Arduino-ESP32 是由乐鑫科技在 GitHub 开源社区推出的一款基于 Arduino IDE 的板级支持包（BSP，Board Support Package），除了兼容大部分通用的 Arduino API 之外，还能够支持 ESP32 系列芯片一些独有的特性化 API。由于几年以前已经撰写过一篇基于标准 Arduino API 的《玩转 Arduino Uno、Mega、ESP 开源硬件》，所以本篇文章不再赘述相关内容，而是结合 UINIO-Monitor、UINIO-Keyboard 等开源项目，以及 U8G2、AsyncTimer、RBD_BUTTON、servo、TFT_eSPI、LiquidCrystal_I2C 等常用第三方库，通过例举典型的示例代码，重点介绍各类片上外设资源的实例化运用。

ESP32-C3 和 ESP32-S3 是当前市场上比较典型的两款主控方案，它们分别基于开源的 RISC-V 内核，以及商业化的 Xtensa 内核，并且同时支持 WiFi 与 Bluetooth 无线连接。由于日常工作当中经常使用到这两款微控制器，所以特意设计了 UINIO-MCU-ESP32C3 和 UINIO-MCU-ESP32S3 两款核心板，关于它们硬件电路设计方面的内容，可以参考本文的姊妹篇《UINIO-MCU-ESP32 核心板电路设计》。

UINIO-MCU-ESP32C3 和 UINIO-MCU-ESP32S3 两款开源核心板，分别采用了上海乐鑫科技 推出的 ESP32-C3 以及 ESP32-S3 微控制器，两者均支持 2.4GHz Wi-Fi 与 Bluetooth 5.0 无线网络连接。本文旨在介绍两块核心板各个功能单元的硬件电路设计原理，其中 ESP32-C3 微控制器基于开源的 RISC-V 内核架构，拥有 22 个 GPIO 接口，主频高达 160MHz，板载 384KB 容量的 ROM，以及 400KB 容量的 SRAM 和 8KB 容量的 RTC SRAM，支持的数字外设接口有 3 × SPI、2 × UART、1 × I²C、1 × I²S，而模拟外设接口则采用了 6 通道的 2 × 12 位 SAR 模/数转换器。

稍晚一些推出的 ESP32-S3 微控制器则是基于 Cadence 公司的 Xtensa Dual-Core 32-bit LX7 架构，拥有 45 个 GPIO 接口，主频高达 240MHz，板载有 384KB 容量的 ROM，以及 512KB 容量的 SRAM 和 16KB 容量的 RTC SRAM，支持的数字外设接口有 4 × SPI、3 × UART、2 × I²C、2 × I²S。而模拟外设接口采用了 20 通道的 2 × 12 位 SAR 模/数转换器。核心板的 KiCad 原理图以及 PCB 源文件，可以在我的 GitHub 仓库当中进行获取。

稳压器（Voltage Regulator）是一种在电源电压或者负载电流发生变化的时候，依然能够提供稳定输出电压的元件。常见的稳压器主要分为线性稳压器和开关稳压器两种。其中，开关稳压器是通过重复切换输出级的开关状态，并配合其它储能元件来产生指定的输出电压。而线性稳压器则是通过获取输出电压反馈，然后经由误差放大器组成的控制电路，动态的调节输入与输出之间的电压差，进而实现动态稳压的目的，其主要特点是输入电压 \(V_{IN}\) 大于输出电压 \(V_{OUT}\)。

近几年低压差稳压器（LDO，Low Dropout Regulator）被广泛应用在微控制器电路当中，其主要特点在于输入电压与输出电压之间的压差 \(V_{DROPOUT}\) 非常小（通常在几十毫伏到几百毫伏范围）。在上述的 LDO 原理示意图当中，绿色的误差放大器通过改变内部的可变电阻，就能够达到了稳定输出电压 \(V_{OUT}\) 的目的（其中 \(RDS_{ON}\) 包含了 LDO 内部的 调整元件电阻、片内互连电阻、引脚电阻、线焊电阻）。

ARM Mbed OS 是一款开源免费的物联网操作系统，包含有基于 ARM Cortex-M 微控制器开发智能连接产品所需的全部基础架构。其推出的 DAP-Link 同样是一个开源软件项目，它支持编程和调试运行在 ARM Cortex 微控制器上面的代码，主要运行于拥有 SWD 或者 JTAG 接口的微控制器当中，并且通过 USB 接口在计算机与 ARM Cortex 微控制器之间创建一个用于调试仿真的桥梁，为开发人员提供了下载调试、串口通信、拖拽烧录等实用功能。

DAPLink 主要由 Mbed 硬件开发工具包 以及 DAPLink 固件 两个开源项目构成，而 UINIO-DAP-Link 则是由博主设计的一款开源 DAPLink 仿真器实现，相比于官方原版的硬件电路设计，在引出有 SWD 调试接口（由 ARM 制订）的同时，还引出了 JTAG 接口（IEEE 1149 国际标准）以及5V 和 3.3V 电源，并且附带有 SWD 至 JTAG 的转接板 PCB 设计，而固件部分则是基于 ARM 官方的原版固件移植而来，全部的原理图与固件程序都开源在博主的 GitHub。

电路理论是一门研究电路分析与网络综合，以及设计规律的基础工程学科。所谓电路分析就是指在给定的电路参数条件下，通过求解电路当中的电压、电流了解其所具有的特性；而网络综合是在给定电路技术指标的情况下，设计出电路并且确定元件的参数，使得电路的性能符合预先的设计要求。因此电路分析是电路理论当中最为基础的内容，也是学习电路理论的入门课程，更被列为电子信息工程类专业的通用基础课，因而其重要地位不言而喻。

电路理论作为电子信息工程类专业的技术基础课，可以为相关专业的后续诸多课程提供理论支持，例如模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、电机学、电力系统分析、集成电路设计、自动控制、电力电子技术等课程，它们都需要应用到电路理论当中的相关基础知识。

电子信号是指随着时间进行变化的电压或者电流，可以在数学描述上描述为时间的函数，并且可以绘制出其波形。模拟信号在数值和时间上均具有连续性，对于任意时间均有确定的电压或者电流值与之对应。常用的模拟电路有放大电路（信号电压、电流、功率的放大）、滤波电路（信号的提取、转换、抗干扰）、运算电路（完成信号之间的加减乘除、积分、微分、对数、指数运算）、信号转换电路（电流与电压信号之间的相互转换）、信号发生电路（用于产生正弦波、矩形波等波形）、直流电源（将不同电压与频率的交流电转换为指定电压与电流的直流电）。

本文所涉及的内容主要包括有常用半导体器件、基本放大电路、集成运算放大电路、放大电路的频率响应、放大电路中的反馈、信号的运算和处理、波形的发生和信号的转换、功率放大电路、直流电源，基本涵盖了模拟电路当中主要的电路类型，其中放大电路是对模拟信号的最基本处理，上述模拟电路当中均包含有放大电路，因而放大电路是构成各种模拟电路的最基本电路。

FreeCAD 是一款面向计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）的 3D 参数化建模工具软件，该工具基于 LGPL 开源协议，同时提供有适配 Linux、Mac OS、Windows 操作系统的跨平台版本，其底层采用了 OpenCascade 来提供二维与三维几何体的生成显示与分析。这里所谓的参数化建模就是指通过一系列的参数来控制 3D 模型的形状，例如一个立方体可以由长度、宽度、高度三个参数共同决定，这些参数可以随时进行修改。除此之外，FreeCAD 还可以使用其它模型作为参数；例如将一个立方体作为输入参数，FreeCAD 就能够基于它创建出一个柱状的 3D 模型。

FreeCAD 并非只是为了完成某一项特定的工作，或者仅用于生成某一类特定的模型。使用者可以利用它创作小到电子元件与 3D 打印部件，大到建筑物的不同尺寸模型。由于每一种任务的工作流程并不完全相同，所以 FreeCAD 分别提供了相应的工作台。目前网络上关于 FreeCAD 的应用资料较少，所以尝试利用本文记录一些日常使用的技巧，全文基于 2022 年 9 月份发布的 FreeCAD 0.20.1 版本撰写，文中所涉及的实例已经共享至我的 FreeCAD-Tutorial-Example。

近场通信（NFC，Near Field Communication）是一种基于无线射频识别（RFID，Radio Frequency I Dentification）技术发展起来的近距离无线通信技术，它们都是通过无线频率的电磁感应耦合传递数据，但是 RFID 的传输范围可以达到 1m，而 NFC 的传输范围通常在 10cm 以内。NFC 的无线信号频率为 13.56MHz，可以兼容 ISO14443、ISO15693、Felica 等非接触式智能卡规范，数据传输速率可以达到 106kbit/s、212 kbit/s、424kbit/s。

意法半导体的 NFC 动态标签芯片 ST25DV-I2C 和 ST25DV-PWM 可以通过低功率的 I²C 总线以及 13.56MHz 无线射频访问芯片内置的EEPROM（电可擦除只读存储器），同时支持近程的 ISO/IEC 14443 Type A 和远程的 ISO/IEC 15693 标准。本文旨在介绍无源 RFID 的基本原理，以及 13.56MHz 感应天线设计的基础知识，文中部分内容参考自意法半导体编号为《AN2972》的官方应用笔记（Application Note）。

对于国内的中小型电子企业而言，Allegro、Pads、Altium Designer 等商业 EDA 工具的授权费用过于昂贵，且大部分只提供 Windows 操作系统版本，缺乏相应的跨平台支持。在电子信息技术行业版权问题充分受到重视的今天，一款易于使用并且受到厂商广泛支持的开源 EDA 工具，对于硬件电子工程师而言尤为重要。本文介绍的 KiCad 就是一款基于 GNU GPL v3 开源许可协议的跨平台 EDA 电子设计自动化工具集，其能够处理多达 32 个铜层、14 个技术层、4 个辅助层的 PCB 电路板，并且生成加工制造所需要的网表、物料清单、光绘文件、钻孔文件、元件放置文件。

自 2018 年 07 月 22 日发布 KiCad 5.0 版本以后，历经了三年时间，终于在 2021 年 12 月 25 发布了全新的 KiCad 6.0 版本，新版本采用了全新的用户交互界面，带来全新原理图编辑器、PCB 编辑器、3D 查看器的同时，还增加了更为丰富的 DRC 设计规则约束，并且提供了对于中文语言的良好支持。全文最早基于 5.0 版本写作，鉴于官方已经升级至功能更为完善的 6.0 版本，所以基于官方新版的 《Getting Started in KiCad》 对本文进行了全面的重写。

三维打印机（3D Printer）是一种通过分层堆积的方式，快速生产三维原型的设备。通常被划分为 熔融沉积（FDM，Fused Deposition Modeling）和 立体光固化（SLA，Stereo Lithigraphy Apparatus）两种成型方式，其中 FDM 熔融沉积成型是通过将 ABS、PLA 等线材加热融化，然后通过挤出机和喷头将其层层堆叠成型；而 SLA 立体光固化成型，则是采用紫外线光束，反复在液态光敏树脂当中曝光出模型每一层的形状来进行成型。

电子工程师在日常工作当中，不可避免的会遭遇到一些结构设计与人机工程方面的问题，所以 3D 打印机成为了电子工程师进行方案验证时，必不可少的生产力工具。由于采用 FreeCAD、Fusion 360 等参数化建模软件生成模型文件之后，还需要使用到 Cura、PrusaSlicer 等切片工具软件进行处理，这些软件的配置参数较为繁杂，与打印机的性能以及工作环境温度息息相关，所以专门用这篇文章来备忘一些关键的配置参数与心得。

电路理论是电气工程和电子科学技术的主要理论基础，是一门研究电路分析和网络综合与设计基本规律的基础工程学科。所谓电路分析是在电路给定、参数已知的条件下，通过求解电路中的电压、电流而了解电路网络所具有的特性；而网络综合是在给定电路技术指标的情况下，设计出电路并确定元件参数，使电路的性能符合设计要求。因此电路分析是电路理论中最基本的部分，是学习电路理论的人门课程，被列为电子类专业重要的公共技术基础课。

这篇文章是邹建龙老师所出版 《电路实验》 一书的读书笔记，并且结合他的相关的课件资料，在摒弃繁杂数学推导的基础上，言简意赅的介绍了 电路模型和电路定律、电路的分析方法与定理、动态电路、正弦稳态电路及其频域特性、互感、三相电路、非正弦周期电路、二端口网络 等电路分析方面的知识点，在凸出重要知识点的同时，力求简单易读，因而也可以作为大家的电路理论考前恶补资料使用 ヽ(✿ ﾟ ▽ ﾟ)ノ。

《实用电子元器件与电路基础》的英文原版书籍名称叫做《Practical Electronics for Inventors》，全书从电路基本原理入手，围绕各种类型的电子元器件进行了详细介绍。首先是阐述了基本的电路理论，然后重点讨论了包括 电阻、电容、电感、变压器 在内的基本元器件；接下来介绍了半导体电子技术，并且详细分析了 二极管、晶体管、晶闸管 等半导体元件的性能与参数，以及运算放大器、滤波电路、振荡电路、定时器、稳压电路与电源 等经典的模拟电路。

最后介绍了数字电子技术相关的内容，从基本的逻辑门电路入手，重点讨论了组合逻辑电路和时序逻辑电路，以及相关的 触发器，寄存器、计数器、缓冲器、锁存器、收发器，乃至于存储器与微控制器。除此之外，该书还简单介绍了线性函数、二次函数、指数/对数函数、三角函数、复数、微积分等数学预备知识。电子元器件的选型与运用是硬件工程师日常工作当中最为主要的内容，希望本篇文章能够对广大电子爱好者有所帮助。

高等数学是由微积分学，较为深入的代数学、几何学以及它们之间的交叉内容所形成的一门基础学科。由于电路分析、运算放大器、信号完整性、高频电路和信号学当中，都涉及有大量的积分和导数运算，也需要经常使用到拉普拉斯和傅立叶变换等高等数学内容，因此着手撰写本文用于复习大学本科学习阶段涉及的微积分知识，主要包含一元函数微分学、一元函数积分学、矢量代数与空间解析几何、多元函数微分学、多元函数积分学、无穷级数、常微分方程等部分的内容。

由于微积分涉及的概念相对较为抽象，因此在文章写作过程中，阅读并且参考了《Thomas’ Calculus》一书当中的有关内容。该书从 1951 年第 1 版发行至今，当前的最新版本为第 14 版，已经足足经历了七十个年头，是一本经历过时间检验的优秀参考资料。对于本文当中所涉及到的代数学知识，可以参见博主撰写的另外一篇数学类文章《初等代数常用公式与图像汇总》。

本文力求言简意赅的讨论电路分析过程当中涉及到的一些基本理论知识，全文第 1 部分围绕电路分析展开，涵盖了电路当中的 电阻 与 电容 等基本元件，相关的定律（欧姆定律、焦耳定律、基尔霍夫定律）定理（叠加定理、戴维南定理、诺顿定理）和等效变换（电源等效、串并联等效、星形三角形等效），以及基本的分析方法（支路电流法、结点电压法、非线性电阻分析）；第 2 部分则以电磁感应现象作为核心，同时引入 安培力、洛仑兹力、磁通量 等电磁学基本概念。

第 3 部分围绕交流信号展开，包含了动态元件 电阻、电容、电感 相关的交流电路，并且介绍了 功率因数 的提高，RC 与 LC 电路，以及三相交流电路；第 4 部分介绍了互感与变压器，主要讨论互感现象与变压器的原理；第 5 部分则主要讨论电路的过渡过程，比如 RC 与 RL 电路的过渡过程，以及其中 电压 与 电流 随着时间变化的规律和影响过渡过程快慢的时间常数，同时还引入了换路定则与 微分电路 以及 积分电路。

初等数学主要由代数（Algebra）和几何（Geometry）两部分构成，本篇文章基于《Thomas’ Calculus Early Transcendentals》第 14 版所附录的 A Brief Table of Integrals 章节整理而成，主要涉及基本代数运算、集合、区间与邻域、斜率、映射、幂函数、指数函数、对数函数、弧度制、三角函数以及几何学等知识点，较为系统的概括了初等数学当中常见的公式定理以及相关的函数图像，以备日常进行电路与信号分析时，随手查阅公式使用。

高等数学的研究对象是变动的量，而初等数学的研究对象则是不变的量，正是由于初等数学只能解释常量的几何与物理问题，例如：规则图形的长度、面积与体积、匀速直线运动等等。虽然并不涉及电路与信号分析过程当中，所需要经常涉及的变化量分析与求解，但是却是整个高等数学知识体系当中，不可或缺的基本常识性内容。毕竟初等数学当中所重点讨论的函数，正好就是微积分的主要研究对象。