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手把手教你详细的硬件电路设计

2015年05月14日 10:30 次阅读

  献给那些刚开始或即将开始设计硬件电路的人。时光飞逝,离我最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路板的时候,与你一样,俺充满了疑惑同时又带着些兴奋。在网上许多关于硬件电路的经验、知识让人目不暇接。像信号完整性,EMI,PS设计准会把你搞晕。别急,一切要慢慢来。

  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) 没有找到参考设计? 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) 硬件电路设计主要是三个部分,原理图,pcb ,物料清单(BOM)表。原理图设计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)用什么工具?Prote,也就是alTImuml容易上手,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。

  6)to be conTInued。

  其实无论用简单的protel或者复杂的cadence工具,硬件设计大环节是一样的(protel上的操作类似windwos,是post- command型的;而cadence的产品concept & allegro 是pre-command型的,用惯了protel,突然转向cadence的工具,会不习惯就是这个原因)。设计大环节都要有1)原理图设计。 2)pcb设计。3)制作BOM表。现在简要谈一下设计流程(步骤):

  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)。

  7)to be conTInued.。

  先解释一下(2)中的术语。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。

  6)to be conTInued.。

  再谈谈调试吧。

  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。。.。。.

  3)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。。.。。.

  4) 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。

  5)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~)

  6)To be continued.。

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光子电路设计在无晶圆厂生态系统中蓄势待发

以成熟度来看,尽管光学整合技术大约较电子整合落后30年,但它仍是一种快速进展的技术。光学整合在200...

发表于 2016-11-18 11:08 340次阅读
光子电路设计在无晶圆厂生态系统中蓄势待发

电路可靠性设计的十大误区

电路设计不仅有很多技巧,同样也存在很多误区。本文将介绍电路稳定性设计当中的十个误区。

发表于 2016-11-17 11:36 717次阅读
电路可靠性设计的十大误区

新一代LED光耦电路设计,改进老化和能耗

电子电路的设计方式和思路不断推陈出新,其中光耦电路也面临重要变革。虽然看起来简单,但是面对LED光耦...

发表于 2016-11-05 08:04 343次阅读
新一代LED光耦电路设计,改进老化和能耗

【收藏】268条PCB Layout及电路设计规...

本文总结了PCB布线与布局和电路设计总共268条设计规范,下面与大家一起分享。

发表于 2016-09-08 14:26 2313次阅读
【收藏】268条PCB Layout及电路设计规...

基于开关电源的过流保护电路设计

当电源的输出端超过额定负载或短路时,会对电源造成损坏,以至造成系统不能正常工作。针对于此我们在设计电...

发表于 2016-09-05 18:09 2856次阅读
基于开关电源的过流保护电路设计

电路防护方案设计整改的措施

如何提高防护方案的防护力度,一直都是产品设计中不可忽视的问题,其不仅关系到防护方案本身的可靠性,也关...

发表于 2016-09-01 11:45 375次阅读
电路防护方案设计整改的措施

数字电路之时序电路

在《数字电路之如雷贯耳的“逻辑电路”》、《数字电路之数字集成电路IC》之后,本文是数字电路入门3,将...

发表于 2016-08-01 10:58 5465次阅读
数字电路之时序电路

电路设计中可靠性和抗干扰能力提升的注意事项

本文从最基本、最常用的电子元器件和基本电路的着手,介绍电路设计时应该注意的一些问题, 以提高所设计电...

发表于 2016-06-28 15:39 3570次阅读
电路设计中可靠性和抗干扰能力提升的注意事项

PCB高速信号电路设计的三大布线技巧详解

PCB板的设计是电子工程师的必修课,而想要设计出一块完美的PCB板也并不是看上去的那么容易。一块完美...

发表于 2016-03-23 11:15 1754次阅读
PCB高速信号电路设计的三大布线技巧详解

工程师谈初学者电子制作必备技能

只有从基本的电的知识学起,学习用基本电子电路制作一些小的电于作品,才能逐步学习更多的知识,掌握更高级...

发表于 2016-02-01 11:25 7423次阅读
工程师谈初学者电子制作必备技能

不得不看的电路设计八大误区

简介:我们常常会发现,自己想当然的一些规则或道理往往会存在一些差错。电子工程师在电路设计中也会有这样...

发表于 2015-10-26 14:58 660次阅读
不得不看的电路设计八大误区

慎选电阻!不同的电阻可在电路设计中发挥不同的作用

 电阻在电子产品中是最常用的器件之一,基本上只要是电子产品,内部就会存在电阻。

发表于 2015-09-21 11:16 840次阅读
慎选电阻!不同的电阻可在电路设计中发挥不同的作用

杜绝这两个电路设计失误!

今天写两个电路设计失误,第一个是由于电流增益不够引起的,该电路是参考别的设计者引发的,看了之后可以...

发表于 2015-09-17 16:26 663次阅读
杜绝这两个电路设计失误!

【绝对干货】高精度逐次逼近型ADC支持电路的设计...

高精度逐次逼近型ADC支持电路的结构 SAR基准电压源分为内部与外部 内部基准电压源 易于使用 节省...

发表于 2015-08-25 11:55 1412次阅读
【绝对干货】高精度逐次逼近型ADC支持电路的设计...

电路设计中对连接器的七点考量

随着电子产品尺寸的变小,设计师在进行电子产品设计时,对连接的考虑也要有所变化。

发表于 2015-05-14 09:00 1311次阅读
电路设计中对连接器的七点考量

工程师在电路设计中的八大误区

我们常常会发现,自己想当然的一些规则或道理往往会存在一些差错。电子工程师在电路设计中也会有这样的例子...

发表于 2015-03-16 17:04 996次阅读
工程师在电路设计中的八大误区

九档可调直流电源电路参考设计

九档可调直流电源主要是由稳压三端可调集成块(m31)为核心元件,LM317可调端接有三家管VT,可调...

发表于 2015-03-02 10:05 1259次阅读
九档可调直流电源电路参考设计

电子工程师们都在用哪些APP?

如今的时代几乎人手一部智能手机,而应用于智能手机上的APP更是多如牛毛,涵盖了各行各业。对于一个电子...

发表于 2014-11-18 10:15 32584次阅读
电子工程师们都在用哪些APP?

电路设计中如何防止静电放电?

与人们的常识相反,设计人员完全可以让系统在经过ESD事件后不发生故障并仍能继续运行。将这个目标谨记在...

发表于 2014-04-16 09:41 15679次阅读
电路设计中如何防止静电放电?

浅议低功耗、低噪声电源电路设计经验和感想

在做硬件系统设计时,需要选择正确的电源供电芯片,无论是设计消费数码电子还是无线传感设备,需要权衡好产...

发表于 2014-01-10 10:04 2357次阅读
浅议低功耗、低噪声电源电路设计经验和感想

资深工程师谈谈传感器需要注意的四点设计

好的传感器的设计是经验加技术的结晶。一般理解传感器是将一种物理量经过电路转换成一种能以另外一种直观的...

发表于 2013-09-12 19:08 848次阅读
资深工程师谈谈传感器需要注意的四点设计

RF电路设计中降低寄生信号的八大途径

 RF电路板设计最重要的是不该有信号的地方要隔离信号,而该有信号的地方一定要获得信号。这就要求我们有...

发表于 2012-09-10 16:32 426次阅读
RF电路设计中降低寄生信号的八大途径

仪表放大器电路原理、构成及电路设计

随着电子技术的飞速发展,运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器,它源于运算...

发表于 2012-09-10 14:51 7099次阅读
仪表放大器电路原理、构成及电路设计

新型AC LED变换器拓扑电路设计

针对传统的LED 灯整流电路的滤波电容使整流前端的交流输入电流波形变成尖脉冲,造成功率因数低、谐波成...

发表于 2012-08-22 11:31 6911次阅读
新型AC LED变换器拓扑电路设计

74HC595芯片驱动LED的电路设计

74HC595内含8位串入,串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。寄存器和锁存器分别有各自的时钟输...

发表于 2012-08-08 13:43 25111次阅读
74HC595芯片驱动LED的电路设计

线路布局标杆 佳能5D III内部优美电路设计(...

  Roger Cicala在收回一台用于出租的几乎全新的 佳能 5D Mark III 相机后,发...

发表于 2012-07-27 13:57 6425次阅读
线路布局标杆 佳能5D III内部优美电路设计(...

电路设计关键基础知识精华集锦

电子发烧友网讯:扎实的电路设计是初级电子工程师通向在设计上,能独当一面的优秀工程师的一门必修课。在电...

发表于 2012-07-25 11:24 174918次阅读
电路设计关键基础知识精华集锦

拷贝一份前辈的设计原理图吧 利用模拟工具优化电路...

我们都在思考着一个问题:我们会见的这些工程师怎么几乎一点都不了解模拟技术呢。我认为,这些应届毕业生设...

发表于 2012-07-11 15:56 382次阅读
拷贝一份前辈的设计原理图吧 利用模拟工具优化电路...

基于蓝牙技术的LED点阵屏设计方案

本文设计的是一种内容更新便捷、可扩展、低价格的点阵 LED文字显示屏。 降低成本的途径是:1、用几...

发表于 2012-07-05 10:42 3774次阅读
基于蓝牙技术的LED点阵屏设计方案

客车DC600V供电电源主电路设计

  摘要:为了提高客车DC600 V供电电源的功率因数,减小输出电压的波动,对主电路提出了基于“二极...

发表于 2012-06-27 11:28 3070次阅读
客车DC600V供电电源主电路设计

深入Apple电源适配器内部:出类拔萃的电路设计

一说到苹果公司,许多技术工程师都为之钦慕不已。但是究竟苹果iphone相关充电器组件内部的构...

发表于 2012-06-12 16:02 20107次阅读
深入Apple电源适配器内部:出类拔萃的电路设计

好电路!好男人!电路设计的艺术!

MM工程师把电路、美女、男人等风马牛不相及的东西硬能弄出10大相同点,并且点点切中要害。看完后佩服的...

发表于 2012-05-11 13:58 945次阅读
好电路!好男人!电路设计的艺术!

RF电路设计中遇到的问题及其解决

 单片射频器件大大方便了一定范围内无线通信领域的应用,采用合适的微控制器和天线并结合此收发器件即可构...

发表于 2012-05-10 10:42 934次阅读
RF电路设计中遇到的问题及其解决

电路设计中的元件降额设计

降额设计就是使元器件或产品工作时承受的工作应力适当低于元器件或产品规定的额定值,从而达到降低基本失效...

发表于 2012-05-02 11:38 3721次阅读
电路设计中的元件降额设计

LED照明电源电路设计典型问答

  LED驱动用恒流源主要是保证LED在发光的工作时间段光线亮度一致、不闪烁。低价手机用LDO来驱动...

发表于 2012-04-25 10:06 7600次阅读
LED照明电源电路设计典型问答

典型环境光传感器电路设计

  人们越来越多地认为环境光是一种能源,可用于驱动心率监控器、浴室灯具、远程天气传感器和其他低功耗器...

发表于 2012-04-25 08:59 2572次阅读
典型环境光传感器电路设计