运算放大器（Op-Amp，Operational Amplifier）是一种对信号具有放大功能的电路，使用时通常与反馈网络组成相应的功能模块。其能够对输入信号进行 加、减、微分、积分 等数学运算之后再进行输出，被广泛应用于信号处理、仪器仪表等领域。美国仙童（Fairchild）公司于 1965 年先后推出了商业化的集成电路运算放大器 μA702 和 μA709，标志着运算放大电路运放进入了集成电路时代。该公司于 1968 年再推出了极为经典的 μA741 运算放大器芯片，至今仍在被广泛应用。

伴随近几年，运算放大器电路设计与制造技术不断进步，各种类型的运放芯片百花齐放。例如：差分运放（差分输入并且差分输出）、仪表放大器（具有极高的共模抑制比和输入阻抗）、差动放大器（通过集成激光校准的紧密电阻器，实现精确的增益）、程控增益放大器（增益由数字信号进行设定）、压控增益放大器（增益由外部施加的电压控制）、隔离放大器（输入端与输出端之间存在 电容、电感、光电 等方式的电气隔离）、轨到轨运放（输入和输出电压可以接近电源电压的范围），乃至于能够直接实现特定功能的 电流检测放大器（能够检测采样电阻两端的微小电压差，且能够工作在远高于自身电源电压的的共模电压之下）等。

分贝（dB，Decibel [ˈdesɪbel]）是一个用于衡量声压等级、信号功率强度的对数无量纲单位，该单位来源于美国的电话发明家贝尔 Alexander Graham Bell 的名字，是从单位贝尔（B，Bel）衍生而来，即一贝尔等于十分贝 \(1Bel = 10dB\)，其最初被用于贝尔实验室长途电话线路损耗的计量，从而解决线性度量单位无法描述超过 \(10^{14}\) 数量级的信号强度问题，而后成为 声学、电子、通信 等领域的通用计量单位。

分贝并不是一个线性的绝对数值单位，其反映的是两个相同单位物理量的比值，在取对数之后再分别乘以 10（功率类参数，例如 声音功率、电功率）或者 20（场量类参数，声压、电压、电流、场强），其反映的是相对量级，而非绝对的数值。总而言之，由于分贝采用了对数 \(y = \log_a x\) 来作为单位的标度，从而能够极大的压缩数值范围以及简化计算，同时也更加适配人类听觉以及信号传输的非线性感知特性。

IEEE1394 是一种高速实时串行通信总线标准。最早由美国苹果公司推出，被称作火线（FireWire）接口，相关专利主要由美国的苹果（Apple）、德州仪器（TI）和日本的索尼（SONY）、松下（Panasonic）、东芝（Toshiba）、日立（HITACHI）、佳能（Canon），韩国的乐金（LG）以及欧洲的飞利浦（Philips）、意法半导体（ST）等商业公司持有。但是进入到 2011 年之后，苹果公司开始引入更加快速的 Thunderbolt 接口来取代 FireWire 标准，并于 2015 年之后逐渐过度到符合 USB 3.1 规范的 USB Type-C 接口，目前在消费类电子领域已经比较少使用该接口标准。

然而得益于 IEEE1394b 简单的线束结构，该协议的应用也从消费类电子领域，扩展到航空航天领域。美国汽车工程师协会（SAE，Society of Automotive Engineers）基于 IEEE1394b 规范，增加了通信的确定性（包括网络拓扑预分配、强制根节点、带宽预分配、帧开始数据包同步、异步流数据包、静态分配通道号）和可靠性（纵向奇偶校验、健康状态字、心跳字、控制计算机 分支状态字）相关的约束，进一步制定出了适用于航空航天领域的《SAE AS5643B-2016》标准。

楷登电子 推出的 Cadence SPB（SPB 是 Silicon、Package、Board 三个英文字母的缩写）整合了原理图绘制工具 OrCAD 和 PCB 版图设计工具 Allegro 以及电路仿真工具 PSpice，已经成为了业界领先的电子设计自动化（EDA，Electronic Design Automation）工具链。伴随电子系统复杂度的日益提升，如何运用工具当中提供的各种功能来应对设计挑战，业已成为了广大电子硬件工程师们亟需掌握的技能。

关于 OrCAD 和 Allegro 的基础操作，已经在五年之前所撰写的《写给有经验 PCB 工程师的 Cadence SPB 17.4 极速上手指南》这篇文章当中进行过图文并茂的阐述，而本文则主要聚焦于实际应用中的高频痛点，提炼出经过验证的 操作技巧 和 配置方法。希冀能够帮助广大的电子硬件工程师，更加合理与熟练的使用 Cadence SPB 工具套件进行原理图和 PCB 版图的绘制，从而有效的提高研发工作效率，进而得心应手的面对各类纷繁复杂的设计挑战。

现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）是一种高性能、低延时、可重构，拥有高速并行运算能力，并可定制性能与功耗的可编程数字逻辑芯片，最早由 1984 年创立的赛灵思（Xilinx）公司推出，该公司由 Ross H. Freeman 和 Bernard V. Vonderschmitt 共同创办。不同于专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）固定的内部电路连接和逻辑功能。FPGA 的内部电路连接和逻辑功能，都可以通过编程来灵活的定义。

目前全球 FPGA 的市场份额主要集中在赛灵思（Xilinx，2020 年被 AMD 收购）和阿尔特拉（Altera，2015 年被 Intel 收购）两家美国企业手中，余下的市场份额同样由美国的莱迪思（Lattice）和美高森美（Microsemi）两家公司占据。国产 FPGA 芯片产业起步较晚，产品性能与专利积累较为薄弱，目前主要有 深圳紫光同创、上海安路科技、广东高云半导体、上海复旦微电子、西安智多晶、深圳易灵思、北京京微齐力、成都华微电子 等芯片研发厂商。

早在 1972 年，就职于美国施乐 Xerox 公司的 Robert Metcalfe（被称作以太网之父）与另外两位学者，协作发表了一篇名为《以太网：区域计算机网络的分布式包交换技术》的文章，并在不久之后获得了《具有冲突检测的多点数据通信系统》专利，以太网（Ethernet）技术的雏形就此诞生。至此以太网相关的标准不断演进，诞生了标准以太网(10 Mbit/s)、快速以太网(100 Mbit/s)、千兆以太网(1000 Mbit/s)、万兆以太网(10000 Mbit/s)等一系列标准。

以太网的底层工作机制基于载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议，从而确保多个设备在相同的物理介质上通信。当其中一个设备有数据需要发送时，会先监听线路上是否存在其它信号，线路空闲就开始传输数据，线路繁忙则等待直至线路可用为止。如果在传输过程当中发生了碰撞（即两个设备同时发送数据导致信号叠加），设备就会检测到这种情况并且发送阻塞信号，然后等待随机时间之后再进行重试。

控制器区域网络（CAN，Controller Area Network）总线协议规范正式发布于 1986 年，由德国博世公司为解决汽车电子系统当中，复杂的线束问题而设计。1991 年发布的 CAN 2.0 A/B 规范的推出标志着其开启了标准化的进程。1993 年推出的 ISO 11898 标准进一步巩固了其国际规范地位。伴随汽车电子和工业控制增涨的通信需求，2012 年发布的 CAN FD 进一步提升了带宽与数据长度。而 2020 年发布的 CAN XL 则能够支持更大数据量的传输，从而适应未来的智能化场景。

CAN 总线协议发展至今日，已经以其 低成本、高实时性、高可靠性、优秀的抗干扰能力，成为当下使用极为广泛的标准化串行通信协议，被大面积运用于 工业控制、汽车电子、航空航天 等对于可靠性要求较高的领域。众所周知，理工类技术的最佳学习方式，往往需要基于最为直观的理解，而大量的示意图和表格正是化繁为简的利器。本文就将通过一系列丰富的图片与表格，来展示 CAN 总线协议的各个技术细节，以便让大家能够快速的理解这款倍受工程师欢迎的总线通信协议。

磁场定向控制（FOC，Field-Oriented Control）是一种用于无刷电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）的矢量控制算法，其核心思想是将电机定子的电流分解为两个正交的分量：用于产生 磁场 的励磁分量 d 轴和用于产生 转矩 的转矩分量 q 轴。通过对电机的 转矩 和 磁场 进行独立的控制，从而达到快速响应和精确控制的目的，并且降低运行时的噪音和振动。整个算法处理过程可以大致划分为坐标变换、电流控制、逆变换、SVPWM 空间矢量调制 四个阶段。

坐标变换阶段：将三相定子电流（\(I_a, I_b, I_c\)）通过 Clarke 变换转换为两相静止坐标系（\(I_\alpha, I_\beta\)），再通过 Park 变换将静止坐标系转换为旋转坐标系（\(I_d, I_q\)），其中 \(I_d\) 控制磁场，\(I_q\) 控制转矩。电流控制阶段：通过 PI 控制器 调节 \(I_d\) 和 \(I_q\)，使其跟踪参考值。\(I_d\) 的参考值通常设置为零（永磁同步电机）或根据需要进行调节（无刷电机），而 \(I_q\) 的参考值由转矩需求决定。逆变换阶段：将旋转坐标系下的电压（\(V_d, V_q\)）通过逆 Park 变换转换回静止坐标系（\(V_\alpha, V_\beta\)），再通过逆 Clarke 变换生成三相电压信号，用于驱动逆变器。空间矢量调制阶段：将生成的电压信号调制为 PWM 信号，控制逆变器开关驱动电机。

内置集成电路总线（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，其英文缩写为 I²C，因为中间存在 2 个英文字母 I，所以被读作 I Square C，中文读作 I 平方 C 或者 I 方 C 总线。本文后续内容为了书写方便，会将 I²C 简写为 I2C。该总线协议需要串行数据线（SDA，Serial Data）和串行时钟线（SCL，Serial Clock）两条信号线，接线方式较为简单，通常用于连接微控制器、存储器、传感器等低速元器件。

在 I²C 总线通信协议当中，规定总线上可以存在一个主设备以及多个从设备。主设备掌控着整个通信过程，负责发起、控制、停止通信。而从设备则需要等待主设备请求、接收、发送数据。主设备与从设备之间的数据交换采用特定的数据帧格式，每个数据帧包含有 地址、数据、控制 信息。主设备会根据从设备的 I2C 地址来选择总线上需要进行通信的外设，从设备则根据控制信息返回相应的响应。

电源用于在电路当中将其它形式的能量转换为电能，日常工作当中主要运用的是化学电源（碳性电池、碱性电池、锂电池、镍氢电池、铅酸电池）、开关电源（效率高、体积小、重量轻）、线性电源（输出电压稳定，纹波系数小）三种类型。在之前的《锂离子电池技术参数简明选型指南》这篇文章当中，已经详细阐述了锂离子电池的性能指标与选型思路。本篇文章则从线性电源的原理入手，逐步引出开关电源的知识，并且分门别类的讨论了几种常见的拓扑结构。

线性电源（Linear Power Supply）的调整管工作在线性状态（放大），开关电源通常是在对输出电压进行采样之后，会将其与参考电压一同送入比较放大器，然后通过其输出的控制信号作为调整管的输入，从而达到通过调整管控制电源输出电压的目的，但是由于调整管工作在放大区，其本身会发热并且消耗电能，因而转换效率相对较差。而开关电源（Switching Power Supply）的功率开关管工作在开关状态（饱和 与 截止），主要是通过调整功率开关管的通断时间（占空比）来改变输出电压。由于功率开关管切换状态时耗散的功率比较少，产生的废热也比较少，相对而言更加节能，属于机电产品当中主流的电源形态。

比例-积分-微分（PID，Proportion Integration Differentiation）是一种广泛运用于自动化控制领域的经典算法，属于众多控制算法当中最能够体现反馈思想的算法。该算法由 Nicolas Minorsky 于 1922 年船舶舵机控制理论的研究当中提出，随后以其卓越的性能和易于实现的特性，在 温度控制、电机调速、过程控制 等诸多领域逐渐普及。无论是简单的单变量系统，还是复杂的多变量系统，PID 控制算法都能通过调节 比例、积分、微分 三个参数实现精准的控制。

例如把一台无刷电机连接到额定输出电压为 12V 的锂电池组，然后通过一个占空比为 50% 的 PWM 波进行驱动，刚开始的时候电机运行速度很快且扭矩充足，但是随着时间的流逝，锂电池的放电电压逐步下降，开始影响到电机的转速和转矩。如果这块锂电池组刚充满的时候，输出电压为 12V，PWM 波占空比为 50%，那么作用在电机两端的等效电压为 \(12V \times 50\% = 6V\)。放电持续一段时间之后，锂电池电压降低至 9V，此时电机两端的等效电压也会降低到 \(9V \times 50\% = 4.5V\)，电机的转速和转矩开始出现明显的下降。如果需要在锂电池的整个放电周期当中，保持电机 转速 和 转矩 的稳定，就有必要引入这里将要介绍的 PID 控制理论。

直流无刷电机（BLDCM，Brushless Direct Current Motor）没有电刷和换向装置，需要采用 PWM 脉冲波来进行控制，相比于传统的直流有刷电机，其交换了定子与转子的位置（线圈绕组作为定子，钕硼永磁铁作为转子，以霍尔传感器取代碳刷进行换向），相比于传统的直流有刷电机，无刷电机需要配备专门的驱动控制电路，但是其具备更高的效率，并且能耗和噪音更低，可以伺服控制，并进行无级变频调速。

普通有刷电机发生旋转的部分是绕组，而无刷电机无论是 内转子 还是 外转子 结构，其旋转的部分（转子）永远都是永磁体（钕铁硼磁铁）。而其定子则属于产生旋转磁场的部分，主要由 硅钢片 和 绕组 构成，本文旨在简单明了的介绍无刷电机的相关工作原理，作为后续撰写 FOC 矢量控制算法相关内容的铺垫。

自从 1883 年电子管作为人类第一个电子元器件诞生以来，电子元器件的发展历程，见证了人类科技进步的辉煌成就。从最初的 电阻、电容、电感 等基础元器件，发展到 晶闸管、场效应管、IGBT 等半导体元器件，再进一步发展到现如今各种琳琅满目的微处理器、微控制器、传感器。电子元器件的功能越来越强大，体积越来越小，集成度越来越高。这些变化不仅极大地提升了电子产品的性能和可靠性，也为我们带来了更加便捷与智能的生活方式。

电子元器件如同电子设备的细胞，承载着实现各种复杂功能的基础任务，它们是电路设计和调试中不可或缺的元素。实际的电路设计过程当中，各类电子元器件的选择、连接、调试都至关重要，正确的选型能够确保设备的性能和稳定性，而合理的连接方式更是能够降低信号的损失与干扰。本文旨在以简单明了的方式介绍 电阻器、电容器、电感器、变压器、二极管、三极管、晶闸管、场效应管、IGBT 等常用分立式电子元器件的参数与选型注意事项。

电子工业联盟（ECIA，Electronics Industry Alliance）是一个由美国电子产品生产制造企业组成的一个组织，由其 EIA 标准化委员会 提出的 E 系列标准参数值（E-series）是现代全球电子工业当中，电阻器、电容器、电感器、齐纳二极管等分立式电子元器件的标准参数值系统，其主要包括 E3、E6、E12、E24、E48、E96 和 E192 七个系列，每个系列都对应着不同的精度与误差。基于产品通用性和兼容性的考量，目前全球各大半导体企业都基于该标准生产制造分立式元件。

系统电源树乃至于开关电源的设计，是广大电子工程师在日常工作当中，绕不开的一个重要环节。而在开关电源的选型设计过程当中，经常需要使用精密电阻器作为 DC-DC 电源芯片的外围配置电阻。但是临时抱佛脚在网络上检索的标准取值往往不够严谨与权威，难以保证参数值选取的准确性。所以我才基于 EIA 标准化委员会的相关官方资料，整理并且撰写了本文，便于在日常工作当中快速的确定各种精密分立式元器件的电气参数。

锂离子电池是一种采用锂金属化合物作为正负极材料，中间再填充电解质溶液的化学电池，属于一种可反复充放电的二次电池。内部主要依靠锂离子在正极与负极之间的移动来进行充放电。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间不断的往返，嵌入正负极材料或者从正负极材料当中脱嵌。例如在充电时，锂离子就会从正极材料脱嵌，穿过电解质溶液之后再嵌入负极材料，使得负极逐渐呈现出富锂状态，而在放电的时候这个化学过程正好相反。

长期以来，围绕锂离子电池安全性的话题层出不穷，大量的行业规范与政策法规，伴随着锂离子电池的大规模市场化应用而被不断推出。自从 2024 年 8 月 1 日起，我国已经对锂离子电池实施 3C 强制认证管理，未获得 3C 认证并且标注 3C 认证标识的锂电池产品，将不得出厂进行销售和进行其它经营活动。本文总结了各类锂离子电池材料的特性，以及选型过程当中的一些重要事项，希冀能够对于广大电子工程师的物料选型工作有所裨益。

集成电路仿真程序（SPICE，Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis）是一款以文本进行描述，可以通过数学方法来预测电路行为的仿真工具，也是电子自动化设计与现代半导体工业的基石。其被广泛应用于模拟电路（例如运放算放大器、稳压电源，模数与数模转换等），混合信号电路（锁相环、存储器、高速 GPIO），精密数字电路（延时、时序、功耗、漏电流等）等场景的模拟与仿真（大型电子元器件生产企业通常都提供了元件配套的 SPICE 模型）。

亚德诺半导体公司（Analog Devices）推出的 LTspice 是一款界面简洁，但是功能强大的免费 SPICE 电路仿真工具，其可以基于原理图快速准确的生成仿真结果，并且将这些结果通过内置的波形查看器进行展示，除此之外还内置有丰富的 SPICE 模型（包含有基本的无源元件以及 ADI 公司的电源管理和信号链产品），可以预先为模拟电路的设计以及元器件的选型提供重要的实验数据参考，从而降低电路设计过程当中产生的各种试错成本，有效的提高设计工作效率。

伴随近几年集成电路制程工艺的进步，PCB 传输线上信号的频率逐年提高，非常容易导致信号在传输过程当中，由于受到传输线的阻力而出现插损（插入损耗，单位为分贝），这种信号在传输过程中受到的阻力被称为特性阻抗或者特征阻抗。换而言之，如果信号在传输过程当中，传输路径上的特征阻抗发生了变化，信号就会在阻抗不连续的结点发生反射。因而 PCB 上的传输线仅仅只解决通和断的问题还远远不够，还需要进一步确保其传输链路上特性阻抗的匹配和连续。

英国宝拉 POLAR 公司推出的 Si9000e，正是一款这样可以预测 PCB 走线阻抗的计算工具，该工具已经成为高速电路设计当中，必不可少的辅助工具。该工具提取了 100 余种 PCB 传输线的典型结构，并且基于这些结构对指定频率下的传输线阻抗进行建模计算。Si9000e 将影响 PCB 传输线阻抗的主要因素：板材厚度、顶层走线宽度、铜泊厚度、走线周围的包地间距、表面绿油的厚度 作为输入参数，就可以计算出表面单端/差分和共面单端/差分类型走线的阻抗。

早在新冠疫情爆发前的 2019 年，就曾经撰写过一篇关于 ARM 标准库的技术长文 《意法半导体 STM32F103 标准库典型实例》 ，文章非常详尽的介绍了各种常见片上外设资源的应用。时至 4 年以后的今天，国产微控制器在工程实践领域已经得到了广泛运用，因而基于兆易创新 推出的国产 ARM 微控制器，设计和制作了 UINIO-MCU-GD32F350RBT6 这款开源核心板，同时撰写了本篇文章作为配套的资料教程，希冀为国产芯片的商业化普及尽自己一份绵薄之力。

UINIO-MCU-GD32F350RBT6 是一款采用 LQFP64 封装的 GD32F350RBT6 微控制器核心板，基于 ARM Cortex-M4 内核架构，主频高达 108MHz，拥有 128K 容量 Flash，以及 16K 的 SRAM。而 UINIO-MCU-GD32F103C 采用 LQFP48 封装的 GD32F103Cxxx 系列微控制器（包括 GD32F103CBT6、GD32F103C8T6、GD32F103C6T6、GD32F103C4T6），基于 ARM Cortex-M3 内核架构，主频达到 108MHz，拥有 16K ~ 128K 容量 Flash，以及 6K ~ 20K 的 SRAM。

楷登电子 Cadence 推出的 Allegro/OrCAD SPB 是一款专业的板级 EDA 工具，其融合了原理图设计、电路仿真、PCB 绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析、设计输出 等功能，经常被运用于高速 PCB 设计场景。撰写这篇文章的目的，是为已经具备有其它 EDA 使用经验的工程师，快速的上手 Cadence SPB 全家桶设计套件。本文撰写时所采用的是 Cadence SPB 17.4 版本，并且将补丁更新至 Hotfix_SPB17.40.037，该版本的基础操作与快捷键，与目前最新的 23.1 版本基本相同，且两者的工程文件相互兼容，无需进行任何额外的数据转换。全文提供了清晰的目录结构，便于读者按图索骥与查缺补漏。

Cadence SPB SPB 17.4 版本于 2019 年推出，在兼容早期 17.2 和 16.6 版本工程文件的基础之上，还进行了一系列全新的功能升级。其在老版本基础上新增了一套暗黑主题，并且对工具栏的图标以及主界面的窗口进行了重组。最为重要的更新在于支持从原理图直接创建 PCB，且可以方便的实现两者的同步操作。除此之外，还提供了 Web 搜索功能，可以方便的从 Samacsys 和 Ultra Librarian 下载 原理图符号、PCB 封装、数据手册 以及 3D 模型。

树莓派 RP2040 是一款采用 ARM Cortex-M0+ 双核心的微控制器，运行频率高达 133MHz，片上内置有 264KB 容量的 SRAM 内存，并且能够外接高达 16MB 容量的片外 Flash 闪存（通过 QSPI 总线连接），内部还集成有 DMA 控制器，以及 30 个 GPIO 引脚（其中 4 个可用作模拟输入）。除此之外，片上还拥有 2 个 UART 控制器、2 个 SPI 控制器、2 个 I²C 控制器、16 个 PWM 通道，以及 2 个可编程 PIO（Programmable I/O）块，并且支持 USB 1.1 主机和设备模式。

UINIO-MCU-RP2040 是一款基于 RP2040 的开发板，板载 Flash 采用更为小巧的 WSON8 封装，添加 SOD123 封装的肖特基势垒二极管防止正负级反接，同时增加用于全局异步复位的 RESET 按钮，并且引出了官方 Pico 开发板所没有的 GPIO23 和 GPIO24 两个引脚资源。除此之外，由于模数转换引脚内部集成有连接至 IOVDD 的反向二极管，所以采用 FET 场效应管 DMG1012T 防止 RP2040 未上电时，这些引脚上施加的电压通过 ADC3 引脚泄露至 3.3V 电源网络。