手把手硬件電路詳細設(shè)計過程

1、手把手硬件電路詳細設(shè)計過程獻給那些剛開頭或即將開頭設(shè)計硬件的人。時間飛逝，離俺最初畫第一塊電路已有3年。剛剛開頭接觸電路板的時候，與你一樣，俺彌漫了懷疑同時又帶著些高興。在網(wǎng)上許多關(guān)于硬件電路的閱歷、學(xué)問讓人應(yīng)接不暇。像信號完整性，emi，ps設(shè)計準會把你搞暈。別急，一切要漸漸來。1)總體思路。設(shè)計硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清晰，但要做到這一點還真不簡單。有些大框架大概自己的老板、教師已經(jīng)想好，自己只是把思路詳細實現(xiàn);但也有些要自己設(shè)計框架的，那就要搞清晰要實現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實現(xiàn)同樣或相像功能的參考電路板(要懂得盡量利用他人的成績，越是有閱歷的工程師越會懂得借鑒他人的成績)。2)理

2、解電路。假如你找到了的參考設(shè)計，那么恭喜你，你可以節(jié)省無數(shù)時光了(包括前期設(shè)計和后期調(diào)試)。馬上就copy?no，還是先看懂理解了再說，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避開設(shè)計中的錯誤。3)沒有找到參考設(shè)計? 不要緊。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)，都是的能力的體現(xiàn)，這也需要長久地漸漸地堆積。這期間，要擅長提問，由于自己不懂的東西，別人往往一句話就能點醒你，尤其是硬件設(shè)計。4)硬件電路設(shè)計主要是三個部分，原理圖，pcb ，物料清單(bom)表。原理圖設(shè)計就是將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖。它很像我

3、們教科書上的。pcb涉及到實際的電路板，它按照原理圖轉(zhuǎn)化而來的網(wǎng)表(網(wǎng)表是交流原理圖和pcb之間的橋梁)，而將詳細的元器件的封裝放置(布局)在電路板上，然后按照飛線(也叫預(yù)拉線)銜接其電信號(布線)。完成了pcb布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)當有所歸納，所以我們將用到bom表。5)用什么工具?，也就是altium簡單上手，在國內(nèi)也比較流行，對付普通的工作已經(jīng)足夠，適合初入門的設(shè)計者用法。6)to be continued.其實無論用容易的protel或者復(fù)雜的cadence工具，硬件設(shè)計大環(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)

4、品concept & allegro 是pre-command型的，用慣了protel，驟然轉(zhuǎn)向cadence的工具，會不習慣就是這個緣由)。設(shè)計大環(huán)節(jié)都要有1)原理圖設(shè)計。2)pcb設(shè)計。3)制作bom表?，F(xiàn)在簡要談一下設(shè)計流程(步驟)：1)原理圖庫建立。要將一個新元件擺放在原理圖上，我們必需得建立改元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以詳細的圖形形式來代表(我們經(jīng)?？吹降氖且粋€矩形(代表其ic body)，周圍許多短線(代表ic管腳)。protel創(chuàng)建庫及其容易，而且由于用的人多，許多元件都能找到現(xiàn)成的庫，這一點對用法者極為便利。應(yīng)搞清晰ic body，ic p

5、ins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等區(qū)分。2)有了充沛的庫之后，就可以在原理圖上畫圖了，根據(jù)datasheet和系統(tǒng)設(shè)計的要求，通過wire把相關(guān)元件銜接起來。在相關(guān)的地方添加line和text注釋。wire和line的區(qū)分在于，前者有電氣屬性，后者沒有。wire適用于銜接相同網(wǎng)絡(luò)，line適用于注釋圖形。這個時候，應(yīng)搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。3)做完這一步，我們就可以生成netlist了，這個netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。原理圖是我們能

6、認知的形式，電腦要將其轉(zhuǎn)化為pcb，就必需將原理圖轉(zhuǎn)化它熟悉的形式netlist，然后再處理、轉(zhuǎn)化為pcb。4)得到netlist，馬上畫pcb?別急，先做erc先。erc是電氣規(guī)章檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設(shè)計錯誤舉行排查，如多個output接在一起等問題。(但是一定要認真檢查自己的原理圖，不能過分依靠工具，究竟工具并不能明了你的系統(tǒng)，它只是純粹地按照一些基本規(guī)章排查。)5)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?呵呵，別急還得漸漸來。6)確定板框大小。在keepout區(qū)(或mechanic區(qū))畫個板框，這將限制了你布線的區(qū)域。需要按照需求

7、好考慮板長，板寬(有時，還得考慮板厚)。固然了，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，中間第一層鋪電源，中間其次層鋪地，底層走信號)。7)to be continued.先說明一下(2)中的術(shù)語。post-command，例如我們要拷貝一個object(元件)，我們要先選中這個object，然后按ctrl+c，然后按ctrl+v(copy指令發(fā)生在選中object之后)。這種操作windows和protel都采納的這種方式。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東西，先按ctrl+c，然后再選中obj

8、ect，再在外面單擊(copy指令發(fā)生在選中object之前)。1)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。它往往打算了后期布線的難易。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。其實自己畫了原理圖，明了全部元件功能，自然對元件擺放有清晰的熟悉(假如讓一個不是畫原理圖的人來擺放元件，其結(jié)果往往會讓你大吃一驚_)。對于初入門的，注重模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機械位置的擺放，同時注重電源的拓撲就可以了。2)接下來就是布線。這與布局往往是互動的。有閱歷的人往往在開頭就能看出哪些地方能布線勝利。

9、假如有些地方難以布線還需要改動布局。對于fpga設(shè)計來說往往還要改動原理圖來使布線越發(fā)順暢。布線和布局問題涉及的因素無數(shù)，對于高速數(shù)字部分，由于牽扯到信號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算的。所以，在信號頻率不是很高的狀況下，應(yīng)以布通為第一原則。3)ok了?別急，用drc檢查檢查先。這是一定要檢查的。drc對于布線完成籠罩率以及規(guī)章違背的地方都會有所標注，根據(jù)這個再一一的排查，修正。4)有些pcb還要加上敷銅(可能會導(dǎo)致成本增強)，將出線部分做成淚滴(工廠大概會幫你加)。最后的pcb文件轉(zhuǎn)成gerber文件就可交付pcb生產(chǎn)了。(有些挺直給pcb也成，工廠會幫

10、你轉(zhuǎn)gerber)。5)要裝配pcb，預(yù)備bom表吧，普通能挺直從原理圖中導(dǎo)出。但是需要注重的是，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)。對于小批量或討論板而言，用excel自己管理倒也便利(大公司往往要專業(yè)軟件來管理)。而對于新手而言，第一個版本，不建議挺直交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料所有焊上，這樣不便于排查問題。最好的辦法就是，按照bom表自己預(yù)備好元件。等到板來了之后，一步步上元件、調(diào)試。6)to be continued.再談?wù)務(wù){(diào)試吧。1)拿到板第一步做什么，不要急連忙忙供電看功能，硬件調(diào)試不行能一步調(diào)試完成的。先拿看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要是看電源與地

11、之間有否短路(盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)幫你做過測試，這一步還是要自己親手看看，有時候看起來某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)省你后面不少時光!)，其實短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個問題，io短路普通不會造成災(zāi)害性的后果，但是電源短路就.2)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抱負的值，對于初學(xué)者，調(diào)試的時候最好ic一件件芯片上，第一個要上的就是電源芯片。3)電源網(wǎng)絡(luò)短路了?這個比較棘手，不過要認真看看自己原理圖是否有可能這樣的狀況，同時結(jié)合割線的辦法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的問題(普通比較爛的pcb廠就可能浮現(xiàn)這種狀況)，還是裝配的問題，還是自己設(shè)計

12、的問題。關(guān)于檢查短路還有一些技巧，這在今后登出.3)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，分壓，反饋網(wǎng)絡(luò).4) 電源芯片輸出值不在預(yù)料范圍?假如超過很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個分壓電阻普通要用1%的精度，這個你做到了沒有，同時看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧，這也會影響你的輸出電源的范圍。5)電源輸出正常了，別興奮，假如有條件的話，拿看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。也就是抓取開電的眨眼，看看電源從無到有的狀況(至于為什么要看著個，嘿嘿.專業(yè)人士還是要看的)6)to be continued.這一節(jié)談?wù)勲娫?。無疑電源設(shè)計是囫圇電路板最重要的一環(huán)

13、。電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它畢竟有多么重要了。在電源設(shè)計我們用得最多的場合是，從一個穩(wěn)定的“高”得到一個穩(wěn)定的“低”電壓。這也就是常常說的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(低壓差線性穩(wěn)壓器，我們后面說的線性，也是指它)，另一種叫(脈寬調(diào)制，我們在本文也稱它開關(guān)電源)。我們經(jīng)常聽到pwm的效率高，但是ldo的響應(yīng)快，這是為什么呢?別焦急，先讓我們看看它們的原理。下面會涉及一些理論學(xué)問，但是依舊十分深奧易懂，假如你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎(chǔ)了。一)線性穩(wěn)壓電源的工作原理是線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的容易暗示圖。我們的目的是從

14、高電壓vs得到低電壓vo。在圖中，vo經(jīng)過兩個分壓電阻分壓得到v+，v+被送入(我們把這個放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負端vref是電源內(nèi)部的參考電平(這個參考電平是恒定的)。放大器的輸出va銜接到的柵極來控制mosfet的阻抗。va變大時，mosfet的阻抗變大;va變小時，mosfet的阻抗變小。mosfet上的壓降將是vs-vo?，F(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，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

15、，經(jīng)過同樣的電流，mosfet的壓差變大，于是抑制vo變大。二)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)電源采納了用一定占空比的方波vg1,vg2推進上下mos管，vg1和vg2是反相的，vg1為高，vg2為低;上mos管打開時，下mos管關(guān)閉;下mos管打開時，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，l和c我們可以看作是低通，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分壓后送入第一個放大器(誤差放大器)的負端v+，誤差放大器的輸出va做為其次個放大器(pwm放大器)的正端，pwm放大器的輸出vpwm是一個有一定占空比的方波，經(jīng)過門規(guī)

16、律電路處理得到兩個反相的方波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放大器的負端vt是一個三角波信號，一旦va比三角波大時，vpwm為高;va比三角波小時，vpwm為低，因此va與三角波的關(guān)系，打算了方波信號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;終于l左端的方波電壓vp與vg1相同。如下圖當vo升高時，v+將升高，va下降，vpwm占空比下降，經(jīng)過們規(guī)律之后，vg1的占空比下降，vg2的占空比升高，vp占空比下降，這又導(dǎo)致vo降低，于是vo的升高將被抑制。反之亦然。三)線性

17、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，我們就可以明了為什么線性穩(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)容易，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應(yīng)快(當輸出電壓變幻時，補償快)。但是由于輸入和輸出的壓差所有落在了mosfet上，所以它的效率低。因此，線性穩(wěn)壓普通用在小電流，對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)無數(shù)，且其反饋環(huán)路長，因此其噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。但是按照開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，mosfet處于徹低開和徹低關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動mo

18、sfet，和mosfet自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被所有用在了輸出(理論上l、c是不耗能量的，盡管實際并非如此，但這些消耗的能量很小)。先寫part 8，待到能上傳再添補 part 6,7做為描述開關(guān)電源原理，以及l(fā)do與開關(guān)電源比較之用。這一部分澄清高速信號熟悉的一些誤區(qū)。一) 高速看的是信號沿，不是時鐘頻率。1) 普通而言，時鐘頻率高的，其信號升高沿快，因此普通我們把它們當成高速信號;但反過來不一定成立，時鐘頻率低的，假如信號升高沿依舊快的，一樣要把它當成高速信號來處理。按照信號理論，信號升高沿包含了高頻信息(用傅立葉變換，可以找出定量表達式)，因此，一旦信號升高沿很陡，我們應(yīng)當按高速信號來處理，設(shè)計不好，很可能浮現(xiàn)升高沿過于緩慢，有過沖，下沖，振鈴的現(xiàn)象。比如，i2c信號，在超迅速模式下，時鐘頻率為1mhz，但是其規(guī)范要求升高時光或下降時光不超過120ns!的確有無數(shù)板i2c就過不了關(guān)!2)因此，我們更應(yīng)當關(guān)注的是信號帶寬。按照閱歷公式，帶寬與升高時光(10%90%)的關(guān)系為 fw * tr = 3.5二) 示波器挑選1) 無數(shù)人注重到了示波器的采樣率，沒有注重到示波器的帶寬。但往往示波器帶寬是一個更重要的參數(shù)。一些人以為只要示波器采樣率滿足超過信號時鐘頻率的兩倍就行了，這是大錯特錯。錯誤的緣由是錯誤的理解了采樣定理。采樣定理1解釋了當采樣