電路創意/如何發明電路
一旦我們可以理解和展示現有的電子電路，我們希望使用啟發式方法來建立、合成甚至發明新的電路。不僅設計師和發明家需要這種技能，電路工程領域的教師也需要這種技能。因此，本故事討論了電子電路發明技術。
偽發明。 我們已經使用這種富有想象力的發明來有效地展示電子電路的操作。因此，我們積累了一套電路工程技巧和技術，我們可以用它們真正發明新的電子裝置。
主觀的新發明。 由於對電子電路的理解和展示，已經發明的東西最常被“發明”，這通常會導致他人的嘲笑（“發明了輪子”）。事實上，社會並沒有直接從這些主觀發明中獲益。但它們對於深入瞭解現象的本質，認識技術解決方案的意義，以及形成發明性思維非常有用。
真正的發明。 如果我們有機會，我們可以實現真正的發明——一種客觀的新技術解決方案，在這一刻不僅對發明家來說是未知的，對每個人來說也是未知的。 就創造過程而言，各種發明形式之間沒有區別。 只有發明家和社會帶來的物質利益不同。
在這裡，我們將使用我們運算放大器反相求和器的示例電路，逐步揭示發明步驟。這個發明的過程不完全是真實的，但很大程度上是想象的。因此，它不會完全對應於該電路發明者所採取的實際路徑。由於該裝置早已發明並存在，這在某種意義上又是偽發明，但現在它更接近於真正的發明。為此，我們將暫時忘記該裝置已經發明，並重新演繹其發明的階段。這種方法在這裡是合理的，因為本章的重點更多地是展示發明者如何思考，他們在提出新想法時如何行動，而不是想法本身。
發明電路與構建電路的區別在於，發明沒有現成的解決方案，最終結果是未知的，而構建則遵循演講者所遵循的場景是明確的。換句話說，發明中存在未知因素。
我們可以使用啟發式方法，透過以下步驟完成示例裝置的發明。
1. 制定電子裝置必須執行的任務。 任務設定有兩種方法
- 第一種是被動地等待任務“從上而下”。 這裡的第一個危險在於，任務可能沒有被正確地制定。
- 第二種方法是自己設定任務——例如，我們對某個電路不滿意，想要改進它。
為了本工作的目的，我們假設任務是按照第一種方式分配給我們的，即：建立一個電壓求和器（電壓求和器）。
2. 從解決任務開始。 我們從顯而易見的解決方案開始——第一個想到的解決方案，也是我們可以在文獻中找到的解決方案。
在具體情況下，我們選擇最簡單的電壓求和方法——根據 KVL 將輸入電壓源串聯連線，從而組裝最基本的串聯電壓求和器。它的結構非常簡單——只是一條環路（一段導線）。
3. 通常會出現問題。 在大多數實踐情況下，第一個解決方案並不合適（否則我們會滿意，不會進行發明）。
在具體情況下，我們遇到了類比電路工程的基本共地問題，它包括以下內容。 電路工程中裝置的各個階段（輸入源、負載等）通常將其輸出之一連線到系統的共地（參考電壓為零的點）。 在兩輸入求和器的情況下，假設輸入源連線到共地，輸出（負載）仍然是“浮動”的。 規則是，為了避免在嘗試將輸入電壓源串聯連線時發生衝突（短路），只有兩個階段應連線到共地。
4. 尋找問題的解決方案。 但是我們無法在現有文獻解決方案中找到它。 我們試圖在文獻中找到問題的解決方案，但現有的解決方案通常是折衷的，不能讓我們滿意。 例如，在兩輸入求和器的情況下，會建議我們在其輸出中包含一個具有差分輸入和不平衡輸出的轉換器，這種轉換器複雜且昂貴。
5. 揭示技術矛盾。 要深入探討問題，我們需要揭示技術矛盾。 它通常聽起來很矛盾（例如，某件事必須同時存在和不存在）。 在求和器的情況下，事實證明輸入電壓源必須同時串聯連線和並聯連線，這在實踐中是不可能的。
6. 尋找新想法。 因此，我們來到了發明的實際部分，它可以按以下順序進行
- 應用我們目前所知的構建電子裝置的原則之一（來自原則集合）。
- 以各種可能的方式刺激新想法的產生。 為此，我們使用所有可能的方法來刺激創造性思維，避免與“想法殺手”相遇。
- 讓新想法平靜地“結晶”，不要在它們尚未形成時就撲上去。 這是電壓求和器發明中最重要的階段，可以按以下步驟進行
步驟 1. 一旦串聯求和電壓的方法（根據基爾霍夫第二定律）對我們不起作用，那麼我們就嘗試根據 KCL 進行並聯求和電流的方法。 正如環路是最基本的電壓求和器一樣，節點是最基本的電流求和器。 它具有以下優點：輸入電流源和負載連線到共地。
步驟 2. 然而，我們想要求和電壓。 所以我們需要透過在電壓輸入源和求和器輸入端之間包含電壓電流轉換器來將它們轉換為電流。
步驟 3. 然而，這樣製造的求和器具有電流輸出，而我們希望它是電壓輸出。 然後我們在輸出端包含相反的電流電壓轉換器。 我們可以從歐姆基本電路中重新發明它，但由電流源供電（即，我們現在假設電流決定電壓）。 為此，我們將電流作為輸入量進行變化，並將電壓作為輸出量進行測量。
7. 接下來出現問題。 然而，事實證明電阻 R 上的電壓降 VR 會影響電路的操作。 流過輸入電阻的電流不僅取決於輸入電壓本身，還取決於輸入電壓與輸出電壓之差。
8. 揭示新的技術爭議。 在電壓疊加電路中，它是：電壓 VR（電阻 R）必須同時存在和不存在，因為它對負載有用，但對輸入源有害。
9. 尋找下一個新想法。 我們再次開始尋找周圍現實中問題的解決方案。對於具體情況，我們注意到日常生活中存在許多情況，其中有害干擾阻止我們實現某個目標：我們生病 - 我們開始服用藥物直到恢復健康；我們累了 - 我們休息；我們餓了 - 我們吃飯；我們花錢 - 我們努力工作來彌補；左側秤盤出現一個砝碼 - 我們用右側秤盤的“反砝碼”將其銷燬；我們違反規定並立即支付罰款等等。
10. 推匯出以下發明原理。 我們總結這些例子，從而推匯出一個新的發明原理，我們可以形象地稱之為“透過反干擾補償干擾”。在我們的電氣示例中，它寫道：使用額外的電壓 VS = VR 支援輸入源，該電壓主動複製電阻 R 上的電壓降並進行補償。
11. 將該原理應用於具體的電路圖。 現在只需將該原理應用於我們的特定裝置即可。為此，我們斷開電路，並在電阻 R 與串聯中包含一個補償電壓源。它產生相同值的電壓，以補償電阻 R 所造成的損害。為了更好地理解這個想法，在這個第一階段，我們承擔了主動跟隨器的功能 - 我們改變電壓，使其始終等於電阻 R 上的電壓降 VR（移情）。
現在剩下的問題是 - 如何獲得輸出訊號，即我們應該將負載插入哪裡？在電流夏季的輸出端（位置 1），電壓已經被破壞，因此在那裡包含負載毫無意義。電阻 R 具有我們需要的輸出電壓，但如果我們將負載連線到它（位置 2），則會產生兩個問題。首先，負載會將部分電流透過自身（尤其是在低阻抗的情況下）。其次，負載是“浮動”的（未接地）。那麼這個電路的輸出在哪裡呢？
如果我們回到上面的類比，並記住我們是如何在所有這些情況下采取行動的，我們會發現我們經常使用間接評估而不是直接評估：我們服用的藥物劑量讓我們瞭解了我們的疾病；我們有多累是透過我們休息的時間來理解的；我們吞下的食物數量表明我們有多餓；一個秤盤上的砝碼總和讓我們估計另一個秤盤上未知砝碼的重量等等。這些例子使我們能夠將“透過反干擾消除干擾”的原理細化為“透過反干擾測量干擾”的原理：透過我們用來消除它的有用“反干擾”，我們間接瞭解了有害干擾的值。
現在我們知道從哪裡獲取反相夏季的輸出訊號 - 運算放大器輸出端的補償電壓是原始電壓的精確反相副本，這將是電路的輸出。 透過這種方式，我們從“副本”而不是從“原始”中為負載供電。因此，負載從輔助電源而不是從輸入電源中汲取電流。
第二階段：探索電路操作
[edit | edit source]首先，我們準備電路進行研究（如前所述）。然後，我們按照以下步驟依次檢查它，尋找不尋常的輸入
1. 在輸入量保持恆定值的情況下，一致地改變電路各個元素的引數。 這實際上意味著我們暫時放棄傳統的電路輸入，尋找新的入口點。我們可以使用相當不尋常的“輸入” - 電源電壓、電路輸出、“有害”量（例如溫度）等等。
- 在我們的反相夏季電路中，我們可以開始改變電阻 R 的電阻，即有害干擾的值。運算放大器透過相應地改變其輸出電壓來對此做出響應。因此，我們發明了電阻 - 電壓轉換器，並將干擾轉換為輸入訊號。當然，這種現象更常見的應用是輸出訊號的縮放。
- 然後，我們可以改變輸入電阻（R1、R2...）的電阻。我們再次獲得電阻 - 電壓轉換器，但具有相反的特性。因此，我們可以單獨調整各個輸入的加權係數。
- 如果我們改變負載的電阻，我們將再次確信該電路表現為恆壓源。
2. 透過同時改變多個訊號或電路引數來深化研究。 在實踐中，我們通常限於兩個量，我們以單向（共模）或相反（差分）的方式改變它們。
- 例如，如果在反相夏季電路中，我們同時以相反的方向改變輸入電壓，則輸出電壓不會改變 - 這是差分電路的想法。
- 同樣，我們可以同時以相反的方向改變輸入電阻的電阻 - 我們得到一個差分電阻感測器等等。
第三階段：總結結果
[edit | edit source]我們可以利用在發明一個特定電子電路和發明其他類似電路時獲得的想法（正如我們之前所做的那樣）。這就是
1. 嘗試找到已發明裝置和已發明其他電子裝置的底層原理之間的共同點。 透過應用相同的想法（輔助輸入源並使用偏移電壓作為輸出訊號），可以設計出各種其他並行的 OOB 電路。示例：“理想”電流表、電流 - 電壓和電壓 - 電流轉換器、反相放大器、積分器和微分器、對數和反對數轉換器等等。
2. 將該原理新增到用於發明電子裝置的原理集合中。 在具體情況下，我們首先制定了透過“反干擾”消除干擾的通用（非電氣）原理，然後將其進一步發展為透過“反干擾”測量干擾的原理。然後，我們將其具體化為透過“反電壓”補償電壓和透過“反電壓”測量電壓的電路原理。
3. 繪製實現該原理的裝置的框圖，並將其新增到框圖集合中。
另請參閱
[edit | edit source]如何理解電路（分析電路結構、探索電路操作並揭示電路思想）
如何展示電路（介紹電路思想、構建電路配置並演示電路操作）
網路資源
[edit | edit source]以下是一些電路故事，展示了發明特定電路的過程