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一套完整的硬件电路设计该怎么做?分享我多年的个人设计经验!

电子发烧友网 2019-07-02 16:42 次阅读

在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

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。

下面会涉及一些理论知识,但是依然非常浅显易懂,如果你不懂,嘿嘿,得检查一下自己的基础了。

一、线性稳压电源的工作原理

如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中,Vo经过两个分压电阻分压得到V+,V+被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)的正端,而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平(这个参考电平是恒定的)。放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时,MOSFET的阻抗变大;Va变小时,MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。

现在我们来看Vo是怎么稳定的,假设Vo变小,那么V+将变小,放大器的输出Va也将变小,这将导致MOSFET的阻抗变小,这样经过同样的电流,MOSFET的压差将变小,于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理,Vo变大,V+变大,Va变大,MOSFET的阻抗变大,经过同样的电流,MOSFET的压差变大,于是抑制Vo变大。

二、开关电源的工作原理

如上图,为了从高电压Vs得到Vo,开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管,Vg1和Vg2是反相的,Vg1为高,Vg2为低;上MOS管打开时,下MOS管关闭;下MOS管打开时,上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压,电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器,因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V+,误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端,PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波,经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

误差放大器的正端Vref是一恒定的电压,而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号,一旦Va比三角波大时,Vpwm为高;Va比三角波小时,Vpwm为低,因此Va与三角波的关系,决定了方波信号Vpwm的占空比;Va高,占空比就低,Va低,占空比就高。经过处理,Vg1与Vpwm同相,Vg2与Vpwm反相;最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。如下图

当Vo上升时,V+将上升,Va下降,Vpwm占空比下降,经过们逻辑之后,Vg1的占空比下降,Vg2的占空比上升,Vp占空比下降,这又导致Vo降低,于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。

三、线性稳压电源和开关电源的比较

懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后,我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声,较快的瞬态响应,但是效率差;而开关电源噪声较大,瞬态响应较慢,但效率高了。

线性稳压电源内部结构简单,反馈环路短,因此噪声小,而且瞬态响应快(当输出电压变化时,补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上,所以它的效率低。因此,线性稳压一般用在小电流,对电压精度要求高的应用上。

而开关电源,内部结构复杂,影响输出电压噪声性能的因数很多,且其反馈环路长,因此其噪声性能低于线性稳压电源,且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构,MOSFET处于完全开和完全关两种状态,除了驱动MOSFET,和MOSFET自己内阻消耗的能量之外,其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的,尽管实际并非如此,但这些消耗的能量很小)。

总而言之,要学好硬件电路设计,首先要弄清楚项目需求,根据功能设计硬件框架,结合参考设计,多借鉴别人的设计成果,复用到自己的硬件项目上面来。

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市场上不存在5K的阻值,最接近的是 4.99K(精度1%),其次是5.1K(精度5%)
的头像 电子发烧友网 发表于 07-09 14:08 2640次 阅读
电子工程师必须改的29个习惯

芯片半导体的资料库和体智库,只有你想不到,没有我们办不到的

半导体智库,中国半导体资料库。经过小编们彻夜不眠,我们终于收集并整理了超过18G全网最全的半导体学习....
的头像 半导体行业联盟 发表于 07-08 15:11 1362次 阅读
芯片半导体的资料库和体智库,只有你想不到,没有我们办不到的

干货分享|如何利用LabVIEW实现汽车仪表图像识别

图像识别是人工智能的一个重要领域,随着图像处理与分析技术的快速发展,图像识别已在医疗、零售、交通等领....
的头像 电子发烧友网 发表于 07-05 14:14 2631次 阅读
干货分享|如何利用LabVIEW实现汽车仪表图像识别

从硬件转向软件设计,硬件工程师请牢记这十大技巧

嵌入式系统设计不仅要求了解硬件,还要求了解软件的作用方式,以及如何与之交互。设计硬件需要的某种范式可....
的头像 电子发烧友网 发表于 07-05 14:14 2995次 阅读
从硬件转向软件设计,硬件工程师请牢记这十大技巧

运放参数解释及经常使用运放选型

集成运放的參数较多,当中主要參数分为直流指标和交流指标,外加全部芯片都有极限參数。
的头像 电子发烧友网 发表于 07-04 15:23 2548次 阅读
运放参数解释及经常使用运放选型

​【经验】资深工程师亲传,优质运放就该这么选型

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适....
的头像 电子发烧友网 发表于 07-04 15:20 1999次 阅读
​【经验】资深工程师亲传,优质运放就该这么选型

如何做好PCB设计电源平面处理,这几个要点必须谨记!

电源平面的处理,在PCB设计中占有很重要的地位。在一个完整的设计项目中,通常电源的处理情况能决定此次....
的头像 电子发烧友网 发表于 07-04 14:30 2671次 阅读
如何做好PCB设计电源平面处理,这几个要点必须谨记!

工程师/科学家喜欢使用MATLAB开发产品的7大理由

工程师和科学家信任 MATLAB,无论是将宇宙飞船发送到冥王星,还是匹配接受器官移植的患者与器官捐献....
的头像 电子发烧友网 发表于 07-04 09:51 2607次 阅读
工程师/科学家喜欢使用MATLAB开发产品的7大理由

【图文解析】电容器在电路中的27种作用!

滤波电容接在直流电压的正负极之间,以滤除直流电源中不需要的交流成分
的头像 电子发烧友网 发表于 07-02 16:53 1800次 阅读
【图文解析】电容器在电路中的27种作用!

​学习无刷电机,你必须知道的44个常识!

许多刚开始接触BLDC的工程师对其有一些疑惑,今天小编给大家整理了学习BLDC的44个常识,希望小编....
的头像 电子发烧友网 发表于 07-02 16:48 1345次 阅读
​学习无刷电机,你必须知道的44个常识!

【分享】NI LabVIEW软件平台及其机器视觉系统解决方案

从软件的角度看机器视觉的开发与集成过程
的头像 电子发烧友网 发表于 07-02 16:32 2222次 阅读
【分享】NI LabVIEW软件平台及其机器视觉系统解决方案

按照这5个步骤来调试PCB,基本万无一失

电路板调试请按照这5个步骤!
的头像 电子发烧友网 发表于 07-01 09:57 2142次 阅读
按照这5个步骤来调试PCB,基本万无一失

运算放大器内部构造及原理图解

集成运算放大器(以后简称集成运放)是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。
的头像 电子发烧友网 发表于 07-01 09:53 1883次 阅读
运算放大器内部构造及原理图解

你必须知道的电源技巧:小小的疏忽就能毁掉EMI性能

开关节点到输入引线的少量寄生电容(100毫微微法拉)会让您无法满足电磁干扰(EMI)需求
的头像 电子发烧友网 发表于 07-01 09:49 1438次 阅读
你必须知道的电源技巧:小小的疏忽就能毁掉EMI性能

多年单片机开发工程师的经验分享,看完豁然开朗

关于单片机的开发经验
的头像 电子发烧友网 发表于 07-01 09:42 2819次 阅读
多年单片机开发工程师的经验分享,看完豁然开朗

攻城狮出行如何耍酷?如此图鉴来一套

攻城狮出行如何耍酷?如此图鉴来一套
的头像 艾迈斯半导体 发表于 06-27 14:22 853次 阅读
攻城狮出行如何耍酷?如此图鉴来一套

USB电路板layout不得不看的7条建议

USB是一种快速、双向、同步传输、廉价、方便使用的可热拔插的串行接口。
的头像 电子发烧友网 发表于 06-27 11:49 3057次 阅读
USB电路板layout不得不看的7条建议

99%的电子工程师都会犯的常见错误!

分享一位70后电子工程师通过多年工作经验教训,总结出的29个常见错误。内容来源社区,希望能助大家“不....
的头像 电子发烧友网 发表于 06-26 16:10 3061次 阅读
99%的电子工程师都会犯的常见错误!

电子工程师要学的课程有哪些

我先晒一下我大学到工作学的课程晒一下吧:
的头像 工程师人生 发表于 06-21 17:19 2341次 阅读
电子工程师要学的课程有哪些

对于IC的封装,你了解了多少?

本文将介绍一些日常常用IC的封装原理及功能特性,通过了解各种类型IC的封装,电子工程师在设计电子电路....
的头像 周立功单片机 发表于 05-09 15:21 1959次 阅读
对于IC的封装,你了解了多少?

Elecfans百万电子工程师社群,等你来加入!

技术交流群主要为电子爱好者以及行业人士提供一个纯技术交流平台,由电子发烧友网所建...
的头像 Duke 发表于 04-29 17:38 0次 阅读
Elecfans百万电子工程师社群,等你来加入!

一名10多年工作经验的电子工程师对研发工作的感悟

作为一名10多年工作经验的电子工程师,说一下我在一个企业的亲身感受
的头像 工程师人生 发表于 04-29 16:20 1453次 阅读
一名10多年工作经验的电子工程师对研发工作的感悟

怎样成为一名合格的电子工程师

一个工程师应该在工程和生活中培养自己思维的习惯、深度和广度,以及思维方式和思维素材的选取。要成为一个....
的头像 工程师人生 发表于 04-12 16:30 1373次 阅读
怎样成为一名合格的电子工程师

论电子工程师的自我修养之修炼七大技能

电子工程师指从事各类电子设备和信息系统研究、教学、产品设计、科技开发、生产和管理等工作的高级工程技术....
的头像 电小二 发表于 04-06 16:36 1365次 阅读
论电子工程师的自我修养之修炼七大技能

十个电源视频教程免费看,还送100元京东卡!

芯片级隔离电源的进步可以大大降低设计的复杂性,减少元器件数量,同时通过多个隔离电源实现空间受限应用。
的头像 Duke 发表于 03-08 11:54 0次 阅读
十个电源视频教程免费看,还送100元京东卡!