當(dāng)你初次接觸電路板時(shí)，內(nèi)心或許會(huì)充滿疑惑，但同時(shí)也懷揣著一絲興奮。網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于硬件電路的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)紛繁復(fù)雜，像信號(hào)完整性、EMI 等概念準(zhǔn)會(huì)讓你暈頭轉(zhuǎn)向。別著急，學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，讓我們一步一個(gè)腳印，慢慢揭開硬件電路設(shè)計(jì)的神秘面紗。

總體思路

設(shè)計(jì)硬件電路，首先要搞清楚大的框架和架構(gòu)，然而這并非易事。有些大框架可能老板或老師已經(jīng)規(guī)劃好，你只需將思路具體實(shí)現(xiàn)；但也有些情況需要你自己設(shè)計(jì)框架，這時(shí)就要明確要實(shí)現(xiàn)的功能，然后尋找是否有能實(shí)現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板。有經(jīng)驗(yàn)的工程師都深知借鑒他人成果的重要性，我們應(yīng)盡量站在巨人的肩膀上，少走彎路。

理解電路

如果你幸運(yùn)地找到了參考設(shè)計(jì)，那恭喜你，這將為你節(jié)省大量時(shí)間，包括前期的設(shè)計(jì)和后期的調(diào)試。但先別急著復(fù)制，還是要先看懂并理解參考設(shè)計(jì)。這樣做一方面能提高我們的電路理解能力，另一方面能避免設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。
要是沒有找到參考設(shè)計(jì)也沒關(guān)系，你可以先確定大 IC 芯片，查找其 datasheet，查看關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求。能否準(zhǔn)確判斷哪些是關(guān)鍵參數(shù)，以及是否能看懂這些參數(shù)，都是硬件工程師能力的體現(xiàn)，這需要長(zhǎng)期的積累。在這個(gè)過程中，要善于提問，因?yàn)樵谟布O(shè)計(jì)中，別人的一句話或許就能讓你茅塞頓開。

設(shè)計(jì)硬件電路

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：原理圖、PCB 以及物料清單（BOM）表。

• 原理圖設(shè)計(jì)：將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖，它類似于教科書上的電路圖。
• PCB 設(shè)計(jì)：涉及實(shí)際的電路板，根據(jù)原理圖轉(zhuǎn)化而來的網(wǎng)表（網(wǎng)表是溝通原理圖和 PCB 之間的橋梁），將具體的元器件封裝放置（布局）在電路板上，然后根據(jù)飛線（也叫預(yù)拉線）連接其電信號(hào)（布線）。
• BOM 表：完成 PCB 布局布線后，需要?dú)w納用到的元器件，這時(shí)就會(huì)用到 BOM 表。

設(shè)計(jì)工具選擇

Protel，也就是 Altium，容易上手，在國(guó)內(nèi)比較流行，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門的設(shè)計(jì)者使用。其實(shí)無論使用簡(jiǎn)單的 Protel 還是復(fù)雜的 Cadence 工具，硬件設(shè)計(jì)的大環(huán)節(jié)是一樣的。Protel 上的操作類似 Windows，是 post - command 型的；而 Cadence 的產(chǎn)品 Concept Allegro 是 pre - command 型的，習(xí)慣了 Protel 的人突然轉(zhuǎn)向 Cadence 的工具，可能會(huì)不太習(xí)慣。

設(shè)計(jì)流程

1. 原理圖庫建立：要將新元件擺放在原理圖上，必須建立元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并以具體的圖形形式表示。Protel 創(chuàng)建庫非常簡(jiǎn)單，而且由于使用的人多，許多元件都能找到現(xiàn)成的庫，這為使用者提供了極大的便利。在建立庫的過程中，要搞清楚 IC body、IC pins、input pin、output pin、analog pin、digital pin、power pin 等的區(qū)別。
   
2. 畫原理圖：有了充足的庫后，就可以在原理圖上畫圖了。按照 datasheet 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，通過 wire 把相關(guān)元件連接起來，并在相關(guān)的地方添加 line 和 text 注釋。需要注意的是，wire 有電氣屬性，適用于連接相同網(wǎng)絡(luò)；line 沒有電氣屬性，適用于注釋圖形。此時(shí)，要搞清一些基本概念，如 wire、line、bus、part、footprint 等。不同工具的操作方式也有所不同，例如 Protel 采用 post - command 方式，而 Concept 采用 pre - command 方式。
3. 生成 netlist：完成原理圖繪制后，就可以生成 netlist 了。netlist 是原理圖與 PCB 之間的橋梁，電腦需要將原理圖轉(zhuǎn)化為它能認(rèn)識(shí)的 netlist 形式，然后再處理、轉(zhuǎn)化為 PCB。
4. 電氣規(guī)則檢查（ERC）：得到 netlist 后不要急于畫 PCB，先進(jìn)行 ERC 檢查。ERC 能對(duì)一些原理圖基本的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行排查，如多個(gè) output 接在一起等問題。但不能過分依賴工具，自己還是要仔細(xì)檢查原理圖，因?yàn)楣ぞ咧皇歉鶕?jù)基本規(guī)則排查，無法理解系統(tǒng)的具體需求。
5. 獲得 PCB：從 netlist 得到 PCB 后，密密麻麻的元件和數(shù)不清的飛線可能會(huì)讓人感到驚訝，別著急，慢慢來。
6. 確定板框大小：在 keepout 區(qū)（或 mechanic 區(qū)）畫個(gè)板框，這將限制布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求考慮板長(zhǎng)、板寬（有時(shí)還需考慮板厚），同時(shí)也要考慮疊層，例如板總共 4 層，頂層走信號(hào)，中間第一層鋪電源，中間第二層鋪地，底層走信號(hào)。
7. 布局：確定完板框后，就該進(jìn)行元件布局了。布局極為關(guān)鍵，它往往決定了后期布線的難易程度。哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面，都需要仔細(xì)考量。對(duì)于初學(xué)者來說，要注意模擬元件和數(shù)字元件的隔離，以及機(jī)械位置的擺放，同時(shí)注意電源的拓?fù)洹?br class="container_fd70d wrapper_80cf2 undefined" style="--tw-border-spacing-x: 0; --tw-border-spacing-y: 0; --tw-translate-x: 0; --tw-translate-y: 0; --tw-rotate: 0; --tw-skew-x: 0; --tw-skew-y: 0; --tw-scale-x: 1; --tw-scale-y: 1; --tw-pan-x: ; --tw-pan-y: ; --tw-pinch-zoom: ; --tw-scroll-snap-strictness: proximity; --tw-gradient-from-position: ; --tw-gradient-via-position: ; --tw-gradient-to-position: ; --tw-ordinal: ; --tw-slashed-zero: ; --tw-numeric-figure: ; --tw-numeric-spacing: ; --tw-numeric-fraction: ; --tw-ring-inset: ; --tw-ring-offset-width: 0px; --tw-ring-offset-color: #fff; --tw-ring-color: rgba(59,130,246,.5); --tw-ring-offset-shadow: 0 0 #0000; --tw-ring-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow-colored: 0 0 #0000; --tw-blur: ; --tw-brightness: ; --tw-contrast: ; --tw-grayscale: ; --tw-hue-rotate: ; --tw-invert: ; --tw-saturate: ; --tw-sepia: ; --tw-drop-shadow: ; --tw-backdrop-blur: ; --tw-backdrop-brightness: ; --tw-backdrop-contrast: ; --tw-backdrop-grayscale: ; --tw-backdrop-hue-rotate: ; --tw-backdrop-invert: ; --tw-backdrop-opacity: ; --tw-backdrop-saturate: ; --tw-backdrop-sepia: ; -webkit-font-smoothing: antialiased; box-sizing: border-box;">
8. 布線：布線與布局往往是相互影響的，有經(jīng)驗(yàn)的人在開始時(shí)就能判斷哪些地方能布線成功，若有些地方難以布線，還需要改動(dòng)布局。對(duì)于 FPGA 設(shè)計(jì)來說，有時(shí)還需要改動(dòng)原理圖來使布線更加順暢。布線和布局問題涉及的因素很多，對(duì)于高速數(shù)字部分，由于牽扯到信號(hào)完整性問題，會(huì)變得更加復(fù)雜。在信號(hào)頻率不是很高的情況下，應(yīng)以布通為第一原則。
9. 布局布線后檢查：完成布局布線后，要用 DRC 檢查。DRC 會(huì)對(duì)布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方進(jìn)行標(biāo)注，需要按照標(biāo)注一一排查、修正。有些 PCB 還要加上敷銅（可能會(huì)導(dǎo)致成本增加），將出線部分做成淚滴（工廠也許會(huì)幫忙添加），最后將 PCB 文件轉(zhuǎn)成 Gerber 文件就可交付生產(chǎn)。對(duì)于小批量或研究板，用 Excel 自己管理 BOM 表比較方便；新手的第一個(gè)版本，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將 BOM 的料全部焊上，最好根據(jù) BOM 表自己準(zhǔn)備好元件，等板來了之后，一步步上元件、調(diào)試。

硬件調(diào)試

拿到板后不要急著供電看功能，硬件調(diào)試不可能一步完成。先拿萬用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要檢查電源與地之間是否短路。盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)做過測(cè)試，但自己還是要親自檢查，這一步雖然繁瑣，但能為后面節(jié)省不少時(shí)間。如果電源網(wǎng)絡(luò)短路，要仔細(xì)查看原理圖，結(jié)合割線的方法一步步排查是 PCB 的問題、裝配的問題還是自己設(shè)計(jì)的問題。

電源問題

電源設(shè)計(jì)是整個(gè)電路板最重要的一環(huán)，電源不穩(wěn)定，其他一切都無從談起。在電源設(shè)計(jì)中，我們常用的是從一個(gè)穩(wěn)定的 “高” 電壓得到一個(gè)穩(wěn)定的 “低” 電壓，即 DC - DC（直流 - 直流）。直流 - 直流中常用的電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種是 LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器，線性穩(wěn)壓電源也指它），另一種是 PWM（脈寬調(diào)制開關(guān)電源，也稱開關(guān)電源）。

• 線性穩(wěn)壓電源：內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，瞬態(tài)響應(yīng)快（當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，補(bǔ)償快）。但由于輸入和輸出的壓差全部落在了 MOSFET 上，所以效率低，一般用在小電流、對(duì)電壓精度要求高的應(yīng)用上。
• 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)很多，且反饋環(huán)路長(zhǎng)，因此噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源，瞬態(tài)響應(yīng)慢。但根據(jù)其結(jié)構(gòu)，MOSFET 處于完全開和完全關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動(dòng) MOSFET 和 MOSFET 自身內(nèi)阻消耗的能量外，其他能量都用于輸出，理論上 L、C 不耗能量，實(shí)際消耗的能量也很小，所以效率高。

高速信號(hào)認(rèn)識(shí)誤區(qū)

高速看的是信號(hào)沿，不是時(shí)鐘頻率。一般時(shí)鐘頻率高的信號(hào)上升沿快，通常被當(dāng)成高速信號(hào)，但反過來不一定成立，時(shí)鐘頻率低但信號(hào)上升沿快的，同樣要當(dāng)成高速信號(hào)處理。根據(jù)信號(hào)理論，信號(hào)上升沿包含了高頻信息，設(shè)計(jì)不好可能會(huì)出現(xiàn)上升沿過于緩慢、有過沖、下沖、振鈴等現(xiàn)象。

示波器選擇

很多人只注意示波器的采樣率，而忽略了帶寬，但示波器帶寬是一個(gè)更重要的參數(shù)。采樣定理指的是當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)最大帶寬的兩倍時(shí)，能完美地恢復(fù)原信號(hào)，但該定理針對(duì)的是帶限信號(hào)，與現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)不符。我們一般的數(shù)字信號(hào)頻譜是無限寬的，要捕獲高速信號(hào)，就不能讓其高頻分量有太多失真。理論上 5 倍于信號(hào)帶寬的示波器捕獲的信號(hào)比原信號(hào)損失不到 3%，如果要求損失更寬松，可以選擇更低端的示波器，用到 3 倍于信號(hào)帶寬的示波器應(yīng)該能滿足大多數(shù)要求，但不要忘了探頭的帶寬。