當(dāng)你初次接觸電路板時,內(nèi)心或許會充滿疑惑,但同時也懷揣著一絲興奮。網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于硬件電路的經(jīng)驗知識紛繁復(fù)雜,像信號完整性、EMI 等概念準(zhǔn)會讓你暈頭轉(zhuǎn)向。別著急,學(xué)習(xí)是一個循序漸進(jìn)的過程,讓我們一步一個腳印,慢慢揭開硬件電路設(shè)計的神秘面紗。
設(shè)計硬件電路,首先要搞清楚大的框架和架構(gòu),然而這并非易事。有些大框架可能老板或老師已經(jīng)規(guī)劃好,你只需將思路具體實現(xiàn);但也有些情況需要你自己設(shè)計框架,這時就要明確要實現(xiàn)的功能,然后尋找是否有能實現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板。有經(jīng)驗的工程師都深知借鑒他人成果的重要性,我們應(yīng)盡量站在巨人的肩膀上,少走彎路。
如果你幸運地找到了參考設(shè)計,那恭喜你,這將為你節(jié)省大量時間,包括前期的設(shè)計和后期的調(diào)試。但先別急著復(fù)制,還是要先看懂并理解參考設(shè)計。這樣做一方面能提高我們的電路理解能力,另一方面能避免設(shè)計中的錯誤。
要是沒有找到參考設(shè)計也沒關(guān)系,你可以先確定大 IC 芯片,查找其 datasheet,查看關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求。能否準(zhǔn)確判斷哪些是關(guān)鍵參數(shù),以及是否能看懂這些參數(shù),都是硬件工程師能力的體現(xiàn),這需要長期的積累。在這個過程中,要善于提問,因為在硬件設(shè)計中,別人的一句話或許就能讓你茅塞頓開。
硬件電路設(shè)計主要包括三個部分:原理圖、PCB 以及物料清單(BOM)表。
- 原理圖設(shè)計:將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖,它類似于教科書上的電路圖。
- PCB 設(shè)計:涉及實際的電路板,根據(jù)原理圖轉(zhuǎn)化而來的網(wǎng)表(網(wǎng)表是溝通原理圖和 PCB 之間的橋梁),將具體的元器件封裝放置(布局)在電路板上,然后根據(jù)飛線(也叫預(yù)拉線)連接其電信號(布線)。
- BOM 表:完成 PCB 布局布線后,需要歸納用到的元器件,這時就會用到 BOM 表。
Protel,也就是 Altium,容易上手,在國內(nèi)比較流行,應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠,適合初入門的設(shè)計者使用。其實無論使用簡單的 Protel 還是復(fù)雜的 Cadence 工具,硬件設(shè)計的大環(huán)節(jié)是一樣的。Protel 上的操作類似 Windows,是 post - command 型的;而 Cadence 的產(chǎn)品 Concept Allegro 是 pre - command 型的,習(xí)慣了 Protel 的人突然轉(zhuǎn)向 Cadence 的工具,可能會不太習(xí)慣。
- 原理圖庫建立:要將新元件擺放在原理圖上,必須建立元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性,并以具體的圖形形式表示。Protel 創(chuàng)建庫非常簡單,而且由于使用的人多,許多元件都能找到現(xiàn)成的庫,這為使用者提供了極大的便利。在建立庫的過程中,要搞清楚 IC body、IC pins、input pin、output pin、analog pin、digital pin、power pin 等的區(qū)別。

- 畫原理圖:有了充足的庫后,就可以在原理圖上畫圖了。按照 datasheet 和系統(tǒng)設(shè)計的要求,通過 wire 把相關(guān)元件連接起來,并在相關(guān)的地方添加 line 和 text 注釋。需要注意的是,wire 有電氣屬性,適用于連接相同網(wǎng)絡(luò);line 沒有電氣屬性,適用于注釋圖形。此時,要搞清一些基本概念,如 wire、line、bus、part、footprint 等。不同工具的操作方式也有所不同,例如 Protel 采用 post - command 方式,而 Concept 采用 pre - command 方式。
- 生成 netlist:完成原理圖繪制后,就可以生成 netlist 了。netlist 是原理圖與 PCB 之間的橋梁,電腦需要將原理圖轉(zhuǎn)化為它能認(rèn)識的 netlist 形式,然后再處理、轉(zhuǎn)化為 PCB。
- 電氣規(guī)則檢查(ERC):得到 netlist 后不要急于畫 PCB,先進(jìn)行 ERC 檢查。ERC 能對一些原理圖基本的設(shè)計錯誤進(jìn)行排查,如多個 output 接在一起等問題。但不能過分依賴工具,自己還是要仔細(xì)檢查原理圖,因為工具只是根據(jù)基本規(guī)則排查,無法理解系統(tǒng)的具體需求。
- 獲得 PCB:從 netlist 得到 PCB 后,密密麻麻的元件和數(shù)不清的飛線可能會讓人感到驚訝,別著急,慢慢來。
- 確定板框大小:在 keepout 區(qū)(或 mechanic 區(qū))畫個板框,這將限制布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求考慮板長、板寬(有時還需考慮板厚),同時也要考慮疊層,例如板總共 4 層,頂層走信號,中間第一層鋪電源,中間第二層鋪地,底層走信號。
- 布局:確定完板框后,就該進(jìn)行元件布局了。布局極為關(guān)鍵,它往往決定了后期布線的難易程度。哪些元器件該擺正面,哪些元件該擺背面,都需要仔細(xì)考量。對于初學(xué)者來說,要注意模擬元件和數(shù)字元件的隔離,以及機械位置的擺放,同時注意電源的拓?fù)洹?br class="container_fd70d wrapper_80cf2 undefined" style="--tw-border-spacing-x: 0; --tw-border-spacing-y: 0; --tw-translate-x: 0; --tw-translate-y: 0; --tw-rotate: 0; --tw-skew-x: 0; --tw-skew-y: 0; --tw-scale-x: 1; --tw-scale-y: 1; --tw-pan-x: ; --tw-pan-y: ; --tw-pinch-zoom: ; --tw-scroll-snap-strictness: proximity; --tw-gradient-from-position: ; --tw-gradient-via-position: ; --tw-gradient-to-position: ; --tw-ordinal: ; --tw-slashed-zero: ; --tw-numeric-figure: ; --tw-numeric-spacing: ; --tw-numeric-fraction: ; --tw-ring-inset: ; --tw-ring-offset-width: 0px; --tw-ring-offset-color: #fff; --tw-ring-color: rgba(59,130,246,.5); --tw-ring-offset-shadow: 0 0 #0000; --tw-ring-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow-colored: 0 0 #0000; --tw-blur: ; --tw-brightness: ; --tw-contrast: ; --tw-grayscale: ; --tw-hue-rotate: ; --tw-invert: ; --tw-saturate: ; --tw-sepia: ; --tw-drop-shadow: ; --tw-backdrop-blur: ; --tw-backdrop-brightness: ; --tw-backdrop-contrast: ; --tw-backdrop-grayscale: ; --tw-backdrop-hue-rotate: ; --tw-backdrop-invert: ; --tw-backdrop-opacity: ; --tw-backdrop-saturate: ; --tw-backdrop-sepia: ; -webkit-font-smoothing: antialiased; box-sizing: border-box;">

- 布線:布線與布局往往是相互影響的,有經(jīng)驗的人在開始時就能判斷哪些地方能布線成功,若有些地方難以布線,還需要改動布局。對于 FPGA 設(shè)計來說,有時還需要改動原理圖來使布線更加順暢。布線和布局問題涉及的因素很多,對于高速數(shù)字部分,由于牽扯到信號完整性問題,會變得更加復(fù)雜。在信號頻率不是很高的情況下,應(yīng)以布通為第一原則。
- 布局布線后檢查:完成布局布線后,要用 DRC 檢查。DRC 會對布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方進(jìn)行標(biāo)注,需要按照標(biāo)注一一排查、修正。有些 PCB 還要加上敷銅(可能會導(dǎo)致成本增加),將出線部分做成淚滴(工廠也許會幫忙添加),最后將 PCB 文件轉(zhuǎn)成 Gerber 文件就可交付生產(chǎn)。對于小批量或研究板,用 Excel 自己管理 BOM 表比較方便;新手的第一個版本,不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將 BOM 的料全部焊上,最好根據(jù) BOM 表自己準(zhǔn)備好元件,等板來了之后,一步步上元件、調(diào)試。
拿到板后不要急著供電看功能,硬件調(diào)試不可能一步完成。先拿萬用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常,主要檢查電源與地之間是否短路。盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)做過測試,但自己還是要親自檢查,這一步雖然繁瑣,但能為后面節(jié)省不少時間。如果電源網(wǎng)絡(luò)短路,要仔細(xì)查看原理圖,結(jié)合割線的方法一步步排查是 PCB 的問題、裝配的問題還是自己設(shè)計的問題。
電源設(shè)計是整個電路板最重要的一環(huán),電源不穩(wěn)定,其他一切都無從談起。在電源設(shè)計中,我們常用的是從一個穩(wěn)定的 “高” 電壓得到一個穩(wěn)定的 “低” 電壓,即 DC - DC(直流 - 直流)。直流 - 直流中常用的電源穩(wěn)壓芯片有兩種,一種是 LDO(低壓差線性
穩(wěn)壓器,線性
穩(wěn)壓電源也指它),另一種是 PWM(脈寬調(diào)制
開關(guān)電源,也稱
開關(guān)電源)。
- 線性穩(wěn)壓電源:內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單,反饋環(huán)路短,因此噪聲小,瞬態(tài)響應(yīng)快(當(dāng)輸出電壓變化時,補償快)。但由于輸入和輸出的壓差全部落在了 MOSFET 上,所以效率低,一般用在小電流、對電壓精度要求高的應(yīng)用上。
- 開關(guān)電源:內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,影響輸出電壓噪聲性能的因數(shù)很多,且反饋環(huán)路長,因此噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源,瞬態(tài)響應(yīng)慢。但根據(jù)其結(jié)構(gòu),MOSFET 處于完全開和完全關(guān)兩種狀態(tài),除了驅(qū)動 MOSFET 和 MOSFET 自身內(nèi)阻消耗的能量外,其他能量都用于輸出,理論上 L、C 不耗能量,實際消耗的能量也很小,所以效率高。
高速看的是信號沿,不是時鐘頻率。一般時鐘頻率高的信號上升沿快,通常被當(dāng)成高速信號,但反過來不一定成立,時鐘頻率低但信號上升沿快的,同樣要當(dāng)成高速信號處理。根據(jù)信號理論,信號上升沿包含了高頻信息,設(shè)計不好可能會出現(xiàn)上升沿過于緩慢、有過沖、下沖、振鈴等現(xiàn)象。
很多人只注意示波器的采樣率,而忽略了帶寬,但示波器帶寬是一個更重要的參數(shù)。采樣定理指的是當(dāng)采樣頻率大于信號最大帶寬的兩倍時,能完美地恢復(fù)原信號,但該定理針對的是帶限信號,與現(xiàn)實中的信號不符。我們一般的數(shù)字信號頻譜是無限寬的,要捕獲高速信號,就不能讓其高頻分量有太多失真。理論上 5 倍于信號帶寬的示波器捕獲的信號比原信號損失不到 3%,如果要求損失更寬松,可以選擇更低端的示波器,用到 3 倍于信號帶寬的示波器應(yīng)該能滿足大多數(shù)要求,但不要忘了探頭的帶寬。
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