電子系統簡介
歡迎來到電子系統的世界！你有沒有想過夜燈是如何在天黑時自動開啟的？或者微波爐是如何倒數計時的？這一切都要歸功於電子學。在這一章中，我們將探索現代工程學背後的「大腦」。我們將深入了解系統如何接收資訊、作出決定，並執行有用的操作。
如果剛開始覺得有點艱深，請別擔心。你可以把電子系統想像成人體：你的眼睛看到光（輸入），你的大腦決定眨眼（處理），然後你的眼瞼移動（輸出）。就是這麼簡單！讓我們開始吧。
1. 三大基本模組：輸入、處理與輸出
每個電子系統都可以拆解為三個主要部分。工程師通常使用方塊圖 (block diagrams) 來展示資訊的流動。
輸入裝置 (Input Devices)
這些是系統的「感官」，用來偵測環境的變化。例子包括：
- 光敏電阻 (LDRs)： 根據光線強弱改變其電阻值。
- 熱敏電阻 (Thermistors)： 根據溫度高低改變其電阻值。
處理裝置 (Process Devices)
這是系統進行「思考」的地方。系統會觀察輸入訊號，並根據既定規則決定該做什麼。例子包括：
- 計時器 (Timers)： 產生延遲（例如乾手機運作 30 秒後自動停止）。
- 計數器 (Counters)： 計算某件事發生的次數。
- 邏輯閘 (Logic Gates)： 作出簡單的「是/否」決定。
輸出裝置 (Output Devices)
這些是「行動」的部分，將電能轉換為光、聲音或動作。例子包括：
- 發光二極管 (LEDs)： 小型且高效的燈具。
- 蜂鳴器與壓電揚聲器 (Buzzers and Piezo Sounders)： 產生噪音或警報。
- 七劃管顯示器 (7-Segment Displays)： 數位時鐘上顯示數字的部件。
快速複習： 輸入 = 感知，處理 = 思考，輸出 = 行動。
2. 類比訊號與數位訊號
電子系統使用兩種類型的訊號來傳送資訊，理解它們之間的區別非常重要！
類比訊號 (Analogue Signals)
這些是連續的 (continuous)，可以呈現任何數值。 類比：燈光的調光開關。你可以將它調成微亮、半亮或全亮。它就像一個平滑的坡道。
數位訊號 (Digital Signals)
這些訊號只有兩種狀態：開或關 (on or off)（通常以 1 或 0 表示）。 類比：普通的電燈開關。它不是開就是關，中間沒有過渡狀態。它就像樓梯一樣。
類比數位轉換 (ADC)
電腦和微控制器只能處理「數位」訊號。如果我們使用類比感測器（如溫度計），系統必須使用 ADC 將那段「坡道」資訊轉換成電腦能理解的「階梯」。
3. 邏輯閘：規則遊戲
邏輯閘是最基本的「處理」形式。它們遵循嚴格的規則來決定輸出是開 (ON) 還是關 (OFF)。
1. AND 閘： 只有當輸入 A 和輸入 B 同時為開（ON）時，輸出才為開。 想像一台安全機器，必須同時按下兩個按鈕才能啟動。
2. OR 閘： 只要輸入 A 或輸入 B（或兩者皆是）為開，輸出即為開。 想像一個門鈴，按前門或後門的按鈕都能響。
3. NOT 閘： 這是一個反相器 (inverter)。如果輸入為開，輸出就為關。 它總是執行與指令相反的操作！
記憶小撇步： AND 很挑剔（需要兩個都對），OR 很隨和（只要其中一個就行），NOT 很固執（專門唱反調）。
4. 分立元件：盒子裡的零件
為了構建電路，工程師使用個別的零件，稱為分立元件 (discrete components)。你需要認識以下幾種：
電阻 (Resistors)
它們會「抵抗」電流流動，用於保護 LED 等敏感零件，避免過大電流造成損壞。 可變電阻 (Variable Resistors) 允許你改變電阻值（就像音量旋鈕）。
二極管 (Diodes)
它們像單向閥一樣，只允許電流往一個方向流動。 整流二極管 用於將交流電 (AC) 轉換為直流電 (DC)。
電容器 (Capacitors)
它們像微型的暫時性電池。它們儲存少量電荷並在需要時釋放。電容器可以是有極性的 (polarised)（安裝方向必須正確）或無極性的 (non-polarised)（安裝方向不限）。
5. 可程式化裝置與微控制器
現代工程學廣泛使用微控制器 (Microcontrollers)（例如 PIC - 周邊介面控制器）。它們是整合在單一晶片上的微型電腦。
為什麼要使用它們？
- 它們可以取代許多個別元件，使電路更精簡。
- 如果想更改系統運作方式，只需重新編程，無需重新組裝電路。
- 它們可以同時處理計時、計數和邏輯等複雜任務。
介面連接：電晶體與場效電晶體 (Transistors and FETs)
微控制器雖然聰明，但力量不足。它們無法直接提供足夠的功率來運轉大型馬達或大音量的警報器。為了解決這個問題，我們使用驅動器 (Drivers)，如電晶體 (Transistors) 或 FET (場效電晶體)。 想像電晶體是一個小開關，它利用來自微控制器的微弱電流，來啟動輸出端更大的電流。
6. 使用流程圖進行程式設計
當工程師規劃系統程式時，常使用流程圖 (flowcharts) 來規劃邏輯。考試時，你應該熟悉最多包含三個輸入和三個輸出的系統。
常見流程圖符號：
- 橢圓形： 開始或結束。
- 矩形： 動作（例如：「開啟 LED」）。
- 菱形： 決定或問題（例如：「天黑了嗎？」）。這些符號總是有「是」和「否」的分支。
- 平行四邊形： 輸入或輸出數據。
例子：簡單的加熱器系統。
開始 -> 溫度是否過低？ -> (是) 開啟加熱器 -> (否) 關閉加熱器 -> 返回開始。
7. 關鍵計算與公式
在電子學中，我們經常需要計算零件對電流的阻礙程度，這就是電阻 (Resistance)。
對於串聯 (series) 電路（一個接一個）的電阻，只需將它們相加：
\( R_{total} = R_1 + R_2 + R_3 ... \)
常見錯誤： 千萬別搞混串聯和並聯電路！在串聯電路中，電流只有一條路徑。如果其中一個元件壞掉，整個電路就會停止運作。
總結：重點摘要
1. 每個系統都有輸入、處理和輸出。
2. 類比訊號是連續波；數位訊號是開/關（1 和 0）。
3. 邏輯閘（AND、OR、NOT）負責基本的決定。
4. 微控制器是現代裝置中靈活且可程式化的「大腦」。
5. 電晶體充當開關，幫助低功率的大腦控制高功率的肌肉。