嵌入式硬件工程师杂谈--Part One
本帖最后由 OneAnswer 于 2025-2-12 16:29 编辑#申请原创#@21小跑堂
这个系列的文章打算把自己的硬件学习过程做一次全面的梳理，梳理个人学习过程以及容易忘记的硬件知识，用作记录和回忆复盘之用。接下来进入正文。嵌入式硬件也属于广义硬件开发的一部分，只要是硬件开发，就一定会涉及基础的电子元器件，这部分内容虽然基础但是至关重要，毕竟基础不牢，地动山摇。接下来就先从阻容感说起：
[*] 电阻
电阻是电子电路中最基本的元件之一，主要用于限制电流、分压、分流等，电阻的符号为R，单位是欧姆（Ω）。根据欧姆定律，电阻两端的电压（V）与通过电阻的电流（I）成正比，关系式为：V=I x R
电阻大致可分为三类：固定电阻，可变电阻，特殊电阻。
[*] 固定电阻：阻值固定，常见类型有碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等。
[*] 可变电阻：阻值可调，包括电位器和变阻器。
[*] 特殊电阻：如热敏电阻（阻值随温度变化）、光敏电阻（阻值随光照变化）等。
看完了电阻的分类我们来回顾一下电阻的关键参数都有哪些，其关键参数直接影响电路的性能和可靠性。最容易想到的当然就是阻值封装和精度，除此之外呢，电阻的关键参数还包括额定功率，最大工作电压，温度系数，寄生参数等。这里我们主要关注其中通用电路经常涉及的阻值，封装，精度，额定功率和最大工作电压，至于精密电路中关注的温度系数和高频电路中关注的寄生参数暂且搁置，等梳理到相关知识的时候再详细了解。
一 阻值：
[*]阻值的定义与单位：电阻阻值的单位为欧姆（Ω），常用的单位还有千欧（KΩ）和兆欧（MΩ）。换算关系为1 kΩ = 1,000 Ω，1 MΩ = 1,000,000 Ω。从物理意义上来说，电阻的阻值越大对电流的阻碍就越强（在相同电压下通过的电流越小）
[*]阻值的标注方法：
1）色环电阻（插件电阻）：通过色环颜色和位置表示阻值与公差，常见4环或5环电阻。4环电阻：前2环为有效数字，第3环为倍率，第4环为公差。5环电阻：前3环为有效数字，第4环为倍率，第5环为公差。有效数字部分色环电阻的颜色对应关系如下：棕=1，红=2，橙=3，黄=4，绿=5，蓝=6，紫=7，灰=8，白=9，黑=0。倍率部分色环电阻的颜色对应关系如下：棕=1，红=2，橙=3，黄=4，绿=5，蓝=6，紫=7，灰=8，白=9，黑=0，金=-1，银=-2。公差部分色环电阻的颜色对应关系如下：棕=±1%，红=±2%，绿=±0.5%，蓝=±0.25%，紫=±0.1%，金=±5%，银=±10%。图示如下：
示例：色环 黄-紫-红-金：4环电阻，对应 4（黄） 7（紫） ×10²（红） ±5%（金） → 4.7kΩ±5%。
色环 棕-黑-黑-红-棕：5环电阻，对应 1（棕） 0（黑） 0（黑） ×10²（红） ±1%（棕） → 10kΩ±1%。
2）数字标注（贴片电阻）：通过贴片电阻表面的丝印来表示阻值。三位数字法：前两位为有效数字，第三位为倍率。示例：标注“103” → 10 × 10³ = 10kΩ。四位数字法：前三位为有效数字，第四位为倍率（用于高精度电阻）。示例：标注“1002” → 100 × 10² = 10kΩ。字母表示法：用“R”表示小数点。示例：标注“4R7” → 4.7Ω；标注“R10” → 0.10Ω。图示如下：
3. 电阻阻值的标准系列：电阻有着各种各样的阻值，如10K，4.7K等等，电阻的电阻值是随意选定的吗？并不是，电阻阻值按国际标准系列划分，共有 E6、E12、E24、E48、E96、E192 六大系列，分别使用于允许偏差为±20、±10%、 ±5%、±2%、±1%、±0.5%的电阻，其中以 E24 和 E96 两个系列为最常用。“E”表示“指数间距”（Exponential Spacing），它表明了电阻阻值是由公式计算出来的。
字母 n 指的是 E24，E96 等标准中的数值 24 和 96，m 的取值范围为 0~n-1；这样，E24 有 24 个基准值E96 有 96 个基准值，这些基准值再乘以 10 的 x 次方，就可以得到各种各样的电阻值了。以E96的电阻值分布为例：
剩下的E6、E12、E24、E48、E192五个系列大家有兴趣的话可以自行计算。
4. 串并联阻值计算：在实际的应用中，上文提到的六大标准阻值并不能完全满足我们的需求，所以我们在用到非标准电阻值的时候就需要对标准电阻进行串并联来实现我们的需求。将两个或两个以上电阻依次连接起来，中间无分支的连接方式叫做串联。如图：
根据电阻与电压的公式V=I x R，我们很容易就能得出结论，电阻串联电路的电压分配与阻值成正比。
两个或两个以上电阻，接在电路中相同的两点之间，使每一电阻两端电压相同的连接方式，叫做电阻的并联。如图：
根据电阻与电压的公式V=I x R，我们很容易就能得出结论，电阻并联电路的电流分配与阻值成反比。
二封装
[*]贴片电阻封装：贴片电阻是表面贴装技术（SMT）的主流选择，适用于高密度PCB设计，具有体积小、高频性能好、自动化生产效率高等特点。
常见的贴片电阻封装有0201,0402,0603,0805,1206,2512等。
电阻生产厂家在标准封装尺寸的基础上会有一定的公差范围，不同厂家的标准不尽相同，总体来说标准封装可以兼容大部分厂家生产的电阻，下图以某厂家的电阻元件尺寸为例供大家参考。
在使用电路设计软件时不同的设计软件都会内置部分电子元器件的常用封装，这些封装大多依据IPC协会的IPC-7351——表面贴装设计和焊盘图形标准通用要求来进行设计。既然这里提到了IPC-7351，那就给大家分享一款很好用的PCB封装设计工具– Footprint Expert Pro（PCB 封装专家）。用好它能大量缩短你绘制封装的时间，保证封装设计的准确性，提升设计效率。Footprint Expert Pro 作为一款PCB封装设计工具，能够自动构建封装并在 PCB 设计项目中使用，几乎无需任何成本。其具有以下显著优点：
1) 完全遵循行业的核心标准，如 IPC-7351、IPC-J-STD-001 和 IEC 61188.7。
2)兼容市场上多数EDA软件，例如 Allegro, Altium Designer, kicad，PADS, OrCAD PCB 等，确保用户在不同的软件环境中都能顺利使用。
3）能够直接从封装中导出3D STEP模型，为用户提供了更多的便利性。
4）提供了预设的封装库模板，大大简化了用户的工作流程。
说了这么多软件的安装包我当然是会为大家准备好的，同时会附带一套个人整理的Altium Designer的封装库，大家有需要的话可以下载参考学习。
除了上边所说的Footprint Expert Pro之外，在实际使用中设计元器件封装的绘制时，发现立创商城也是个不错的选择，在器件详情页可以直接下载立创提供的官方封装库，可以导出到Altium Designer等设计软件，大家也可作为获取元器件封装的一个有效途径。以0603贴片电阻为例：
具体操作步骤我就不在赘述了，小伙伴们可以自行百度或者评论区留言，看到了会及时回复。最后再给喜欢3D封装的小伙伴分享一个获取立创商城3D元器件封装的小工具，如图：
工具也和上文提到的安装包一样会提供给大家参考学习。最后放张板子3D图，3D封装画出来的板子确实好看！
直插电阻封装：直插电阻通过引脚插入PCB孔焊接，适合手工制作、维修或对机械强度要求高的场景。
直插电阻封装除了引脚间距外没有太大的区别，所以不再展开叙述。
三 精度
公差：标称阻值的允许偏差百分比，表示电阻实际值可能偏离标称值的范围。
示例：
1）标称阻值 10kΩ±5% → 实际阻值范围为 9.5kΩ~10.5kΩ。
2）标称阻值 100Ω±1% → 实际阻值范围为 99Ω~101Ω。
贴片电阻和插件电阻的公差范围在上文电阻阻值部分已经有过相关介绍，此处不再叙述。四 额定功率
[*]额定功率的定义和单位：瓦特（W），表示电阻在特定环境温度（通常为25℃）下可长期安全消耗的功率上限。
电阻封装和额定功率的对应关系：
表格列出了常用电阻封装与额定功率的对应关系，但是电阻封装和额定功率的对应关系并不是绝对的，电阻生产厂家也会生产一些非标准额定功率的电阻，在实际使用中要关注厂家提供的数据手册，下图以某厂家的电阻数据手册为例：
五 最大工作电压
[*]最大工作电压的定义和单位：伏特（V），数据手册通常标注为Max.WorkingVoltage，电阻内部绝缘材料或结构能承受的最高电压，超过此值可能引发以下问题：
介质击穿：绝缘层被击穿，导致短路或漏电流激增。
电弧放电：电极间空气电离，产生电弧（尤其在高压、高湿环境中）。
阻值漂移：高电场下材料特性变化，阻值偏离标称范围。
电阻的最大工作电压受封装限制，常见电阻封装与最大工作电压的对应关系：
表格列出了常用电阻封装与额定功率的对应关系，实际应用中因为不同电阻生产厂家因为工艺材质等的不同，同封装电阻的最大工作电压也不尽相同，在实际使用中要关注厂家提供的数据手册，下图以某厂家的电阻数据手册为例：
到这里我们基础电子元器件的电阻部分就梳理完成了，限于个人能力，内容不一定足够全面，希望大家在评论区积极补充，后续会对内容不断进行更新。
本来是准备把电阻电容电感这三大电子元器件一次性梳理完成的，很明显我低估了基础内容的复杂度，不够全面的电阻部分已经占据了很长的篇幅，所以本文到电阻部分就结束了，剩下的电容和电感以及后续更复杂的部分就再起一篇来梳理回顾了。本文涉及的工具软件和AD库文件都已经打包到网盘，链接会放在评论区，有需要的话可以自行下载，工具使用和安装有问题的也可以在评论区留言，看到了就会回复。Everyone,下篇再见!
通过百度网盘分享的文件：软件工具以及AD封装库
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