
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。 2 C2 [; X# n- G4 ^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: 8 Q( D" R9 Z- E1 V) ^1 f 1)总体思路6 q' ~6 v+ U( Y% T" l9 C 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)。 * X' _2 d7 h5 q8 S6 t: o 2)理解电路9 t9 U6 d' W3 f ) T( O' }+ b* N6 m# W 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。2 i4 p- Z$ }9 z# G* T5 E 5 O9 T( O: ^3 Y5 I7 e2 e$ A 3)找到参考设计! G1 F$ M8 x. b" \& B/ Q ! u1 f% z0 D, y L9 O2 t 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。 / a1 H/ `* T( @* K0 C2 W7 a 4)硬件电路设计的三个部分:原理图、PCB 和物料清单(BOM)表 8 O, S9 [ A# _3 N 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。! {2 k; `( A- ^0 ? 5)选择 PCB 设计工具9 f/ M6 e G6 N: {! r$ b ( o/ n) y, j" b1 u) y' b 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。 # `3 i& ~& ?" y- E* c( T 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 / D( H7 b1 t) l4 g/ k# }! u: Q$ ~ 2)PCB 设计 1 S" s1 E2 i& U, u) ^- Y5 I4 i 3)制作 BOM 表: I: a0 O3 z; S2 n' M/ U' e, \ " e, @! H3 D6 f2 n" R3 w0 u 现在再谈一下具体的设计步骤+ H3 _ s1 Q e6 N, C ; h$ @- D8 B+ ]* F. C8 { 原理图建立+网表生成 ) C4 O2 D4 a+ a+ q G7 v1 Y$ T 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。8 X% [: C6 j( \4 { | 7 P8 D( w- Q" X( B% { 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。% v' X6 m' o6 ^3 c: x 1 e6 _# T* b: c- [2 I% W 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。2 T: N' V2 j& E/ E& z% A : q) q+ W$ C8 h, e 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。) % l1 }. i5 R* Q( u& S 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。0 H+ O4 M* O+ |5 r" s9 g5 Q 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)。" a$ K5 k( m2 w8 X/ _* c4 O' \ 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。 @/ \' U3 h& n8 y* Z 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。 * h$ @) z7 n9 O) I- c1 ?6 n9 v 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。" L: Y" V2 Y" r# Z# o- v2 j, l3 R9 | 电路板调试, n5 b4 \9 g: D6 t1 v 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。 & A0 h% M7 }, a6 m3 [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 ...... - a, Y! d4 N0 O5 k/ m4. 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 ...... ' R" F! O$ r9 A0 Z9 |0 `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~)+ |. v* V6 C# L- t / m1 |4 G/ X- j7 z3 a* r+ w' g8 x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。 4 y$ C8 l1 s/ a7 D7 ?/ ^ 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)7 p9 X# b. ~" ?# b |