半導體/電子元器件發展到今天已經有幾百種類別、上億種不同的型號，如果不能系統地理解一個電子產品的構成，就很難在新的產品設計中根據系統的要求選用合適的型號。

這里我們就對一個典型的電子產品做功能的分解，看看它的基本構成以及每個功能模塊的電路要素。

所有電子產品都是用電信號對物理世界進行表征和計算的過程

我們先上升一定的高度來看看 - 所有的電子產品都是用電信號對我們身處的物理世界進行表征和計算的過程：先通過各種傳感器將物理世界的“物”和“事”（變化的物）轉變為電信號，也就表征的過程。模擬信號鏈路以及后續的數字信號處理、大數據/云計算/人工智能等都是對獲取的電信號進行計算，提取出有用的信息，以達到對物理世界的認知。通信傳輸、存儲回看（電影、電視）等都是消除掉4維的時空對人認知的限制而已。

我們都知道，電信號里最基本的關系就是歐姆定律 V（電壓） = I（電流） * R（阻抗）。

歐姆發現的定律 - 電路中電壓和電流的關系

下圖是與電路相關的一些基本知識，相信大家都已經有所了解。這些是我們設計電路、設計PCB的理論基礎，配合對各種器件功能、性能的理解以及電磁場理論的分析，就構成了我們硬件工程師設計PCB的基本知識體系。

基本電路理論

所以，電路理論最基礎也是最核心的 - 歐姆定律，取決于構成電路回路的器件不同 - 電阻、電感、電容導致的阻抗也不一樣，尤其是具有儲能功能的元件電感和電容，它們的阻抗與電信號的頻率也有關系。

除了從我們習慣的時域來處理和理解信號之外，與之相對應的頻域也是非常重要的一個維度，能獲取更多通過時域手段無法實現或者實現難度較大的處理和認知。

今天我們越來越多地通過對模擬信號進行數字化以后在數字域進行更多形式的變換，從更多其它的維度對信號進行處理和解析。

下面我們就一個典型的電子產品系統看一下其主要的構成，大致可以分解為下圖中的幾個部分，很像是我們的器官：

典型電子產品的設計構成

主處理器/存儲器 - 大腦/記憶單元，用于計算/存儲

電源 - 胃，為整個產品的各個組件提供能源

時鐘 - 心臟，為整個系統提供統一的節拍，驅動整個系統的運行

輸入信號調理/數字信號處理 - 很像我們的神經系統

傳感器 - 各種感知器官

我們要做的就是將每個部分有機地組織在一起，形成一個可以協調工作、能進行多任務處理的系統。

電源部分：

電子產品的供電和電源管理主要構成

這部分用于產生電子產品的各個電路部分需要的能源，它的輸入一般是來自220V的交流供電、通過USB端口的5V直流供電或事先存儲在電池上的能源，源源不斷提供給產品的每一個電路模塊。每個模塊對電壓、電流、紋波的要求是不同的，我們需要根據每個模塊的要求設計電源的拓撲結構以實現每個模塊需要的性能，并做到最小的能量浪費（整體轉換效率最高）、最低的系統成本。

傳感器：

物聯網（IoT）中用到的主要傳感器

傳感器相對應于我們的感知器官，每一種新的傳感器的出現都會給我們帶來對物理世界一個新維度的認知，比如GPS、照相機、姿態傳感器等都讓電子產品給我們的生活帶來巨大的變化。傳感器的輸入是物理世界的物理量（光線、位置、溫濕度等），其輸出為代表這些物理量信息的表征電信號，以通用的接口方式（I2C、SPI等）同處理器進行連接。隨著工藝的提高，越來越多的預處理（計算）功能都集成在傳感器芯片內了，大大簡化了后續鏈路的復雜度并降低了MCU（大腦）的負荷。

模擬鏈路 - 幅度的放大/衰減和信號帶寬的控制

運算放大器的幾種基本配置

模擬信號鏈路主要是對輸入的信號進行“計算”處理，由于表征任何信號的參數主要為兩個 - 信號的幅度（強度）以及信號的頻率（隨時間的變化），因此對于信號的“計算”處理也就是圍繞著這兩個參數進行的。首先是對幅度的調節 - 放大或縮小，所用的器件就是放大器或衰減器（其放大或縮小的量通常以dB來表示）。因為輸入信號的幅度范圍可大可小，也就是說其動態范圍的大小，設計的電路要滿足輸入信號在要求的變化范圍內都能夠達到預期的效果，就要對模擬電路的類型、增益等進行合理的設定。

模擬信號調理 - 頻域：濾波器（以低通濾波器示例）

表征信號的另一個重要參數是頻率，因此對模擬信號的頻域處理（也就是濾波器）也是模擬信號鏈路的一個重要部分，根據我們要提取的信號的頻率在輸入信號頻域中的位置可以分為高通、低通、帶通、帶阻等等。濾波器的重要指標：帶內信號的衰減和波動要盡可能小，帶外信號的衰減要盡可能大，抑制度要盡可能高等。實際的電路要綜合考慮器件的特性、成本、信號的組成等多種因素，因此實現的方式也有多種 - 貝塞爾、巴特沃斯、切比雪夫、橢圓等，要根據實際的情況選用合適的濾波器方式。

任何電路都不可能只處理其中一個參數而對另一個參數沒有影響，因此無論是放大器還是濾波器都會對這兩個參數造成影響，只不過主次不同而已。在實際的電路設計中要綜合考慮這兩者的要求。

設計中可以基于器件的SPICE模型數據進行模擬電路的仿真，以確定你選用的器件構成的電路拓撲是否滿足對輸入的模擬信號在幅度和頻率方面處理的要求。

對模擬電路的仿真我們會在單獨的文章中進行討論。

ADC和DAC

通過ADC從模擬到數字，再通過DAC從數字到模擬的波形變化

模擬鏈路處理完的信號還是模擬量，要對這些信號進行數字處理（有很多好處），就必須先對這些信號進行量化，也就是模擬/數字轉換（ADC）。反過來如果要將數字信號轉換到模擬信號，就需要數字/模擬轉換（DAC）。因此ADC和DAC是連接模擬電信號世界和數字電信號世界之間的橋梁。

ADC和DAC最重要的幾個指標：

分辨率，也就是轉換的精度，以bit為單位。分辨率越高，對模擬信號的數字表征也就越逼真，當然成本也就越高，后期的數字化處理需要的資源也就跟著上升。分辨率的選取需要根據待處理信號的性質以及信號本身的信噪比進行選擇。

轉換率，單位為sps（每秒的采樣率）。轉化率越高，也就意味著在時域上精度越高，當然成本也就越高。轉化率的選取要看被轉換的信號的時域變化情況。

SFDR - 無雜波動態范圍

接口方式 - 并行、串行

當然還有供電電壓、功耗、封裝、成本等等指標對于ADC、DAC的選用也非常重要。

數字邏輯

可編程邏輯器件FPGA的內部主要功能

量化的數字信號需要在數字域進行進一步處理，最合適的器件就是可編程邏輯器件（PLD），其中FPGA是目前PLD中的首選器件，全球FPGA器件的供應商主要有：Xilinx、Altera/Intel、Lattice、Microchip（原來的Microsemi）四家，每家的定位不同，在不同產品線上可以選用不同廠家的不同產品系列。

選用FPGA最關心的就是其內部的資源是否夠用、合適，比如：

邏輯資源

存儲資源

運行速度

可編程IO的數量及支持的協議

是否有定制化的功能模塊（硬核處理器、DDR接口、SPI總線、I2C總線）？

當然除了資源以外，支持的IP Core、編譯系統是否好用、封裝是否合適、供電是否方便等都是選型中要考慮的因素。

處理器/控制器

微處理器是電子產品的中心，通過其外設接口連接各種器件

處理器/控制器乃是電子產品的大腦部位，它通過可編程的軟件負責各項任務的協調、同外界的輸入、輸出、控制等功能。處理器的發展史上有不少經典的架構，比如8位的8051、PIC、AVR等，32位的MIPS、PowerPC、ARM等，目前ARM Cortex 已經成了嵌入式系統中的主流架構，除了處理器/控制器之外，芯片內同時集成了各種存儲器管理并內置存儲器、外設管理并各種常用的外設接口等等功能，成為了SoC（片上系統）。

微處理器/控制器的主要提供商有ST、NXP、Microchip、TI、ADI、Silicon Labs、瑞薩、英飛凌等等，這些器件廠商都曾擁有自己獨特的架構，但目前全部都以Arm為主流，并結合自己的優勢進行差異化，定位不同的市場應用。架構的統一給我們的選型帶來了便捷，同時開發也變得更加簡單，但每個廠商還是有不同的地方需要我們在選型的時候注意比較。

網絡通信

各種主流的無線通信系統支持的傳輸速率和距離

通信的作用是實現不同個體之間基于約定的協議進行的信息傳輸，從大的類別上可以分為有線通信和無線通信，比如UART、USB、以太網、SPI、I2C等都屬于有線通信，WiFi、藍牙、ZigBee、3G等都屬于無線通信。每種通信方式都有優勢、局限性以及其特定的協議，因此我們在產品的設計中需要根據功能、性能的需求來選定適當的通信模式。