crisscross

Circuit

——makeourlifebetter

Electricalengineeringisanexcitingandchallengingprofessionforanyonewho

hasagenuineinterestin,andaptitudefor,e

pastcenturyandahalf,electricalengineershaveplayedadominantroleinthe

ite

communicationlinks,telephones,digitalcomputer,televisions,diagnosticandsurgical

medicalequipment,asmbly-linerobots,andelectricalpowertoolsare

unreprentativecomponentsofsystemsthatdefineamoderntechnological

ectricalengineer,youcanparticipateinthisongoingtechnological

revolutionbyimprovingandrefiningtheexsistingsystemsandbydiscoveringand

's

simplycometounderstandthecontentofelectricalengineeringinordertomakeour

haveabetterunderstandingtothetopicofthisarticle“Circuit——makeourlife

better”.Finally,weintroducethemethodsofmoderncircuitdesign.

icalEngineering:AnOverview

Electricalengineeringistheprofessionconcernedwithsystemsthat

produce,transmit,icalengineeringcombinesthe

physicist’smodelofnaturalphenomenawiththemathematician’stoolsfor

ical

systemspervadeourveslives;theyarefoundinhomes,schools,workplaces,and

nbyprentingafewexamplesfromeach

ofthefivemajorclassificationsofelectricalsystems:

●communicationsystems

●computersystems

●controlsystems

●signal–processingsystems

Thenwedescribehowelectricalengineersanalyzeanddesignsuchsystems.

Communionsystemsareelectricalsystemsthatgenerate,transmit,anddistribute

-knownexamplesincludetelevisionequipment,suchas

cameras,transmitters,receivers,andVCRs;radiotelescopes,udtoexplorethe

univer;satellitesystems,whichreturnimagesofotherPlanetsandourown;rada

ssystems,udtocoordinateplaneflight;andtelephonesystems.

Figure1Atelephonesystems

ngat

theleftofthefigure,insideatelephone,amicrophoneturnssoundwavesintoelectrical

igalsarecarriedtoaswitchingcenterwheretheyarecombinedwiththe

sigalsfromtens,binedsignals

leavetheswitchingcenter;

example,theyarentthroughwiresinundergroundcoaxialcablestoamicrowave

,thesignalsaretransformedintomicrowavefrequenciesand

broadcastfromatransmissionantennathroughairandspace,viaacommunication

satellite,rowavereceivingstationtranslatesthe

microwavesignalsintoaformsuitableforfurthertransmission,perhapsaspulsof

vingatthecondswitching

center,thecombinedsignalsareparated,andeachisroutedtotheappropriate

telephone,whereanearphoneactsasaspeakertoconverttheirreceivedelectric

ethechallengeinvolvedindesigning,building,

andoperatingeachcircuitinawaythatguaranteethatallofthehundredsof

thousandsofsimultaneouscallshavehigh-qualityconnections.

Computersystemsuelectricsignalstoprocessinformationrangingfrom

srangeinsizeandpower

frompocketcalculatorstopersonalcomputerstosupercomputersthatperformsuch

complextasksasprocessingweatherdataandmodelingchemicalinteractionsof

ystemsincludenetworkofmicrocircuits,or

integratedcircuits-postage-stampsizedasmbliesofhundreds,thousands,ormillions

ofelecricalcomponentsthatofenoperateatspeedsandpowerlevelscloto

fundamentalphysicallimits,includingthespeedoflightandthethermodynamiclaw.

esincludethe

controloftemperatures,pressures,andflowratesinanoilrefinery;thefuel-air

mixtureinafuel-injectedautomobileengine;mechanismssuchasthemotors,doors,

andlightsinelevators;opilotand

autolandingsystemsthathelptoflyandlandairplanesarealsofamiliarcontrol

systems.

icpower,whichis

thefoundationofourtechnology-badsociety,usuallyisgeneratedinlargequantities

bynuclear,hydroelectric,andthermal(coal-,oil-,orags-fired)s

challengein

designingandoperatingsuchasystemistoprovidesufficientredundancyandcontrol

sothatfailureoranypieceofequipmentdoesnotleaveacity,state,orregion

completelywithoutpower.

Signal-processingsystemsactonelectricsignalsthatreprentinformation.

Theytransformthesignalsandinformationcontainedinthemintoamoresuitable

example,imagine-processingsystemsgathermassivequantitiesofdatafromorbiting

weathersatellites,reducetheamountofdatatoamanageablelevels,transformthe

terized

tomography(CT)s

signalsgeneratedbyaspecialX-raymachineandtransformthemintoanimagesuch

ghtheoriginalX-raysignalsareoflittleutoa

physician,oncetheyareprocesdintoarecognizableimagetheinformationthey

containcanbeudinthediagnosisofdiasandinjury.

Figure2CTAscanofanadulthead

Considerableinteractiontakesplaceamongtheengineeringdisciplinesinvolved

mmunication

erscontain

ystemsrequire

extensivecommunicationssystemstocoordinatesafelyandreliablytheoperationof

components,l-processingsystemmay

involveacommunicationlink,acomputer,andacontrolsystem.

Althoughelecricalengineersmaybeinterestedprimarilyinonearea,theymust

al

interactionispartofwhatmakelecricalengineeringachallengingandexciting

hasisinengineeringisonmakingthingswork,soanengineeris

freetoacquireanduanytechnique,fromanyfield,thathelpstogetthejobdone.

hodsofmoderncircuitdesign

Inafieldasdiveralecricalengineering,youmightwellaskwhetherallofits

tric

circuitisamathematicalmodelthatapproximatesthebehaviorofanactualelectric

,itprovideanimportantfoundationforlearningthedetailsofhowto

els,themathematical

techniques,andthelanguageofcircuittheorywillformtheintellectualframeworkfor

yourfutureengineeringendeavors.

Asapracticingengineer,youwillnotbeaskedtosolveproblemsthathave

youaretryingtoimprovetheperfomanceofanexisting

systemorcreatinganewsystem,

thempertainto

thikingaboutandorganizingyoursolutionsstrategybeforeproceedingwith

calculations.

①Identifywhat’sgivenandwhat’lemsolving,you

needtoknowyourdestinationbeforeyoucanlectarouteforgettingthere.

Whatistheproblemaskingyoutosolveorfind?Sometimesthegoalofthe

problemisobvious;othertimesyoumayneedtoparaphraormakelistsor

tablesofknownandunknowninformationtoeyourobjective.

②atingaverbal

problemdescriptionintoavisualmodelisoftenaufulstepinthesolution

cuitdiagramisalreadyprovided,youmayneedtoadd

informationintoit,suchaslables,values,

alsowanttoredrawthecircuitinasimpler,butequivalent,form.

③Thinkofveralsolutionmethodsanddecideonawayofchoosing

remanyanalyticaltoolsinpractic,veralofwhich

methodmayproducefewerequationsto

besolvedthananother,oritmayrequireonlyalgebrainsteadofcalculusto

ficiencies,ifyoucananticipatethem,canstre-

analternativemethondin

mindalsogivesyouapathtopursueifyourfirstsolutionattemptbogs

down.

④uspectthatyouranwrisoffbaorifthe

calculationsetogoonandonwithoutmovingtowardasolution,you

needtorevisityour

,youmayneedtotake

aless-conventionalproproblem-solvingapproch,suchasworkingbackward

asolution.

⑤rlfwhetherthesolutionyou’veobtained

emagnitudeoftheanswersemreasonable?Isthe

solutionphysicallyrealizable?Youwanttogofurtherandreworkthe

owillnotonlytestthevalidity

ofyouroriginalanswer,butwillalsohelpdevelopyourintuitionaboutthe

eal

world,safetycriticaldesignsarealwayscheckedbyveralindependent

gintothehabitofcheckingyouranswerswillbenefityouasa

studentandasapracticingengineer.

Thus,thisarticlefocusonthecircuitapplicatonsinreallifetodrawreaders

erweintroducethegeneralmethodofcircuit

design,if

youwanttoreallyenjoythejoyofcircuitdesigningyoumustact.

电路

——使我们的生活更加方便舒适

对于喜爱应用科学和数学方面并有这方面才华的人来说，电气工程是一个

令人着迷并且具有挑战性的领域。在过去的一个半世纪里，电气工程师已经在推

动系统的发展进步和改变人们的生活工作方式上扮演了重要而又突出的角色。卫

星通信系统、电话、数字计算机、电视、医学诊断设备和外科外科医学设备、流

水线的机器人以及电力电子工具已经成为现代技术社会具有代表性的组成部分。

作为一名电气工程师，你可以通过升级或精炼目前存在的系统，也可以通过研究

和开发能够适应不断变化的社会需求的新系统，从而使自己也参与到这场正在火

热进行的技术革命中。现在就让我们先简单了解一下电气工程的内容，使大家对

本文的题目“电路——使我们的生活更加方便舒适”，有一个更好的理解。最后

我们介绍一下现代电路设计的方法。

1.电气工程概述

电气工程是与生产、传送、测量电信号的系统密切相关的一门专业。电气

工程就是将物理学家的自然现象模型和数学家的数学工具结合在一起，从而创造

一种新的模型，使这种模型能够适应人们的实际需求。电气系统在我们的生活中

随处可见，在家庭、学校、车间中以及汽车中都可以看到它们的身影。电气系统

主要有五个分支：

●通信系统

●计算机系统

●控制系统

●电力系统

●信号处理系统

下面我们就从这五个方面中各举一个例子，从而说明电气工程师是如何分析

和设计和这些系统，也让读者对电气系统的广泛应用有一个感性认识。

通信系统是产生、发射和分配信息的电子系统。举几个众所周知的例子：电

视机、照相机、发射接收机和VCR、用来探测宇宙的射电望远镜、用来返回其它

星球和我们地球图片的卫星通信系统、用来确定飞机飞行坐标的雷达系统以及电

话系统。

图1电话系统

图1描述了现代电话系统的几个重要组成部分。从图片的开始向大家介绍这

一系统，在一个电话系统里，话筒用来将声波信号转化为电信号。这些信号被传

送到信号交换中心，在这里它们将和来自其它成千上万的电话电话信号组合在一

起。组合的信号从交换中心发射出去；它们的信号形式由传播的距离决定。在我

们的例子中，这些信号将通过埋藏在底下的同轴电缆传送到一个微波站。在这里，

这些信号被转换为微波频率的信号，然后用发射天线发射到空间，再通过通信卫

星发送到接收天线。微波接收站将微波信号转换成某种适于远距离传输的信号，

比如说转化为光脉冲信号通过光缆传输出去。当到达第二个交换中心后，组合的

信号被分离开来，并且每个信号都发送给相应的电话，在电话这边此时的话筒当

做扬声器，将收到的电信号还原回声波信号。在这个过程的每个阶段，电路都对

信号进行了处理，起了重要作用。可以想象一下，真正的挑战在于设计、制造以

及运行每个电路，每个电路都应该能够同时响应成千上万的电话呼叫并且还要保

障高质量的连接。

计算机系统是用电信号去处理信息，包括文字信息处理以及数学计算。计算

机系统的大小不同，其功率强弱也不同。从袖珍计算器到个人电脑再到可以执行

复杂任务的超级计算机（用来处理天气数据或建立复杂的有机分子化学反应模

型）。计算机系统包括了微电路网络或者说是集成电路——邮票大小的集成电路

包含了成千上万的电子器件，这些元件的运行速度和功率都接近于它们的物理极

限，比如说光速和热力学定律的极限值。

控制系统用电信号控制生产过程，比如炼油厂的说温度控制、压力控制和流

速的控制；电子燃油喷射式汽车发动机里的燃油混合设备；电梯里面的机械装置

电动机以及门和灯光控制系统；巴拿马运河的闸门控制装置。还有可以帮助飞机

自动导航以及自动着陆的控制器也是我们所熟悉的控制系统。

电力系统是用来产生和分配电力资源的。作为现代工业社会基础的电力资源，

通常是有核电站、水电站及热电站（用煤、油或者气作燃料）。电能由横跨全国

的的电网分配。设计和运行一个这样的系统最主要的挑战在于，要给整个大系统

提供足够的冗余和控制，以确保整个系统中的任意一个小部分除问题都不会让一

个城市、或一个区域断电。

信号处理系统是用来处理代表信息的电信号。信号处理系统能够使电信号里

包含的信息以更适合分析的形式存在。有许多种不同的信号处理方法。例如，图

像处理系统收集到大量来自轨道气象卫星的数据，将这些数据压缩到可以接受到

数量并且将其处理成适于晚间新闻的视频图像。计算机处理的X射线断层扫描

（CT）又是另外一个信号处理系统在实际中应用的例子。它获取特殊的X射线机

产生的信号，将他们转换成类似图2的图像。尽管原始的X射线信号很少被医生

使用，但是一旦将X射线信号处理成为可以识别的图像，它们包含的信息就能应

用在疾病和伤害的诊断中。

图2成人头部的CT扫描

5类系统之间的联系及其相互作用值得注意。例如，通信工程师会用数字计

算机来控制信息的流动。计算机中包含控制系统，而控制系统中也包含计算机。

电力系统需要规模巨大的通信系统来安全可靠地调整系统的运行，其系统也许会

扩展而穿过整个大陆。信号处理系统中会包括通信、计算机和控制系统。

尽管电气工程师门可能主要关心某一领域，但是他们必须要熟悉与这一领域

相关的其他领域的知识。各个领域间的相关性使电气工程成为具有挑战性的专业

的原因之一。每项工程的重点是未完成的工作，因此只要有助于完成工作，工程

师门就应该从各个领域汲取各种知识。

2.电路设计方法

电气工程领域涉及面较广，那么电气工程的各个分支是否有共同的部分呢？

回答是肯定的，共同的部分就是电路。电路是实际电气系统特性的近似数学模型。

它为学习电气工程提供了重要的基础，模型、数学技术和电路理论将成为未来的

工程学探索构成智慧的框架。

如果问题解答者是一名工程师，就不会要求他去解决已经解决了的问题了。

不论是改善已有的系统功能，还是创造新系统，工程师都将分析研究未解决的问

题。下面给出一般问题的解答步骤（多数属于在计算机之前应考虑的问题），以

便找到解决问题的方案和策略。

①确定什么是已知的，什么是待求的。在解答问题是，需要知道目的，以

便选择一条路径到达目的。需要解答或求解的问题是什么？有事目标是

明显的，有时则需要解释或者列出一直和未知信息清单或表格以便了解

目标。

②画电路图或者采用其他形式的模型。将口头描述的问题转化为形象的模

型是解答问题过程中经常使用的步骤。如果电路图已经提供了，则需要

在上面加一些信息，如标注、数值或者参考方向。也可以根据需要重新

画一个简单、等效的电路图。

③考虑几个解决方案并从中挑选一个方案。实际中有许多分析工具，每一

种工具都可以解决一些问题。有的方法在解题时可能比其他方法少用方

程式，有的方法在解题时只用代数方法而不需要微积分。如果能采用这

些方法，就会提高效率并能够有效的减少计算量。当用某种方案陷入困

境时，要想到换一种方法，这时可能会指出一条继续前进的道路。

④发挥创造性。如果怀疑答案错了，或者计算好像没能接近解答，应该暂

停并考虑替换方案。这时需要重新检查，或者选择另一种解决方案，或

者采取一种非常规的解决步骤，例如从结果到这推算。

⑤检验解答。问自己得到的解答是否有实际意义。答案的数量级是否合理，

解答能否在物理上实现，还可以进一步用其他方法重新解答问题，这样

做不仅检验了最初答案的正确性，而且还帮助开发了你的直觉，总之要

根据不同种类的问题找到最有效地解决方法。在现实世界中，安全的临

界设计总是要用几种独立的方法进行检验。养成检验答案的习惯，无论

是学生还是工程师，都会获益匪浅。

至此，本文着重介绍了电路在现实生活中的巨大作用，希望能够引起读者对

电路研究的兴趣。稍后又介绍了电路设计中的一般方法，希望能够对那些想进行

电路研究的人有所帮助。当然了只有你亲自参与其中，才能够真正体会到电路设

计的情趣，所以行动吧！