Электронная инженерия
Электронная инженерия — это раздел электротехники , возникший в начале 20 века и отличающийся дополнительным использованием активных компонентов, таких как полупроводниковые устройства, для усиления и управления потоком электрического тока. Раньше в электротехнике использовались только пассивные устройства, такие как механические переключатели, резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы.
Он охватывает такие области, как аналоговая электроника , цифровая электроника , бытовая электроника , встроенные системы и силовая электроника . Он также задействован во многих смежных областях, например, в физике твердого тела , радиотехнике , телекоммуникациях , системах управления , обработке сигналов , системной инженерии , компьютерной инженерии , приборостроении , управлении электроэнергией , фотонике и робототехнике .
Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) — одна из наиболее важных профессиональных организаций инженеров-электронщиков в США; эквивалентным органом в Великобритании является Институт инженерии и технологий (IET). Международная электротехническая комиссия (МЭК) публикует электрические стандарты, в том числе для электронной техники.
История и развитие
[ редактировать ]Инженерия электроники как профессия возникла после открытия электрона в 1897 году и последующего изобретения вакуумной лампы , которая могла усиливать и исправлять небольшие электрические сигналы, что положило начало области электроники. [1] Практическое применение началось с изобретения диода Амброузом Флемингом и триода Ли Де Форестом в начале 1900-х годов, что сделало возможным обнаружение небольших электрических напряжений, таких как радиосигналы от радиоантенны, с помощью немеханического устройства. Развитие электроники было быстрым. К началу 1920-х годов коммерческое радиовещание и связь получили широкое распространение, а электронные усилители стали использоваться в таких разнообразных приложениях, как междугородная телефония и индустрия звукозаписи.
Дисциплина еще больше расширилась за счет большого количества разработок электронных систем во время Второй мировой войны , таких как радар и гидролокатор , а также последующей потребительской революции мирного времени, последовавшей за изобретением Уильямом транзистора Шокли , Джоном Бардином и Уолтером Брэттеном .
Специализированные области
[ редактировать ]Электроника имеет множество подотраслей. В этом разделе описаны некоторые из наиболее популярных.
Электронная обработка сигналов занимается анализом и манипулированием сигналами . Сигналы могут быть либо аналоговыми , и в этом случае сигнал непрерывно меняется в зависимости от информации, либо цифровыми , и в этом случае сигнал изменяется в соответствии с рядом дискретных значений, представляющих информацию.
Для аналоговых сигналов обработка сигналов может включать усиление и фильтрацию аудиосигналов для аудиооборудования, а также модуляцию и демодуляцию радиочастотных сигналов для телекоммуникаций . Для цифровых сигналов обработка сигналов может включать сжатие , проверку ошибок , ошибок обнаружение и коррекцию .
Телекоммуникационная инженерия занимается передачей информации коаксиальный через такую среду, как кабель , оптическое волокно или свободное пространство . передачи через свободное пространство информация должна быть закодирована в несущей волне Для . Это называется модуляцией . Популярные методы аналоговой модуляции включают амплитудную и частотную модуляцию .
После определения характеристик передачи системы инженеры связи проектируют передатчики и приемники, необходимые для таких систем. Эти два устройства иногда объединяются, образуя устройство двусторонней связи, известное как трансивер . Ключевым моментом при проектировании передатчиков является их энергопотребление , поскольку оно тесно связано с мощностью их сигнала . Если мощность сигнала передатчика недостаточна, информация сигнала будет искажена шумом .
Авиация – электроника и авиация – телекоммуникации , связаны с аэрокосмическими приложениями. К авиационно- телекоммуникационным инженерам относятся специалисты, работающие с бортовым радиоэлектронным оборудованием самолета или наземным оборудованием. Специалистам в этой области в основном необходимы знания в области компьютеров , сетей , информационных технологий и датчиков . Эти курсы предлагаются, например, в технологических колледжах гражданской авиации . [2] [3]
Техника управления имеет широкий спектр электронных приложений: от пилотажных и двигательных систем коммерческих самолетов до круиз-контроля, присутствующего во многих современных автомобилях . Он 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 , расход и температура . Проектирование таких приборов требует хорошего понимания электроники и физики ; например, радары используют эффект Доплера для измерения скорости встречных транспортных средств. Точно так же термопары используют эффект Пельтье-Зебека 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 печи. По этой причине приборостроение часто рассматривается как аналог техники управления. [4]
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. Эта область включает в себя микроконтроллер и его приложения. системы Компьютерные инженеры также могут работать над программным обеспечением . Однако проектирование сложных программных систем часто является областью разработки программного обеспечения , которая подпадает под информатику , которая обычно считается отдельной дисциплиной.
Проектирование СБИС. СБИС означает очень крупномасштабную интеграцию . Он занимается производством микросхем и различных электронных компонентов. При разработке интегральной схемы инженеры-электронщики сначала создают принципиальные схемы , которые определяют электрические компоненты и описывают взаимосвязи между ними. По завершении инженеры СБИС преобразуют схемы в реальные макеты, на которых отображаются слои различных проводниковых и полупроводниковых материалов, необходимых для построения схемы.
Образование и обучение
[ редактировать ]Электроника — это подполе более широкого академического предмета электротехники . 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 инженерных 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 последипломного образования.
Некоторые инженеры-электронщики также предпочитают получить последипломное образование, например, степень магистра наук , доктора философии в области техники или доктора технических наук . Степень магистра вводится в некоторых европейских и американских университетах в качестве первой степени, и дифференциация инженера с аспирантурой и последипломным образованием часто затруднена. В этих случаях учитывается опыт. Степень магистра может состоять из исследования, курсовой работы или их смеси. Доктор философии включает в себя значительный исследовательский компонент и часто рассматривается как точка входа в академические круги.
В большинстве стран степень бакалавра инженерных наук представляет собой первый шаг на пути к сертификации, а сама программа обучения сертифицируется профессиональной организацией. Сертификация позволяет инженерам юридически подписывать планы проектов, влияющих на общественную безопасность. [5] После завершения сертифицированной программы получения степени инженер должен удовлетворить ряд требований, включая требования к опыту работы, прежде чем получить сертификацию. После сертификации инженеру присваивается звание профессионального инженера (в США, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера или зарегистрированного инженера (в Великобритании, Ирландии, Индии и Зимбабве), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Южной Африке). Новая Зеландия) или европейский инженер (в большей части Европейского Союза).
Степень в области электроники обычно включает разделы, охватывающие физику , химию , математику , управление проектами и конкретные темы электротехники . Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, подобластей электронной техники. Затем к концу обучения студенты выбирают специализацию в одной или нескольких областях.
Фундаментальным для этой дисциплины являются науки физики и математики, 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 компьютерного проектирования и моделирования при проектировании электронных систем обычным явлением является использование программ . Хотя большинство инженеров-электронщиков понимают основы теории цепей, теории, используемые инженерами, обычно зависят от выполняемой ими работы. Например, квантовая механика и физика твердого тела могут быть важны для инженера, работающего над СБИС , но в значительной степени не имеют значения для инженеров, работающих со встроенными системами .
Помимо электромагнетики и теории сетей, другие предметы учебной программы относятся только к курсам электронной инженерии. Курсы электротехники включают и другие специализации, такие как машины , электроэнергии производство и распределение . В этот список не входит обширная учебная программа по инженерной математике , которая является обязательным условием для получения ученой степени. [6] [7]
Поддержка областей знаний
[ редактировать ]Огромный размах электронной техники привел к использованию большого количества специалистов, поддерживающих области знаний.
Элементы векторного исчисления : дивергенция и ротор ; Теоремы Гаусса и Стокса , Уравнения Максвелла : дифференциальная и интегральная формы. Волновое уравнение , вектор Пойнтинга . Плоские волны : распространение в различных средах; отражение и преломление ; фазовая и групповая скорость ; глубина кожи . Линии передачи : волновое 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, коэффициент усиления антенны . [8] [9]
Сетевые графы: матрицы, связанные с графами; инцидентность, фундаментальное множество разрезов и фундаментальные матрицы цепей. Методы решения: узловой и сеточный анализ. Сетевые теоремы: суперпозиция, передача максимальной мощности Тевенина и Нортона, преобразование Уай-Дельта. [10] Устойчивый синусоидальный анализ с использованием векторов. Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами; анализ простых схем RLC во временной области. Решение сетевых уравнений с использованием преобразования Лапласа : анализ схем RLC в частотной области. 2-портовые сетевые параметры: точка движения и функции передачи. Уравнения состояния сетей. [11]
Электронные устройства : энергетические зоны в кремнии, собственном и внешнем кремнии. Транспорт носителей в кремнии: диффузионный ток, дрейфовый ток, подвижность, удельное сопротивление. Генерация и рекомбинация носителей. с pn-переходом диод , стабилитрон , туннельный диод , BJT , JFET , МОП-конденсатор , МОП-транзистор , , светодиод штыревой лавинный и фотодиод , ЛАЗЕРЫ. Технология устройства: процесс изготовления интегральных схем , окисление, диффузия, ионная имплантация , фотолитография, процесс КМОП с n-tub, p-tub и двойной ванной. [12] [13]
Аналоговые схемы : Эквивалентные схемы (большие и слабосигнальные) диодов, BJT, JFET и MOSFET. Простые диодные схемы, ограничение, ограничение, выпрямитель. Смещение и стабильность смещения транзисторных и полевых усилителей. Усилители: одно- и многокаскадные, дифференциальные, оперативные, с обратной связью и силовые. Анализ усилителей; частотная характеристика усилителей. Простые схемы операционных усилителей . Фильтры. Синусоидальные генераторы; критерий колебательности; Конфигурации с одним транзистором и операционным усилителем. Функциональные генераторы и схемы формирования сигналов. Источники питания. [14]
Цифровые схемы : Булевы функции ( НЕ , И , ИЛИ , исключающее ИЛИ ,...). 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 . Полупроводниковая память . Микропроцессор 8086 : архитектура, программирование, память и интерфейс ввода-вывода. [15] [16]
Сигналы и системы: определения и свойства преобразования Лапласа с непрерывным и дискретным временем , ряды Фурье с непрерывным и дискретным временем , преобразование Фурье , z-преобразование . Теоремы выборки . Линейные, инвариантные во времени (LTI) системы : определения и свойства; причинность, стабильность, 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 аналогия функций между векторами и функциями. [17] [18]
Электронные системы управления
[ редактировать ]Основные компоненты системы управления; блок-схемное описание, приведение блок-схем — правило Мейсона . Системы с разомкнутым и замкнутым контуром (отрицательная единичная обратная связь) и анализ устойчивости этих систем. Графы потоков сигналов и их использование при определении передаточных функций систем; анализ переходных и установившихся режимов систем управления LTI и частотных характеристик. Анализ подавления установившихся помех и чувствительности к шуму.
Инструменты и методы анализа и проектирования систем управления LTI: корневые локусы, критерий устойчивости Рауса – Гурвица Боде и , графики Найквиста . Компенсаторы системы управления: элементы опережающей и запаздывающей компенсации, элементы пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования. Дискретизация систем с непрерывным временем с использованием удержания нулевого порядка и АЦП для реализации цифрового контроллера. Ограничения цифровых контроллеров: псевдонимы. 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. Фундаментальные понятия управляемости и наблюдаемости систем MIMO LTI. Реализации пространства состояний: наблюдаемая и управляемая каноническая форма. Формула Аккермана для размещения полюсов с обратной связью по состоянию. Проектирование оценщиков полного и пониженного порядка. [19] [20]
Коммуникации
[ редактировать ]Системы аналоговой связи: системы амплитудной и угловой модуляции и демодуляции, спектральный анализ этих операций, супергетеродинные шумовые условия.
Системы цифровой связи: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ), дельта-модуляция (ДМ), цифровая модуляция – амплитудная, фазовая и частотная манипуляции ( ASK , PSK , FSK ), согласованная- фильтр приемников, учет полосы пропускания и расчет вероятности ошибки для этих схем GSM , TDMA . [21] [22]
Профессиональные организации
[ редактировать ]Известные профессиональные организации для инженеров-электриков Институт инженеров по электротехнике и электронике Великобритании США (IEEE) и Институт инженерии и технологий (IET). Члены Института инженерии и технологий (МИЭТ) являются признанными в Европе профессиональными инженерами-электриками и компьютерами. IEEE утверждает, что выпускает 30 процентов мировой литературы по электротехнике и электронике, насчитывает более 430 000 членов и ежегодно проводит более 450 конференций, спонсируемых или совместно спонсируемых IEEE, по всему миру. SMIEEE является признанным профессиональным статусом в США.
Проектирование
[ редактировать ]Для большинства инженеров, не участвующих в проектировании и разработке систем, техническая работа составляет лишь часть выполняемой ими работы. 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 ту или иную форму документации, поэтому сильные письменные коммуникативные навыки очень важны.
Рабочие места инженеров-электронщиков столь же разнообразны, как и виды выполняемых ими работ. Инженеров-электронщиков можно найти в чистых лабораторных условиях производственного предприятия, 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. Таким образом, членство и участие в технических обществах, регулярные обзоры периодических изданий в этой области и привычка к постоянному обучению необходимы для поддержания квалификации, что еще более важно в области бытовой электроники. [23]
См. также
[ редактировать ]
- Электротехнические технологии
- Глоссарий по электротехнике и электронике
- Указатель статей по электротехнике
- Информационная инженерия
- Список инженеров-электриков
- Хронология электротехники и электроники
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Октябрь 1897 года: Открытие электрона» . Проверено 19 сентября 2018 г.
- ^ «Электронная техника и авиационная связь» . catc.ac.ir Архивировано из оригинала 21 января 2021 года . Проверено 31 января 2021 г.
- ^ "Rahnamaye-jaame-94-6-Mordad[catc.info]" . s3.picofile.com . Проверено 31 января 2021 г.
- ^ Бартелт, Терри. Промышленные автоматизированные системы: контрольно-измерительные приборы и управление движением. Cengage Learning, 2010.
- ^ «Существуют ли какие-либо профессиональные экзамены в области электроники и телекоммуникаций? Где я могу получить списки этих экзаменов и как мне подать на них заявку? Кто имеет право сдавать такие экзамены?» . Проверено 28 мая 2018 г.
- ^ Ракеш К. Гарг/Ашиш Диксит/Паван Ядав Базовая электроника , стр. 1, Межсетевые экраны СМИ, 2008 г. ISBN 978-81-318-0302-8
- ^ Сачин С. Шарма Силовая электроника , с. ix, Firewall Media, 2008 г. ISBN 978-81-318-0350-9
- ^ Эдвард Дж. Ротвелл/Майкл Дж. Клауд Электромагнетизм , CRC Press, 2001 ISBN 978-0-8493-1397-4
- ^ Джозефа Эдминистра Шаума Очерки электромагнетизма , McGraw Hill Professional, 1995 ISBN 978-0-07-021234-3
- ^ Джо Берд Теория и технология электрических цепей , стр. 372–443, Newness, 2007 ISBN 978-0-7506-8139-1
- ^ Алан К. Уолтон Сетевой анализ и практика , Cambridge University Press, 1987 ISBN 978-0-521-31903-4
- ^ Дэвид К. Ферри/Джонатан П. Берд Электронные материалы и устройства , Academic Press, 2001 ISBN 978-0-12-254161-2
- ^ Джимми Дж. Кэти Шаума Очерк теории и проблем электронных устройств и схем , McGraw Hill, 2002 ISBN 978-0-07-136270-2
- ^ Вай-Кай Чена Аналоговые схемы и устройства , CRC Press, 2003 ISBN 978-0-8493-1736-1
- ^ Рональд К. Эмери Цифровые схемы: логика и дизайн , CRC Press, 1985 ISBN 978-0-8247-7397-7
- ^ Анант Агарвал / Джеффри Х. Ланг. Основы аналоговых и цифровых электронных схем , Морган Кауфманн, 2005 г. ISBN 978-1-55860-735-4
- ^ Майкла Дж. Робертса Сигналы и системы , с. 1, McGraw – Hill Professional, 2003 г. ISBN 978-0-07-249942-1
- ^ Хвэй Пяо Сюй Шаума Очерк теории и проблем сигналов и систем , с. 1, McGraw – Hill Professional, 1995 г. ISBN 978-0-07-030641-7
- ^ Джеральд Люке, Аналоговые и цифровые схемы для приложений электронных систем управления , Newnes, 2005. ISBN 978-0-7506-7810-0 .
- ^ Джозеф Дж. ДиСтефано, Аллен Р. Стубберуд и Иван Дж. Уильямс, Очерк теории и проблем систем обратной связи и управления Шаума , McGraw-Hill Professional , 1995. ISBN 978-0-07-017052-0 .
- ^ Шанмугам, Цифровые и аналоговые системы связи , Wiley-India, 2006. ISBN 978-81-265-0914-0 .
- ^ Шаума Хвэй Пиа Сюй, Очерк аналоговых и цифровых коммуникаций , McGraw – Hill Professional, 2003. ISBN 978-0-07-140228-6 .
- ^ Гомер Л. Дэвидсон, Устранение неполадок и ремонт бытовой электроники , стр. 1, McGraw–Hill Professional, 2004. ISBN 978-0-07-142181-2 .
