системы LTI. Случайные сигналы и шум: вероятность , случайные величины , функция плотности вероятности , автокорреляция , спектральная плотность мощности и функциональная аналогия между векторами и функциями. [17] [18]

Электронные системы управления

Базовые компоненты системы управления; описание структурных схем, сокращение структурных схем — правило Мейсона . Системы с открытым и закрытым контуром (отрицательная обратная связь) и анализ устойчивости этих систем. Графики потоков сигналов и их использование для определения передаточных функций систем; анализ переходных и установившихся режимов систем управления LTI и частотной характеристики. Анализ подавления установившихся помех и чувствительности к шуму.

Инструменты и методы для анализа и проектирования систем управления LTI: корневые годографы, критерий устойчивости Рауса-Гурвица , диаграммы Боде и Найквиста . Компенсаторы систем управления: элементы компенсации опережения и запаздывания, элементы пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления. Дискретизация непрерывных систем с использованием удержания нулевого порядка и АЦП для реализации цифрового контроллера. Ограничения цифровых контроллеров: наложение спектров. Представление переменных состояния и решение уравнения состояния систем управления LTI. Линеаризация нелинейных динамических систем с реализациями пространства состояний как в частотной, так и во временной областях. Фундаментальные концепции управляемости и наблюдаемости для систем MIMO LTI. Реализации пространства состояний: наблюдаемая и управляемая каноническая форма. Формула Аккермана для размещения полюсов обратной связи по состоянию. Разработка оценщиков полного и пониженного порядка. [19] [20]

Коммуникации

Аналоговые системы связи: системы амплитудной и угловой модуляции и демодуляции, спектральный анализ этих операций, условия супергетеродинных шумов.

Цифровые системы связи: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ), дельта-модуляция (ДМ), цифровая модуляция – амплитудная, фазовая и частотная манипуляции ( ASK , PSK , FSK ), приемники с согласованными фильтрами, учет полосы пропускания и расчеты вероятности ошибок для этих схем, GSM , TDMA . [21] [22]

Профессиональные организации

Известные профессиональные организации для инженеров-электриков Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) в США и Институт инженерии и технологий (IET) в Великобритании . Члены Института инженерии и технологий (MIET) признаны в Европе профессионально, как инженеры-электрики и компьютерные инженеры. IEEE утверждает, что производит 30 процентов мировой литературы по электротехнике и электронике, имеет более 430 000 членов и проводит более 450 спонсируемых или совместно спонсируемых IEEE конференций по всему миру каждый год. SMIEEE является признанным профессиональным обозначением в Соединенных Штатах.

Проектирование

Для большинства инженеров, не вовлеченных в передовые разработки и проектирование систем, техническая работа составляет лишь часть их работы. Много времени также тратится на такие задачи, как обсуждение предложений с клиентами, подготовка бюджетов и определение графиков проекта. Многие старшие инженеры руководят командой техников или других инженеров, и по этой причине навыки управления проектами важны. Большинство инженерных проектов включают в себя некоторую форму документации, и поэтому сильные навыки письменной коммуникации очень важны.

Рабочие места инженеров-электронщиков столь же разнообразны, как и типы выполняемой ими работы. Инженеров-электронщиков можно встретить в безупречных лабораторных условиях на заводе-изготовителе, в офисах консалтинговой фирмы или в исследовательской лаборатории. В течение своей трудовой деятельности инженеры-электронщики могут руководить широким кругом людей, включая ученых, электриков, программистов и других инженеров.

Устаревание технических навыков является серьезной проблемой для инженеров-электронщиков. Членство и участие в технических обществах, регулярные обзоры периодических изданий в этой области и привычка к постоянному обучению, таким образом, имеют важное значение для поддержания мастерства, что еще более важно в области потребительской электроники. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Октябрь 1897: Открытие электрона" . Получено 19 сентября 2018 г.
  2. ^ "Мультфильмы и видеоигры" . catc.ac.ir. ​Архивировано из оригинала 21 января 2021 года . Проверено 31 января 2021 г.
  3. ^ "Raahnamaye-jaame-94-6-Mordad [catc.info]" . s3.picofile.com . Проверено 31 января 2021 г.
  4. ^ Бартелт, Терри. Промышленные автоматизированные системы: приборы и управление движением. Cengage Learning, 2010.
  5. ^ "Существуют ли какие-либо профессиональные экзамены в области электроники и телекоммуникационной инженерии? Где я могу получить списки этих экзаменов и как подать заявку на них? Кто имеет право писать такие экзамены?" . Получено 28 мая 2018 г. .
  6. ^ Ракеш К. Гарг/Ашиш Диксит/Паван Ядав Basic Electronics , стр. 1, Firewall Media, 2008 ISBN 978-81-318-0302-8 
  7. ^ Сачин С. Шарма Power Electronics , стр. ix, Firewall Media, 2008 ISBN 978-81-318-0350-9 
  8. ^ Эдвард Дж. Ротвелл/Майкл Дж. Клауд Электромагнетизм , CRC Press, 2001 ISBN 978-0-8493-1397-4 
  9. ^ Джозеф Эдминистер Шаум, «Очерки электромагнетизма» , McGraw Hill Professional, 1995 ISBN 978-0-07-021234-3 
  10. ^ Дж. О. Берд Теория и технология электрических цепей , стр. 372–443, Newness, 2007 ISBN 978-0-7506-8139-1 
  11. ^ Алан К. Уолтон Сетевой анализ и практика , Cambridge University Press, 1987 ISBN 978-0-521-31903-4 
  12. ^ Дэвид К. Ферри/Джонатан П. Берд Электронные материалы и устройства , Academic Press, 2001 ISBN 978-0-12-254161-2 
  13. ^ Джимми Дж. Кэти Шаум, «Очерк теории и проблем электронных устройств и схем» , McGraw Hill, 2002 ISBN 978-0-07-136270-2 
  14. ^ Вай-Кай Чен Аналоговые схемы и устройства , CRC Press, 2003 ISBN 978-0-8493-1736-1 
  15. ^ Рональд К. Эмери Цифровые схемы: логика и проектирование , CRC Press, 1985 ISBN 978-0-8247-7397-7 
  16. ^ Анант Агарвал/Джеффри Х. Лэнг Основы аналоговых и цифровых электронных схем , Морган Кауфманн, 2005 ISBN 978-1-55860-735-4 
  17. ^ Майкл Дж. Робертс Сигналы и системы , стр. 1, McGraw–Hill Professional, 2003 ISBN 978-0-07-249942-1 
  18. ^ Очерк теории и проблем сигналов и систем Хуэй Бяо Сю Шаума , стр. 1, McGraw–Hill Professional, 1995 ISBN 978-0-07-030641-7 
  19. ^ Джеральд Люкке, Аналоговые и цифровые схемы для приложений электронных систем управления , Newnes, 2005. ISBN 978-0-7506-7810-0 . 
  20. ^ Джозеф Дж. ДиСтефано, Аллен Р. Стабберуд и Иван Дж. Уильямс, Очерк теории и проблем обратной связи и систем управления Шаума , McGraw-Hill Professional , 1995. ISBN 978-0-07-017052-0 . 
  21. ^ Шанмугам, Цифровые и аналоговые системы связи , Wiley-India, 2006. ISBN 978-81-265-0914-0 . 
  22. ^ Хвэй Пиа Сю, Очерк аналоговых и цифровых коммуникаций Шаума , McGraw–Hill Professional, 2003. ISBN 978-0-07-140228-6 . 
  23. ^ Гомер Л. Дэвидсон, Устранение неисправностей и ремонт бытовой электроники , стр. 1, McGraw–Hill Professional, 2004. ISBN 978-0-07-142181-2 . 

Внешние ссылки