关于电路设计的新手入门学习导读（上）

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eefishing 发布时间：2020-2-7 00:35

技术帖
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学习电路设计的时候，不知道你是否有这样的困扰：明明自己学了很多硬件电路理论，也做过了一些基础操作实践，但还是无法设计出自己理想的电路。归根结底，我们缺少的是硬件电路设计的思路，以及项目实战经验。

设计一款硬件电路，要熟悉元器件的基础理论，比如元器件原理、选型及使用，学会绘制原理图，并通过软件完成 PCB 设计，熟练掌握工具的技巧使用，学会如何优化及调试电路等。要如何完整地设计一套硬件电路设计，下面为大家分享我的几点个人经验：

1）总体思路

设计硬件电路，大的框架和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好，自己只是把思路具体实现；但也有些要自己设计框架的，那就要搞清楚要实现什么功能，然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板(要懂得尽量利用他人的成果，越是有经验的工程师越会懂得借鉴他人的成果)。

2）理解电路

如果你找到了的参考设计，那么恭喜你，你可以节约很多时间了(包括前期设计和后期调试)。马上就 copy？NO，还是先看懂理解了再说，一方面能提高我们的电路理解能力，而且能避免设计中的错误。

3）找到参考设计

在开始做硬件设计前，根据自己的项目需求，可以去找能够满足硬件功能设计的，有很多相关的参考设计。没有找到？也没关系，先确定大 IC 芯片，找 datasheet，看其关键参数是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的关键参数，以及能否看懂这些关键参数，都是硬件工程师的能力的体现，这也需要长期地慢慢地积累。这期间，要善于提问，因为自己不懂的东西，别人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件设计。

4）硬件电路设计的三个部分：原理图、PCB 和物料清单（BOM）表

原理图设计，其实就是将前面的思路转化为电路原理图，它很像我们教科书上的电路图。pcb 涉及到实际的电路板，它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和 pcb 之间的桥梁)，而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上，然后根据飞线(也叫预拉线)连接其电信号(布线)。完成了 pcb 布局布线后，要用到哪些元器件应该有所归纳，所以我们将用到 BOM 表。

5）选择 PCB 设计工具

Protel，也就是 Altium（现在入门的童鞋大多用 AD）容易上手，网上的学习教程资料也很全面，在国内也比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。

硬件电路设计的大环节必不可少，主要都要经过以下这几个流程：

1）原理图设计

2）PCB 设计

3）制作 BOM 表

现在再谈一下具体的设计步骤

7 i' O& G$ D) u: }! I原理图建立+网表生成
1. 原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上，我们必须得建立改元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性，并且以具体的图形形式来代表(我们常常看到的是一个矩形(代表其 IC BODY)，周围许多短线(代表 IC 管脚))。protel 创建库及其简单，而且因为用的人多，许多元件都能找到现成的库，这一点对使用者极为方便。应搞清楚 ic body，ic pins，input pin，output pin，analog pin，digital pin，power pin 等区别。

2. 有了充足的库之后，就可以在原理图上画图了，按照 datasheet 和系统设计的要求，通过 wire 把相关元件连接起来。在相关的地方添加 line 和 text 注释。wire 和 line 的区别在于，前者有电气属性，后者没有。wire 适用于连接相同网络，line 适用于注释图形。这个时候，应搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。

3. 做完这一步，我们就可以生成 netlist 了，这个 netlist 是原理图与 pcb 之间的桥梁。原理图是我们能认知的形式，电脑要将其转化为 pcb，就必须将原理图转化它认识的形式 netlist，然后再处理、转化为 pcb。

4. 得到 netlist，马上画 pcb?别急，先做 ERC 先。ERC 是电气规则检查的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误进行排查，如多个 output 接在一起等问题。(但是一定要仔细检查自己的原理图，不能过分依赖工具，毕竟工具并不能明白你的系统，它只是纯粹地根据一些基本规则排查。)

5. 从 netlist 得到了 pcb，一堆密密麻麻的元件，和数不清的飞线是不是让你吓了一跳?呵呵，别急还得慢慢来。

6. 确定板框大小。在 keepout 区(或 mechanic 区)画个板框，这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长，板宽(有时，还得考虑板厚)。当然了，叠层也得考虑好。(叠层的意思就是，板层有几层，怎么应用，比如板总共 4 层，顶层走信号，中间第一层铺电源，中间第二层铺地，底层走信号)。

PCB 布局布线
先解释一下前面的术语。post-command，例如我们要拷贝一个 object(元件)，我们要先选中这个 object，然后按 ctrl+C，然后按 ctrl+V(copy 命令发生在选中 object 之后)。这种操作 windows 和 protel 都采用的这种方式。但是 concept 就是另外一种方式，我们叫做 pre-command。同样我们要拷贝一个东西，先按 ctrl+C，然后再选中 object，再在外面单击(copy 命令发生在选中 object 之前)。

1. 确定完板框之后，就该元件布局(摆放)了，布局这步极为关键。它往往决定了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面，哪些元件该摆背面，都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。其实自己画了原理图，明白所有元件功能，自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画原理图的人来摆放元件，其结果往往会让你大吃一惊。对于初入门的，注意模拟元件，数字元件的隔离，以及机械位置的摆放，同时注意电源的拓扑就可以了。

2. 接下来就是布线。这与布局往往是互动的。有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线成功。如果有些地方难以布线还需要改动布局。对于 fpga 设计来说往往还要改动原理图来使布线更加顺畅。布线和布局问题涉及的因素很多，对于高速数字部分，因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂，但往往这些问题又是难以定量或即使定量也难以计算的。所以，在信号频率不是很高的情况下，应以布通为第一原则。

3. OK 了？别急，用 DRC 检查检查先，这是一定要检查的。DRC 对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注，按照这个再一一的排查，修正。

4. 有些 pcb 还要加上敷铜(可能会导致成本增加)，将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的 pcb 文件转成 gerber 文件就可交付 pcb 生产了。(有些直接给 pcb 也成，工厂会帮你转 gerber)。

5. 要装配 pcb，准备 bom 表吧，一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不该上，要做到心理有数。对于小批量或研究板而言，用 excel 自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。而对于新手而言，第一个版本，不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将 bom 的料全部焊上，这样不便于排查问题。最好的方法就是，根据 bom 表自己准备好元件。等到板来了之后，一步步上元件、调试。

电路板调试
1. 拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供电看功能，硬件调试不可能一步调试完成的。先拿万用表看看关键网络是否有不正常，主要是看电源与地之间有否短路(尽管生产厂商已经帮你做过测试，这一步还是要自己亲自看看，有时候看起来某些步骤挺繁琐，但是可以节约你后面不少时间！)，其实短路与否不光 pcb 有关，在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题，IO 短路一般不会造成灾难性的后果，但是电源短路就 ......

2. 电源网络没短路？那么好，那就看看电源输出是否是自己理想的值，对于初学者，调试的时候最好 IC 一件件芯片上，第一个要上的就是电源芯片。

3. 电源网络短路了？这个比较麻烦，不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况，同时结合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是 pcb 的问题(一般比较烂的 pcb 厂就可能出现这种情况)，还是装配的问题，还是自己设计的问题。关于检查短路还有一些技巧，这在今后登出 ......

4. 电源芯片没有输出?检查检查你的电源芯片输入是否正常吧，还需要检查的地方有使能信号，分压电阻，反馈网络 ......

5. 电源芯片输出值不在预料范围?如果超过很离谱，比如到了 10%，那么看看分压电阻先，这两个分压电阻一般要用 1%的精度，这个你做到了没有，同时看看反馈网络吧，这也会影响你的输出电源的范围。

6. 电源输出正常了，别高兴，如果有条件的话，拿示波器看看吧，看看电源的输出跳变是否正常。也就是抓取开电的瞬间，看看电源从无到有的情况(至于为什么要看着个，嘿嘿 ...... 专业人士还是要看的～)

电源设计
无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定，其他啥都别谈。我想不用 balabala 述说它究竟有多么重要了。

在电源设计我们用得最多的场合是，从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压。这也就是经常说的 DC/DC，其中用得最多的电源稳压芯片有两种，一种叫 LDO(低压差线性稳压器，我们后面说的线性稳压电源，也是指它)，另一种叫 PWM（脉宽调制开关电源，我们在本文也称它开关电源）。我们常常听到 PWM 的效率高，但是 LDO 的响应快，这是为什么呢？别着急，先让我们看看它们的原理。

未完待续：关于电路设计的新手入门学习导读（下）