原创 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。

         在航天系统时与一位老专家做助理，每遇到技术问题，介老先生的口头禅就是“别着（zhuo）急，让我算（san）一算（san）”。就是这san一san的山东口音，影响了我后半生的技术生涯。看样子，这种影响还将持续下去，直到终老…