硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟和思路

這篇文章獻(xiàn)給那些剛開始或即將開始設(shè)計(jì)硬件電路的人，剛剛開始接觸電路板的時(shí)候，你可能充滿了疑惑同時(shí)又帶著些興奮。

在網(wǎng)上許多關(guān)于硬件電路的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)讓人目不暇接，像信號(hào)完整性、EMI準(zhǔn)會(huì)把你搞暈，別急，一切要慢慢來。

01. 總體思路

設(shè)計(jì)硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點(diǎn)還真不容易。

有些大框架也許自己的老板、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實(shí)現(xiàn)。

但也有些要自己設(shè)計(jì)框架的，那就要搞清楚要實(shí)現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實(shí)現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板

要懂得盡量利用他人的成果，越是有經(jīng)驗(yàn)的工程師越會(huì)懂得借鑒他人的成果。

02. 理解電路

如果你找到了的參考設(shè)計(jì)，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時(shí)間了，包括前期的設(shè)計(jì)和后期的調(diào)試。

馬上就copy?NO，還是先看懂并理解了再說，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避免設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。

03. 沒有找到參考設(shè)計(jì)?

沒關(guān)系，先確定大IC芯片找datasheet，看其關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關(guān)鍵參數(shù)，以及能否看懂這些關(guān)鍵參數(shù)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)，這也需要長(zhǎng)期地慢慢地積累。

這期間要善于提問，因?yàn)樽约翰欢臇|西，別人往往一句話就能點(diǎn)醒你，尤其是硬件設(shè)計(jì)。

04. 設(shè)計(jì)硬件電路

硬件電路設(shè)計(jì)主要是三個(gè)部分原：理圖、pcb 以及物料清單(BOM)表。

原理圖設(shè)計(jì)就是將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖，它很像我們教科書上的電路圖。

pcb涉及到實(shí)際的電路板，它根據(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)，而將具體的元器件的封裝放置(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(hào)(布線)。

完成了pcb布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)該有所歸納，所以我們將用到BOM表。

05. 用什么工具?

Protel，也就是altimum，容易上手，在國內(nèi)也比較流行，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門的設(shè)計(jì)者使用。

其實(shí)無論用簡(jiǎn)單的protel或者復(fù)雜的cadence工具，硬件設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)是一樣的。

protel上的操作類似windwos，是post-command型的。

而cadence的產(chǎn)品conceptallegro是pre-command型的，用慣了protel突然轉(zhuǎn)向cadence的工具，會(huì)不習(xí)慣就是這個(gè)原因。

現(xiàn)在談一下設(shè)計(jì)流程

01. 原理圖庫建立

要將一個(gè)新元件擺放在原理圖上，我們必須得建立元件的庫。

庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以具體的圖形形式來代表。

我們常常看到的是一個(gè)矩形(代表其IC BODY)，周圍許多短線(代表IC管腳)。

protel創(chuàng)建庫及其簡(jiǎn)單，而且因?yàn)橛玫娜硕?，許多元件都能找到現(xiàn)成的庫，這一點(diǎn)對(duì)使用者極為方便。

應(yīng)搞清楚ic body、ic pins、input pin、output pin、analog pin、digital pin、power pin等區(qū)別。

02. 畫原理圖

有了充足的庫之后，就可以在原理圖上畫圖了，按照datasheet和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，通過wire把相關(guān)元件連接起來，在相關(guān)的地方添加line和text注釋。

wire和line的區(qū)別在于，前者有電氣屬性，后者沒有。

wire適用于連接相同網(wǎng)絡(luò)，line適用于注釋圖形。

這個(gè)時(shí)候，應(yīng)搞清一些基本概念，如：wire、line、bus、part、footprint等等。

例如，post-command，例如我們要拷貝一個(gè)object(元件)，我們要先選中這個(gè)object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V(copy命令發(fā)生在選中object之后)。

這種操作windows和protel都采用的這種方式，但是concept就是另外一種方式，我們叫做pre-command。

同樣我們要拷貝一個(gè)東西，先按ctrl+C，然后再選中object，再在外面單擊(copy命令發(fā)生在選中 object之前)。

03. 生成netlist

做完上一步，我們就可以生成netlist了，這個(gè)netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。

原理圖是我們能認(rèn)知的形式，電腦要將其轉(zhuǎn)化為pcb，就必須將原理圖轉(zhuǎn)化它認(rèn)識(shí)的形式netlist，然后再處理、轉(zhuǎn)化為pcb。

04. 電氣規(guī)則檢查

得到netlist馬上畫pcb?別急，先做ERC先，ERC是電氣規(guī)則檢查的縮寫。

它能對(duì)一些原理圖基本的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行排查，如多個(gè)output接在一起等問題。

但是一定要仔細(xì)檢查自己的原理圖，不能過分依賴工具，畢竟工具并不能明白你的系統(tǒng)，它只是純粹地根據(jù)一些基本規(guī)則排查。

05. 獲得pcb

從netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和數(shù)不清的飛線是不是讓你嚇了一跳?別急還得慢慢來。

06. 確定板框大小

在keepout區(qū)(或mechanic區(qū))畫個(gè)板框，這將限制了你布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求好考慮板長(zhǎng)，板寬(有時(shí)，還得考慮板厚)。

當(dāng)然了，疊層也得考慮好，疊層的意思就是，板層有幾層，怎么應(yīng)用，比如板總共4層，頂層走信號(hào)，中間第一層鋪電源，中間第二層鋪地，底層走信號(hào)。

07. 布局

確定完板框之后，就該元件布局(擺放)了，布局這步極為關(guān)鍵。

它往往決定了后期布線的難易，哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面，都要有所考量。

但是這些都是一個(gè)仁者見仁，智者見智的問題，從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。

其實(shí)自己畫了原理圖，明白所有元件功能，自然對(duì)元件擺放有清楚的認(rèn)識(shí)，如果讓一個(gè)不是畫原理圖的人來擺放元件，其結(jié)果往往會(huì)讓你大吃一驚^_^。

對(duì)于初入門的，注意模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機(jī)械位置的擺放，同時(shí)注意電源的拓?fù)渚涂梢粤恕?/p>

08. 布線

接下來就是布線，這與布局往往是互動(dòng)的，有經(jīng)驗(yàn)的人往往在開始就能看出哪些地方能布線成功，如果有些地方難以布線還需要改動(dòng)布局。

對(duì)于fpga設(shè)計(jì)來說往往還要改動(dòng)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(duì)于高速數(shù)字部分，因?yàn)闋砍兜叫盘?hào)完整性問題而變得復(fù)雜，但往往這些問題又是難以定量或即使定量也難以計(jì)算的。

所以，在信號(hào)頻率不是很高的情況下，應(yīng)以布通為第一原則。

09. 布局布線之后需要注意的問題

OK了?別急，用DRC檢查檢查先，這是一定要檢查的。

DRC對(duì)于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會(huì)有所標(biāo)注，按照這個(gè)再一一的排查，修正。

有些pcb還要加上敷銅(可能會(huì)導(dǎo)致成本增加)，將出線部分做成淚滴(工廠也許會(huì)幫你加)，最后的pcb文件轉(zhuǎn)成gerber文件就可交付pcb生產(chǎn)了。

有些直接給pcb也成，工廠會(huì)幫你轉(zhuǎn)gerber。

要裝配pcb準(zhǔn)備bom表，一般能直接從原理圖中導(dǎo)出。

但是需要注意的是，原理圖中哪些部分元件該上，哪些部分元件不該上，要做到心理有數(shù)。

對(duì)于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便(大公司往往要專業(yè)軟件來管理)。

而對(duì)于新手而言，第一個(gè)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，這樣不便于排查問題。

最好的方法就是，根據(jù)bom表自己準(zhǔn)備好元件，等到板來了之后，一步步上元件、調(diào)試。

現(xiàn)在談一下調(diào)試問題

拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能，硬件調(diào)試不可能一步調(diào)試完成的。

先拿萬用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路。

盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)幫你做過測(cè)試，這一步還是要自己親自看看，有時(shí)候看起來某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)約你后面不少時(shí)間!

其實(shí)短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個(gè)環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個(gè)問題，IO短路一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果，但是電源短路就......

電源網(wǎng)絡(luò)沒短路?

那么好，那就看看電源輸出是否是自己理想的值，對(duì)于初學(xué)者，調(diào)試的時(shí)候最好IC一件件芯片上，第一個(gè)要上的就是電源芯片。

電源網(wǎng)絡(luò)短路了?

這個(gè)比較麻煩，不過要仔細(xì)看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時(shí)結(jié)合割線的方法一步步排查到底是什么地方短路了。

是pcb的問題(一般比較爛的pcb廠就可能出現(xiàn)這種情況)，還是裝配的問題，還是自己設(shè)計(jì)的問題。

電源芯片沒有輸出?

檢查檢查你的電源芯片輸入是否正常吧，還需要檢查的地方有使能信號(hào)、分壓電阻、反饋網(wǎng)絡(luò)等等。

電源芯片輸出值不在預(yù)料范圍?

如果超過很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個(gè)分壓電阻一般要用1%的精度，這個(gè)你做到了沒有，同時(shí)看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧，這也會(huì)影響你的輸出電源的范圍。

電源的輸出跳變是否正常?

電源輸出正常了，別高興，如果有條件的話，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常，也就是抓取開電的瞬間，看看電源從無到有的情況。

現(xiàn)在談一下電源問題

無疑電源設(shè)計(jì)是整個(gè)電路板最重要的一環(huán)，電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。

在電源設(shè)計(jì)我們用得最多的場(chǎng)合是，從一個(gè)穩(wěn)定的“高”電壓得到一個(gè)穩(wěn)定的“低”電壓。

這也就是經(jīng)常說的DC-DC(直流-直流)，而直流-直流中用得最多的電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種叫LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器，我們后面說的線性穩(wěn)壓電源，也是指它)，另一種叫PWM(脈寬調(diào)制開關(guān)電源，我們?cè)诒疚囊卜Q它開關(guān)電源)。

我們常常聽到PWM的效率高，但是LDO的響應(yīng)快，這是為什么呢?別著急，先讓我們看看它們的原理。

下面會(huì)涉及一些理論知識(shí)，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎(chǔ)了。

01. 線性穩(wěn)壓電源的工作原理：

如上圖是線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖，我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。

在圖中Vo經(jīng)過兩個(gè)分壓電阻分壓得到V+，V+被送入放大器(我們把這個(gè)放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負(fù)端Vref是電源內(nèi)部的參考電平(這個(gè)參考電平是恒定的)。

放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控制MOSFET的阻抗。

Va變大時(shí)，MOSFET的阻抗變大;Va變小時(shí)，MOSFET的阻抗變小，MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。

現(xiàn)在我們來看Vo是怎么穩(wěn)定的，假設(shè)Vo變小，那么V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導(dǎo)致MOSFET的阻抗變小，這樣經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差將變小，于是將Vo上抬來抑制Vo的變小。

同理，Vo變大，V+變大，Va變大，MOSFET的阻抗變大，經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。

02. 開關(guān)電源的工作原理：

如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開關(guān)電源采用了用一定占空比的方波Vg1、Vg2推動(dòng)上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1為高，Vg2為低。

上MOS管打開時(shí)，下MOS管關(guān)閉;下MOS管打開時(shí)，上MOS管關(guān)閉。

由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器，因此方波電壓經(jīng)過濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓Vo。

Vo經(jīng)過R1、R2分壓后送入第一個(gè)放大器(誤差放大器)的負(fù)端V+，誤差放大器的輸出Va做為第二個(gè)放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個(gè)有一定占空比的方波，經(jīng)過門邏輯電路處理得到兩個(gè)反相的方波Vg1、Vg2來控制MOSFET的開關(guān)。

誤差放大器的正端Vref是一恒定的電壓，而PWM放大器的負(fù)端Vt是一個(gè)三角波信號(hào)，一旦Va比三角波大時(shí)，Vpwm為高;Va比三角波小時(shí)，Vpwm為低，因此Va與三角波的關(guān)系，決定了方波信號(hào)Vpwm的占空比;Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。

經(jīng)過處理，Vg1與Vpwm同相，Vg2與 Vpwm反相;最終L左端的方波電壓Vp與Vg1相同。如下圖：

當(dāng)Vo上升時(shí)，V+將上升，Va下降，Vpwm占空比下降，經(jīng)過門邏輯之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，這又導(dǎo)致Vo降低，于是Vo的上升將被抑制。反之亦然。

線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的比較

懂得了線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的工作原理之后，我們就可以明白為什么線性穩(wěn)壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態(tài)響應(yīng)，但是效率差。

而開關(guān)電源噪聲較大，瞬態(tài)響應(yīng)較慢，但效率高了。

線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應(yīng)快(當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，補(bǔ)償快)。

但是因?yàn)檩斎牒洼敵龅膲翰钊柯湓诹薓OSFET上，所以它的效率低。

因此，線性穩(wěn)壓一般用在小電流，對(duì)電壓精度要求高的應(yīng)用上。

而開關(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，且其反饋環(huán)路長(zhǎng)，因此其噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。

但是根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，MOSFET處于完全開和完全關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動(dòng)MOSFET，和MOSFET自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出。

理論上L、C是不耗能量的，盡管實(shí)際并非如此，但這些消耗的能量很小。

高速信號(hào)認(rèn)識(shí)的一些誤區(qū)

高速看的是信號(hào)沿，不是時(shí)鐘頻率。

一般而言，時(shí)鐘頻率高的，其信號(hào)上升沿快，因此一般我們把它們當(dāng)成高速信號(hào)。

但反過來不一定成立，時(shí)鐘頻率低的，如果信號(hào)上升沿依然快的，一樣要把它當(dāng)成高速信號(hào)來處理。

根據(jù)信號(hào)理論，信號(hào)上升沿包含了高頻信息(用傅立葉變換，可以找出定量表達(dá)式)。

因此，一旦信號(hào)上升沿很陡，我們應(yīng)該按高速信號(hào)來處理，設(shè)計(jì)不好很可能出現(xiàn)上升沿過于緩慢、有過沖、下沖、振鈴的現(xiàn)象。

比如，I2C信號(hào)，在超快速模式下，時(shí)鐘頻率為1MHz，但是其規(guī)范要求上升時(shí)間或下降時(shí)間不超過120ns。

因此，我們更應(yīng)該關(guān)注的是信號(hào)帶寬。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，帶寬與上升時(shí)間(10%~90%)的關(guān)系為 Fw * Tr = 3.5。

示波器選擇

注意示波器的帶寬，很多人注意到了示波器的采樣率，沒有注意到示波器的帶寬，但往往示波器帶寬是一個(gè)更重要的參數(shù)。

一些人以為只要示波器采樣率滿足超過信號(hào)時(shí)鐘頻率的兩倍就行了，這是大錯(cuò)特錯(cuò)，錯(cuò)誤的原因是錯(cuò)誤的理解了采樣定理。

采樣定理說明了當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)最大帶寬的兩倍，就能完美地恢復(fù)原信號(hào)。

但是，采樣定理指的信號(hào)是帶限信號(hào)(帶寬是有限的)，與現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)嚴(yán)重不符。

我們一般的數(shù)字信號(hào)，除了時(shí)鐘之外都不是周期的，從長(zhǎng)時(shí)間來看，其頻譜是無限寬的，要能捕獲到高速信號(hào)，就不能對(duì)其高頻分量太多的失真。

示波器帶寬指標(biāo)與此息息相關(guān)，因此，真正要注意的依然是用示波器捕獲的信號(hào)的上升沿失真在我們可接受的范圍。

那么選多高帶寬的示波器才合適

理論上5倍于信號(hào)帶寬的示波器捕獲的信號(hào)比原信號(hào)損失不到3%。

如果要求損失更寬松，那就可以選擇更低端的示波器。

用到3倍于信號(hào)帶寬的示波器應(yīng)該能滿足大多數(shù)要求，但是不要忘了你探頭的帶寬。

審核編輯：湯梓紅