手把手硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程

1、手把手硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程獻(xiàn)給那些剛開(kāi)頭或即將開(kāi)頭設(shè)計(jì)硬件的人。時(shí)間飛逝，離俺最初畫(huà)第一塊電路已有3年。剛剛開(kāi)頭接觸電路板的時(shí)候，與你一樣，俺彌漫了懷疑同時(shí)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(wèn)讓人應(yīng)接不暇。像信號(hào)完整性，emi，ps設(shè)計(jì)準(zhǔn)會(huì)把你搞暈。別急，一切要漸漸來(lái)。1)總體思路。設(shè)計(jì)硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清晰，但要做到這一點(diǎn)還真不簡(jiǎn)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(xì)實(shí)現(xiàn);但也有些要自己設(shè)計(jì)框架的，那就要搞清晰要實(shí)現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實(shí)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(jī)，越是有閱歷的工程師越會(huì)懂得借鑒他人的成績(jī))。2)理

2、解電路。假如你找到了的參考設(shè)計(jì)，那么恭喜你，你可以節(jié)省無(wú)數(shù)時(shí)光了(包括前期設(shè)計(jì)和后期調(diào)試)。馬上就copy?no，還是先看懂理解了再說(shuō)，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避開(kāi)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。3)沒(méi)有找到參考設(shè)計(jì)? 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(zhǎng)久地漸漸地堆積。這期間，要擅長(zhǎng)提問(wèn)，由于自己不懂的東西，別人往往一句話(huà)就能點(diǎn)醒你，尤其是硬件設(shè)計(jì)。4)硬件電路設(shè)計(jì)主要是三個(gè)部分，原理圖，pcb ，物料清單(bom)表。原理圖設(shè)計(jì)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(shū)上的。pcb涉及到實(shí)際的電路板，它按照原理圖轉(zhuǎn)化而來(lái)的網(wǎng)表(網(wǎng)表是交流原理圖和pcb之間的橋梁)，而將詳細(xì)的元器件的封裝放置(布局)在電路板上，然后按照飛線(xiàn)(也叫預(yù)拉線(xiàn))銜接其電信號(hào)(布線(xiàn))。完成了pcb布局布線(xiàn)后，要用到哪些元器件應(yīng)當(dāng)有所歸納，所以我們將用到bom表。5)用什么工具?，也就是altium簡(jiǎn)單上手，在國(guó)內(nèi)也比較流行，對(duì)付普通的工作已經(jīng)足夠，適合初入門(mén)的設(shè)計(jì)者用法。6)to be continued.其實(shí)無(wú)論用容易的protel或者復(fù)雜的cadence工具，硬件設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)是一樣的(protel上的操作類(lèi)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(huì)不習(xí)慣就是這個(gè)緣由)。設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)都要有1)原理圖設(shè)計(jì)。2)pcb設(shè)計(jì)。3)制作bom表?，F(xiàn)在簡(jiǎn)要談一下設(shè)計(jì)流程(步驟)：1)原理圖庫(kù)建立。要將一個(gè)新元件擺放在原理圖上，我們必需得建立改元件的庫(kù)。庫(kù)中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以詳細(xì)的圖形形式來(lái)代表(我們經(jīng)?？吹降氖且粋€(gè)矩形(代表其ic body)，周?chē)S多短線(xiàn)(代表ic管腳)。protel創(chuàng)建庫(kù)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(kù)，這一點(diǎn)對(duì)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(kù)之后，就可以在原理圖上畫(huà)圖了，根據(jù)datasheet和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)wire把相關(guān)元件銜接起來(lái)。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(méi)有。wire適用于銜接相同網(wǎng)絡(luò)，line適用于注釋圖形。這個(gè)時(shí)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(gè)netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。原理圖是我們能

6、認(rèn)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(huà)pcb?別急，先做erc先。erc是電氣規(guī)章檢查的縮寫(xiě)。它能對(duì)一些原理圖基本的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤舉行排查，如多個(gè)output接在一起等問(wèn)題。(但是一定要認(rèn)真檢查自己的原理圖，不能過(guò)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(xiàn)是不是讓你嚇了一跳?呵呵，別急還得漸漸來(lái)。6)確定板框大小。在keepout區(qū)(或mechanic區(qū))畫(huà)個(gè)板框，這將限制了你布線(xiàn)的區(qū)域。需要按照需求

7、好考慮板長(zhǎng)，板寬(有時(shí)，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(hào)，中間第一層鋪電源，中間其次層鋪地，底層走信號(hào))。7)to be continued.先說(shuō)明一下(2)中的術(shù)語(yǔ)。post-command，例如我們要拷貝一個(gè)object(元件)，我們要先選中這個(gè)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(gè)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(xiàn)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(gè)仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智的問(wèn)題;從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實(shí)自己畫(huà)了原理圖，明了全部元件功能，自然對(duì)元件擺放有清晰的熟悉(假如讓一個(gè)不是畫(huà)原理圖的人來(lái)擺放元件，其結(jié)果往往會(huì)讓你大吃一驚_)。對(duì)于初入門(mén)的，注重模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機(jī)械位置的擺放，同時(shí)注重電源的拓?fù)渚涂梢粤恕?)接下來(lái)就是布線(xiàn)。這與布局往往是互動(dòng)的。有閱歷的人往往在開(kāi)頭就能看出哪些地方能布線(xiàn)勝利。

9、假如有些地方難以布線(xiàn)還需要改動(dòng)布局。對(duì)于fpga設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)往往還要改動(dòng)原理圖來(lái)使布線(xiàn)越發(fā)順暢。布線(xiàn)和布局問(wèn)題涉及的因素?zé)o數(shù)，對(duì)于高速數(shù)字部分，由于牽扯到信號(hào)完整性問(wèn)題而變得復(fù)雜，但往往這些問(wèn)題又是難以定量或即使定量也難以計(jì)算的。所以，在信號(hào)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(duì)于布線(xiàn)完成籠罩率以及規(guī)章違背的地方都會(huì)有所標(biāo)注，根據(jù)這個(gè)再一一的排查，修正。4)有些pcb還要加上敷銅(可能會(huì)導(dǎo)致成本增強(qiáng))，將出線(xiàn)部分做成淚滴(工廠(chǎng)大概會(huì)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(chǎng)會(huì)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(duì)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(zhuān)業(yè)軟件來(lái)管理)。而對(duì)于新手而言，第一個(gè)版本，不建議挺直交給裝配工廠(chǎng)或焊接工廠(chǎng)將bom的料所有焊上，這樣不便于排查問(wèn)題。最好的辦法就是，按照bom表自己預(yù)備好元件。等到板來(lái)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(chǎng)商已經(jīng)幫你做過(guò)測(cè)試，這一步還是要自己親手看看，有時(shí)候看起來(lái)某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)省你后面不少時(shí)光!)，其實(shí)短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個(gè)環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題，io短路普通不會(huì)造成災(zāi)害性的后果，但是電源短路就.2)電源網(wǎng)絡(luò)沒(méi)短路?那么好，那就看看電源輸出是否是自己抱負(fù)的值，對(duì)于初學(xué)者，調(diào)試的時(shí)候最好ic一件件芯片上，第一個(gè)要上的就是電源芯片。3)電源網(wǎng)絡(luò)短路了?這個(gè)比較棘手，不過(guò)要認(rèn)真看看自己原理圖是否有可能這樣的狀況，同時(shí)結(jié)合割線(xiàn)的辦法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的問(wèn)題(普通比較爛的pcb廠(chǎng)就可能浮現(xiàn)這種狀況)，還是裝配的問(wèn)題，還是自己設(shè)計(jì)

12、的問(wèn)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(méi)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(hào)，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(guò)很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個(gè)分壓電阻普通要用1%的精度，這個(gè)你做到了沒(méi)有，同時(shí)看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧，這也會(huì)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(huà)，拿看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。也就是抓取開(kāi)電的眨眼，看看電源從無(wú)到有的狀況(至于為什么要看著個(gè)，嘿嘿.專(zhuān)業(yè)人士還是要看的)6)to be continued.這一節(jié)談?wù)勲娫?。無(wú)疑電源設(shè)計(jì)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(shuō)它畢竟有多么重要了。在電源設(shè)計(jì)我們用得最多的場(chǎng)合是，從一個(gè)穩(wěn)定的“高”得到一個(gè)穩(wěn)定的“低”電壓。這也就是常常說(shuō)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(xiàn)性穩(wěn)壓器，我們后面說(shuō)的線(xiàn)性，也是指它)，另一種叫(脈寬調(diào)制，我們?cè)诒疚囊卜Q(chēng)它開(kāi)關(guān)電源)。我們經(jīng)常聽(tīng)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(huì)涉及一些理論學(xué)問(wèn)，但是依舊十分深?yuàn)W易懂，假如你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎(chǔ)了。一)線(xiàn)性穩(wěn)壓電源的工作原理是線(xiàn)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(guò)兩個(gè)分壓電阻分壓得到v+，v+被送入(我們把這個(gè)放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負(fù)端vref是電源內(nèi)部的參考電平(這個(gè)參考電平是恒定的)。放大器的輸出va銜接到的柵極來(lái)控制mosfet的阻抗。va變大時(shí)，mosfet的阻抗變大;va變小時(shí)，mosfet的阻抗變小。mosfet上的壓降將是vs-vo?，F(xiàn)在我們來(lái)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(guò)同樣的，mosfet的壓差將變小，于是將vo上抬來(lái)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(guò)同樣的電流，mosfet的壓差變大，于是抑制vo變大。二)開(kāi)關(guān)電源的工作原理如上圖，為了從高電壓vs得到vo，開(kāi)關(guān)電源采納了用一定占空比的方波vg1,vg2推進(jìn)上下mos管，vg1和vg2是反相的，vg1為高，vg2為低;上mos管打開(kāi)時(shí)，下mos管關(guān)閉;下mos管打開(kāi)時(shí)，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(guò)濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓vo。vo經(jīng)過(guò)r1、r2分壓后送入第一個(gè)放大器(誤差放大器)的負(fù)端v+，誤差放大器的輸出va做為其次個(gè)放大器(pwm放大器)的正端，pwm放大器的輸出vpwm是一個(gè)有一定占空比的方波，經(jīng)過(guò)門(mén)規(guī)

16、律電路處理得到兩個(gè)反相的方波vg1、vg2來(lái)控制mosfet的開(kāi)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(fù)端vt是一個(gè)三角波信號(hào)，一旦va比三角波大時(shí)，vpwm為高;va比三角波小時(shí)，vpwm為低，因此va與三角波的關(guān)系，打算了方波信號(hào)vpwm的占空比;va高，占空比就低，va低，占空比就高。經(jīng)過(guò)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(dāng)vo升高時(shí)，v+將升高，va下降，vpwm占空比下降，經(jīng)過(guò)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(xiàn)性

17、穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的比較懂得了線(xiàn)性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的工作原理之后，我們就可以明了為什么線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源噪聲較大，瞬態(tài)響應(yīng)較慢，但效率高了。線(xiàn)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(dāng)輸出電壓變幻時(shí)，補(bǔ)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(xiàn)性穩(wěn)壓普通用在小電流，對(duì)電壓精度要求高的應(yīng)用上。而開(kāi)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(wú)數(shù)，且其反饋環(huán)路長(zhǎng)，因此其噪聲性能低于線(xiàn)性穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。但是按照開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，mosfet處于徹低開(kāi)和徹低關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動(dòng)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(shí)際并非如此，但這些消耗的能量很小)。先寫(xiě)part 8，待到能上傳再添補(bǔ) part 6,7做為描述開(kāi)關(guān)電源原理，以及l(fā)do與開(kāi)關(guān)電源比較之用。這一部分澄清高速信號(hào)熟悉的一些誤區(qū)。一) 高速看的是信號(hào)沿，不是時(shí)鐘頻率。1) 普通而言，時(shí)鐘頻率高的，其信號(hào)升高沿快，因此普通我們把它們當(dāng)成高速信號(hào);但反過(guò)來(lái)不一定成立，時(shí)鐘頻率低的，假如信號(hào)升高沿依舊快的，一樣要把它當(dāng)成高速信號(hào)來(lái)處理。按照信號(hào)理論，信號(hào)升高沿包含了高頻信息(用傅立葉變換，可以找出定量表達(dá)式)，因此，一旦信號(hào)升高沿很陡，我們應(yīng)當(dāng)按高速信號(hào)來(lái)處理，設(shè)計(jì)不好，很可能浮現(xiàn)升高沿過(guò)于緩慢，有過(guò)沖，下沖，振鈴的現(xiàn)象。比如，i2c信號(hào)，在超迅速模式下，時(shí)鐘頻率為1mhz，但是其規(guī)范要求升高時(shí)光或下降時(shí)光不超過(guò)120ns!的確有無(wú)數(shù)板i2c就過(guò)不了關(guān)!2)因此，我們更應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是信號(hào)帶寬。按照閱歷公式，帶寬與升高時(shí)光(10%90%)的關(guān)系為 fw * tr = 3.5二) 示波器挑選1) 無(wú)數(shù)人注重到了示波器的采樣率，沒(méi)有注重到示波器的帶寬。但往往示波器帶寬是一個(gè)更重要的參數(shù)。一些人以為只要示波器采樣率滿(mǎn)足超過(guò)信號(hào)時(shí)鐘頻率的兩倍就行了，這是大錯(cuò)特錯(cuò)。錯(cuò)誤的緣由是錯(cuò)誤的理解了采樣定理。采樣定理1解釋了當(dāng)采樣