电路创意/如何发明电路
一旦我们可以理解和展示现有的电子电路，我们希望使用启发式方法来创建、合成甚至发明新的电路。不仅设计师和发明家需要这种技能，电路工程领域的教师也需要这种技能。因此，本故事讨论了电子电路发明技术。
伪发明。 我们已经使用这种富有想象力的发明来有效地展示电子电路的操作。因此，我们积累了一套电路工程技巧和技术，我们可以用它们真正发明新的电子设备。
主观的新发明。 由于对电子电路的理解和展示，已经发明的東西最常被“发明”，这通常会导致他人的嘲笑（“发明了轮子”）。事实上，社会并没有直接从这些主观发明中获益。但它们对于深入了解现象的本质，认识技术解决方案的意义，以及形成发明性思维非常有用。
真正的发明。 如果我们有机会，我们可以实现真正的发明——一种客观的新技术解决方案，在这一刻不仅对发明家来说是未知的，对每个人来说也是未知的。 就创造过程而言，各种发明形式之间没有区别。 只有发明家和社会带来的物质利益不同。
在这里，我们将使用我们运算放大器反相求和器的示例电路，逐步揭示发明步骤。这个发明的过程不完全是真实的，但很大程度上是想象的。因此，它不会完全对应于该电路发明者所采取的实际路径。由于该设备早已发明并存在，这在某种意义上又是伪发明，但现在它更接近于真正的发明。为此，我们将暂时忘记该设备已经发明，并重新演绎其发明的阶段。这种方法在这里是合理的，因为本章的重点更多地是展示发明者如何思考，他们在提出新想法时如何行动，而不是想法本身。
发明电路与构建电路的区别在于，发明没有现成的解决方案，最终结果是未知的，而构建则遵循演讲者所遵循的场景是明确的。换句话说，发明中存在未知因素。
我们可以使用启发式方法，通过以下步骤完成示例设备的发明。
1. 制定电子设备必须执行的任务。 任务设置有两种方法
- 第一种是被动地等待任务“从上而下”。 这里的第一个危险在于，任务可能没有被正确地制定。
- 第二种方法是自己设定任务——例如，我们对某个电路不满意，想要改进它。
为了本工作的目的，我们假设任务是按照第一种方式分配给我们的，即：创建一个电压求和器（电压求和器）。
2. 从解决任务开始。 我们从显而易见的解决方案开始——第一个想到的解决方案，也是我们可以在文献中找到的解决方案。
在具体情况下，我们选择最简单的电压求和方法——根据 KVL 将输入电压源串联连接，从而组装最基本的串联电压求和器。它的结构非常简单——只是一条环路（一段导线）。
3. 通常会出现问题。 在大多数实践情况下，第一个解决方案并不合适（否则我们会满意，不会进行发明）。
在具体情况下，我们遇到了模拟电路工程的基本共地问题，它包括以下内容。 电路工程中设备的各个阶段（输入源、负载等）通常将其输出之一连接到系统的共地（参考电压为零的点）。 在两输入求和器的情况下，假设输入源连接到共地，输出（负载）仍然是“浮动”的。 规则是，为了避免在尝试将输入电压源串联连接时发生冲突（短路），只有两个阶段应连接到共地。
4. 寻找问题的解决方案。 但是我们无法在现有文献解决方案中找到它。 我们试图在文献中找到问题的解决方案，但现有的解决方案通常是折衷的，不能让我们满意。 例如，在两输入求和器的情况下，会建议我们在其输出中包含一个具有差分输入和不平衡输出的转换器，这种转换器复杂且昂贵。
5. 揭示技术矛盾。 要深入探讨问题，我们需要揭示技术矛盾。 它通常听起来很矛盾（例如，某件事必须同时存在和不存在）。 在求和器的情况下，事实证明输入电压源必须同时串联连接和并联连接，这在实践中是不可能的。
6. 寻找新想法。 因此，我们来到了发明的实际部分，它可以按以下顺序进行
- 应用我们目前所知的构建电子设备的原则之一（来自原则集合）。
- 以各种可能的方式刺激新想法的产生。 为此，我们使用所有可能的方法来刺激创造性思维，避免与“想法杀手”相遇。
- 让新想法平静地“结晶”，不要在它们尚未形成时就扑上去。 这是电压求和器发明中最重要的阶段，可以按以下步骤进行
步骤 1. 一旦串联求和电压的方法（根据基尔霍夫第二定律）对我们不起作用，那么我们就尝试根据 KCL 进行并联求和电流的方法。 正如环路是最基本的电压求和器一样，节点是最基本的电流求和器。 它具有以下优点：输入电流源和负载连接到共地。
步骤 2. 然而，我们想要求和电压。 所以我们需要通过在电压输入源和求和器输入端之间包含电压电流转换器来将它们转换为电流。
步骤 3. 然而，这样制造的求和器具有电流输出，而我们希望它是电压输出。 然后我们在输出端包含相反的电流电压转换器。 我们可以从欧姆基本电路中重新发明它，但由电流源供电（即，我们现在假设电流决定电压）。 为此，我们将电流作为输入量进行变化，并将电压作为输出量进行测量。
7. 接下来出现问题。 然而，事实证明电阻 R 上的电压降 VR 会影响电路的操作。 流过输入电阻的电流不仅取决于输入电压本身，还取决于输入电压与输出电压之差。
8. 揭示新的技术争议。 在电压叠加电路中，它是：电压 VR（电阻 R）必须同时存在和不存在，因为它对负载有用，但对输入源有害。
9. 寻找下一个新想法。 我们再次开始寻找周围现实中问题的解决方案。对于具体情况，我们注意到日常生活中存在许多情况，其中有害干扰阻止我们实现某个目标：我们生病 - 我们开始服用药物直到恢复健康；我们累了 - 我们休息；我们饿了 - 我们吃饭；我们花钱 - 我们努力工作来弥补；左侧秤盘出现一个砝码 - 我们用右侧秤盘的“反砝码”将其销毁；我们违反规定并立即支付罚款等等。
10. 推导出以下发明原理。 我们总结这些例子，从而推导出一个新的发明原理，我们可以形象地称之为“通过反干扰补偿干扰”。在我们的电气示例中，它写道：使用额外的电压 VS = VR 支持输入源，该电压主动复制电阻 R 上的电压降并进行补偿。
11. 将该原理应用于具体的电路图。 现在只需将该原理应用于我们的特定设备即可。为此，我们断开电路，并在电阻 R 与串联中包含一个补偿电压源。它产生相同值的电压，以补偿电阻 R 所造成的损害。为了更好地理解这个想法，在这个第一阶段，我们承担了主动跟随器的功能 - 我们改变电压，使其始终等于电阻 R 上的电压降 VR（移情）。
现在剩下的问题是 - 如何获得输出信号，即我们应该将负载插入哪里？在电流夏季的输出端（位置 1），电压已经被破坏，因此在那里包含负载毫无意义。电阻 R 具有我们需要的输出电压，但如果我们将负载连接到它（位置 2），则会产生两个问题。首先，负载会将部分电流通过自身（尤其是在低阻抗的情况下）。其次，负载是“浮动”的（未接地）。那么这个电路的输出在哪里呢？
如果我们回到上面的类比，并记住我们是如何在所有这些情况下采取行动的，我们会发现我们经常使用间接评估而不是直接评估：我们服用的药物剂量让我们了解了我们的疾病；我们有多累是通过我们休息的时间来理解的；我们吞下的食物数量表明我们有多饿；一个秤盘上的砝码总和让我们估计另一个秤盘上未知砝码的重量等等。这些例子使我们能够将“通过反干扰消除干扰”的原理细化为“通过反干扰测量干扰”的原理：通过我们用来消除它的有用“反干扰”，我们间接了解了有害干扰的值。
现在我们知道从哪里获取反相夏季的输出信号 - 运算放大器输出端的补偿电压是原始电压的精确反相副本，这将是电路的输出。 通过这种方式，我们从“副本”而不是从“原始”中为负载供电。因此，负载从辅助电源而不是从输入电源中汲取电流。
第二阶段：探索电路操作
[edit | edit source]首先，我们准备电路进行研究（如前所述）。然后，我们按照以下步骤依次检查它，寻找不寻常的输入
1. 在输入量保持恒定值的情况下，一致地改变电路各个元素的参数。 这实际上意味着我们暂时放弃传统的电路输入，寻找新的入口点。我们可以使用相当不寻常的“输入” - 电源电压、电路输出、“有害”量（例如温度）等等。
- 在我们的反相夏季电路中，我们可以开始改变电阻 R 的电阻，即有害干扰的值。运算放大器通过相应地改变其输出电压来对此做出响应。因此，我们发明了电阻 - 电压转换器，并将干扰转换为输入信号。当然，这种现象更常见的应用是输出信号的缩放。
- 然后，我们可以改变输入电阻（R1、R2...）的电阻。我们再次获得电阻 - 电压转换器，但具有相反的特性。因此，我们可以单独调整各个输入的加权系数。
- 如果我们改变负载的电阻，我们将再次确信该电路表现为恒压源。
2. 通过同时改变多个信号或电路参数来深化研究。 在实践中，我们通常限于两个量，我们以单向（共模）或相反（差分）的方式改变它们。
- 例如，如果在反相夏季电路中，我们同时以相反的方向改变输入电压，则输出电压不会改变 - 这是差分电路的想法。
- 同样，我们可以同时以相反的方向改变输入电阻的电阻 - 我们得到一个差分电阻传感器等等。
第三阶段：总结结果
[edit | edit source]我们可以利用在发明一个特定电子电路和发明其他类似电路时获得的想法（正如我们之前所做的那样）。这就是
1. 尝试找到已发明设备和已发明其他电子设备的底层原理之间的共同点。 通过应用相同的想法（辅助输入源并使用偏移电压作为输出信号），可以设计出各种其他并行的 OOB 电路。示例：“理想”电流表、电流 - 电压和电压 - 电流转换器、反相放大器、积分器和微分器、对数和反对数转换器等等。
2. 将该原理添加到用于发明电子设备的原理集合中。 在具体情况下，我们首先制定了通过“反干扰”消除干扰的通用（非电气）原理，然后将其进一步发展为通过“反干扰”测量干扰的原理。然后，我们将其具体化为通过“反电压”补偿电压和通过“反电压”测量电压的电路原理。
3. 绘制实现该原理的设备的框图，并将其添加到框图集合中。
另请参阅
[edit | edit source]如何理解电路（分析电路结构、探索电路操作并揭示电路思想）
如何展示电路（介绍电路思想、构建电路配置并演示电路操作）
网络资源
[edit | edit source]以下是一些电路故事，展示了发明特定电路的过程