Представляем мировой бестселлер: “Искусство схемотехники. Теория и практика”

Вышла в свет долгожданная книга Томаса К. Хейса и Пола Хоровица “Искусство схемотехники. Теория и практика“. Эта книга не продолжение и не обновление, а дополнение к известной книге Пола Хоровица и Уинфилда Хилла “Искусство схемотехники”, которая впервые увидела свет в 1980 году.

В этой уникальной книге по схемотехнике содержится не только теоретический материал, но и полноценный курс лабораторных работ. Подробно рассмотрено применение аналоговых устройств (пассивных элементов, транзисторов, операционных усилителей), цифровых устройств (логических элементов, триггеров, счетчиков, ПЛМ, памяти, АЦП, ЦАП, ФАПЧ) и микроконтроллеров. Каждое из 25 занятий содержит две части: теоретический конспект и лабораторную работу. Занятие начинается с рассмотрения той или иной схемы, после чего предлагается реализовать ее на практике и изучить работоспособность. Занятия включают примеры с решениями и дополнительными пояснениями. Рассматривается язык описания аппаратных средств Verilog. В приложениях представлена общая информация по осциллографам, линиям связи, цоколевке микросхем, программам и т.п., а также даны советы по выбору деталей и оборудования. В книге очень мало математики, основной упор делается на интуитивный подход и практические навыки.

Изучаем искусство схемотехники

Этот учебник по схемотехнике необычен в нескольких отношениях.
Прежде всего, в нем содержится не только теоретический материал, но и полноценный курс лабораторных работ. Каждое из 25 ежедневных занятий начинается с рассмотрения той или иной схемы, после чего предлагается реализовать ее на практике и посмотреть, как она работает. Таким образом, студенты лучше воспринимают теорию и глубже понимают работу схемы, чем если бы просто изучали ее функционирование по соответствующим формулам.
Во-вторых, в данной книге рассматриваются схемы, которые при традиционном подходе к изложению схемотехники изучаются на более поздних этапах. Например, уже на третий день мы знакомимся со схемой радиоприемника, а на пятый — создаем операционный усилитель из нескольких транзисторов. Внимание в цифровой части курса концентрируется на использовании микроконтроллеров, но здесь попутно рассматривается мощный язык описания аппаратных средств Verilog.
В-третьих, переход от простого материала к более сложному происходит довольно быстро, но при этом никаких предварительных знаний электроники от читателя не требуется. Благодаря успешному погружению в разработку схем, студенты воспринимают материал на интуитивном уровне.

• Каждое занятие содержит две части: теоретический конспект и лабораторную работу, а многие также включают примеры с решениями и дополнительные пояснения.
• В приложении А приведено введение в язык Verilog,
• В отдельных приложениях предоставлена общая информация по осциллографам, электронным компонентам компании Xilinx, линиям связи, цоколевке микросхем, программам, и т.п., а также даны советы по выбору деталей и оборудования.
• В книге очень мало математики, основное внимание уделено интуитивному подходу и практическим навыкам.
• В последней главе продемонстрировано несколько проектов, созданных студентами, которые изучали курс схемотехники в разные годы.

Введение

И книга, и учебный курс

Эта книга предназначена для нетерпеливых. Для тех, кто горит желанием начать получать удовольствие и восхищение от практического применения электроники. В данном учебном курсе за двадцать пять дней занятий читатель усвоит то, что мы шутя называем “всей электроникой”. Конечно же, это далеко не вся электроника, но мы надеемся, что предоставленного материала будет достаточно, чтобы каждый желающий смог освоить азы схемотехники и начать разрабатывать схемы, работающие в полном соответствии с поставленной задачей.

В названии книги указано, что она одновременно является учебником. Это объясняется тем, что содержащийся в ней материал соответствует учебному курсу, который мы вместе с Полем Хоровицем преподавали в Гарвардском университете в течение свыше 25 лет. Но форма подачи материала такова, что изучать его мы рекомендуем по одному уроку последовательно день за днем.

Однодневное занятие: немного теории, лабораторная работа, практические задания и дополнительные материалы

В каждое ежедневное занятие входит не только обычное содержимое учебника по электронике — описание и объяснение новых схем, но также и лабораторная работа, позволяющая применить на практике полученные теоретические знания, собирая схемы, воплощающие теоретические концепции. Мы убеждены, что сборка схем позволит вам приобрести знания, которые не получить, просто читая описание их работы.

Кроме того, почти каждое занятие содержит практическое задание (с решением), а зачастую и дополнительные справочные сведения. Этот материал, например, как расшифровывать маркировку резисторов и конденсаторов, не обязателен для всех читателей, поскольку некоторые из вас уже знакомы с ним. А другие могут пропустить его, если не хотят тратить на него время при первом прочтении книги. С этим нет никаких проблем. Данный материал потому и называется дополнительным: он (подобно витаминным добавкам) может быть полезным, но без него вполне можно и обойтись.

Что нового в данной книге?

Если некоторые из вас уже имели возможность ознакомиться с изданной в 1989 г. книгой Пособие студента ко второму изданию книги The Art of Electronics (Искусство схемотехники)[1], стоит обратить внимание на основные различия между тем пособием и этой книгой. Прежде всего, данная книга написана как законченная и самодостаточная, тогда как пособие предназначалось для использования вместе с сопутствующей основной книгой. Перечислим наиболее важные различия между содержимым этих двух книг:

–     Аналоговая часть:

• В настоящей книге мы выделяем один день занятий интересной и непростой теме паразитных колебаний и способам их устранения;
• Также одно занятие посвящено сборке схемы типа ПИД для стабилизации цепи обратной связи, управляющей вращением двигателя. В такой схеме используются сигналы, представляющие три функции сигнала рассогласования, т. е. разницы между требуемым и имеющимся напряжениями: пропорциональная (П), интегральная (И) и дифференциальная (Д).

–     Цифровая часть:

• В этой книге рассматриваются программируемые логические устройства (ПЛУ или ПАЛ — программируемая матричная логика), программирование которых осуществляется с помощью высокоуровневого языка описания аппаратных средств (HDL[2]) Verilog;
• В разделе по компьютерам, завершающем данную книгу, внимание концентрируется не на микропроцессорах, а на микроконтроллерах. В отличие от микропроцессоров, для работы микроконтроллеров либо вообще не нужны дополнительные компоненты, либо их требуется очень немного, что делает микроконтроллеры наиболее подходящими для создания прикладных устройств, а не компьютеров.

–     Веб-сайт:

• Веб-сайт книги (https://learningtheartofelectronics.com) содержит намного больше материала, чем пособие, в частности там приведен машинный код программ. Список этих программ дается в приложении З.

[1] Имеется перевод книги The Art of Electronics на русский язык, причем эта книга переиздавалась многократно. См. напр. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах. Пер. с англ. — 4-е изд. перераб. и доп. — М.: Мир, 1993. — Ред.

[2] Англ. — Hardware Description Language.

Стиль изложения материала

Подобно учебнику для студента, материал данной книги подается в предельно неформальной манере. Многие рисунки специально нарисованы от руки, обозначения могут быть разными, а пояснения направлены на развитие интуитивного понимания работы схем, а не на точное математическое представление. Внимание концентрируется на разработке, а не на анализе схем. Кроме того, для сборки мы старались выбирать схемы, с которыми было бы интересно работать — нам нравится, когда наши устройства издают звуки (в удачный день они могут проигрывать музыку), и нам доставляет удовольствие наблюдать за вращением электродвигателей.

Кому подойдет эта книга

Чтобы извлечь максимальную пользу из данной книги, вам не обязательно быть похожим на студентов, которые проходят этот курс в университете, но вам может быть интересно знать, кто они такие, поскольку курс схемотехники создавался специально для них. Схемотехника преподается в трех разных вариантах. Большинство наших студентов изучают ее в течение осеннего и весеннего семестров дневных занятий. Около половины слушателей курса работают над дипломом бакалавра технических наук, а вторая половина уже прошла этот этап, и работают над дипломом магистра. Также обычно присутствуют несколько студентов из программы обмена с Массачусетским технологическим институтом, которые хотят получить ускоренное (и, надо сказать, менее подробное) введение в электронику, чем предлагается в их институте. (Студенты, работающие над дипломом специалиста в области электротехники в этом институте, не изучают наш курс. Его обычно предпочитают студенты, которые хотят получить менее формальное введение в эту область.)

Вечернюю версию курса в большинстве случаев изучают студенты более старшего возраста. Многие из них уже трудятся в этой области и им интересно узнать о содержимом “черных ящиков”, с которыми они работают. Большинство этих “ящиков” — просто компьютеры, а студенты — программисты. Иногда “ящиком” является лабораторное оборудование или система управления технологическим процессом, а студенты обслуживают эту технику и хотят глубже понять ее работу.

Ну, а в летней версии курса около половины студентов являются учащимися предвыпускного класса средней школы. Наиболее способные из них доказывают наше постоянное утверждение, что научиться разрабатывать схемы вполне можно, не зная большой объем теоретической физики или высшей математики. Некоторые из первокурсников нашего университета, изучающих обычную версию курса, также доказывают это утверждение (хотя большинство этих студентов на два-три года старше студентов летней версии).

И мы не можем удержаться, чтобы снова не упомянуть, как мы хвастались в введении в Пособие студента, что от случая к случаю наш курс берут профессора, или, по крайней мере, посещают наши занятия. Один из них недавно поймал одного из наших преподавателей за пуговицу в коридоре, когда он был в нашем университете, чтобы прочитать лекцию. — Ну, Том, — сказал он — из одного из твоих студентов наконец-то получился толк. — Таким образом он скромно высказался о факте недавнего вручения ему Нобелевской премии. Сказать, что мы помогли ему получить премию, мы к сожалению не можем, но приятен сам факт, что он был нашим студентом.[1]

Возможно, один материал в книге покажется вам слишком элементарным, а другой — чрезвычайно сложным. Но это вполне допустимо, поскольку рассматриваемые темы знакомы вам в различной степени. Для некоторых из вас, например, для опытных программистов, программирование на ассемблере, рассматриваемое под конец курса, не будет представлять никаких трудностей, тогда как для других это будет тяжелой задачей. Но это не представляет никаких проблем. Учебный курс, на котором основана данная книга, слывет занимательным и легким с одной стороны, но трудным с другой. Нетрудный он благодаря простым концепциям и малому количеству абстракций. Но студентам сразу предоставляется весьма большой объем информации за короткое время, и ожидается, что они ее за это время усвоят. Наш курс во многом похож на начальный курс изучения иностранного языка, и мы хотим использовать в нем метод обучения, который иногда называется погружением. Самый лучший подход к обучению — выполнение лабораторных работ. Мы надеемся, что эта книга поможет сделать такие упражнения полезными. Но, учитывая склонность современного общества к решению многих проблем в судебном порядке, я хочу рекомендовать вам обратить внимание на юридическое уведомление в конце введения.

[1] Это был Франк Вильчек (Frank Wilczek). Он действительно некоторое время посещал наш курс и тихо сидел в задних рядах, надеясь получить какие-либо озарения по теме, над которой он работал. Если это и удалось, то, скорей всего, не у нас.

Основа: книга The Art of Electronics

Когда Поль Хоровиц поставил курс схемотехники 40 с лишним лет назад, вместе с Уинфильдом Хиллом (Winfield Hill) они написали книгу, разные издания которой служили в качестве учебника. Книга The Art of Electronics (Искусство схемотехники) сейчас уже многократно переиздана (мы будем сокращенно называть ее далее АоЕ), она остается справочным материалом, на который мы полагаемся в нашем курсе. Но для изучения нашего вводного курса схемотехники эта книга несколько избыточна. В ней охватывается настолько много материала и так подробно, что она может вызвать “интеллектуальное несварение” у студентов, только начинающих изучать электронику. Но мы убеждены в том, что некоторые наши студенты и читатели захотят взглянуть более подробно на предметы, излагаемые в нашей книге, и чтобы помочь таким энтузиастам мы далее будем ссылаться на книгу АоЕ. Читатели, у которых есть доступ к книге АоЕ, могут извлечь из нее дополнительную информацию.

Аналоговая и цифровая части: варианты подхода к изучению

В стандартной версии учебного курса мы проходим весь материал книги за один семестр в течение тринадцати недель. В вечерней версии курса, студенты посещают занятия раз в неделю, мы проходим этот же материал за два семестра. В первом семестре (занятия 1–13) изучается аналоговая часть, а во втором (занятия 14–26) — цифровая. Мы знаем, что некоторые другие учебные заведения применяют такой же подход, разбивая материал на аналоговую и цифровую части. Но вполне можно изучать цифровую часть материала перед аналоговой. Только в первом занятии по цифровой части (когда мы собираем логический элемент из МОП-транзисторов) студенту потребуются некоторые дополнительные сведения в аналоговой схемотехнике. Но, по большому счету, при изучении цифровой части курса устройства рассматриваются, как “черные ящики”, для работы с которыми нет надобности изучать их внутреннюю структуру и принцип действия. Все что нужно знать — это свойства их входов и выходов, но для этого не требуется никаких особых знаний аналоговой электроники.

При необходимости учебный курс можно несколько сократить. Исключение любого лабораторного занятия из курса было бы нежелательным, но в летней версии курса, которая длится чуть больше шести недель, десятое лабораторное занятие (по ПИД-контроллеру для электродвигателей) является факультативным. Также в летнем курсе отсутствует интересное, но не обязательное цифровое лабораторное занятие 20L, на котором студенты собирают устройство собственной разработки.