硬件電路工程師入門經(jīng)驗分享
時間：2018-11-25 00:00:00
來源：信盈達
作者：信盈達
時光飛逝，離俺最初畫第一塊電路已有3年。剛剛開始接觸電路板的時候，與你一樣，俺充滿了疑惑同時又帶著些興奮。在網(wǎng)上許多關(guān)于硬件電路的經(jīng)驗、知識讓人目不暇接。像信號完整性，EMI，PS設(shè)計準會把你搞暈。別急，一切要慢慢來。
1整體思路
總體思路。設(shè)計硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實現(xiàn);但也有些要自己設(shè)計框架的，那就要搞清楚要實現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板(要懂得盡量利用他人的成果，越是有經(jīng)驗的工程師越會懂得借鑒他人的成果)。
理解電路。如果你找到了的參考設(shè)計，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時間了(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，而且能避免設(shè)計中的錯誤。
沒有找到參考設(shè)計? 沒關(guān)系。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)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)，這也需要長期地慢慢地積累。這期間，要善于提問，因為自己不懂的東西，別人往往一句話就能點醒你，尤其是硬件設(shè)計。
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。它很像我們教科書上的電路圖。pcb涉及到實際的電路板，它根據(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)，而將具體的元器件的封裝放置(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(布線)。完成了pcb布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)該有所歸納，所以我們將用到BOM表。
用什么工具?Protel，也就是altium容易上手，在國內(nèi)也比較流行，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門的設(shè)計者使用。
其實無論用簡單的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)品concept & allegro 是pre-command型的，用慣了protel，突然轉(zhuǎn)向cadence的工具，會不習(xí)慣就是這個原因)。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。現(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，我們必須得建立改元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以具體的圖形形式來代表(我們常常看到的是一個矩形(代表其IC BODY)，周圍許多短線(代表IC管腳))。protel創(chuàng)建庫及其簡單，而且因為用的人多，許多元件都能找到現(xiàn)成的庫，這一點對使用者極為方便。應(yīng)搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等區(qū)別。
2)有了充足的庫之后，就可以在原理圖上畫圖了，按照datasheet和系統(tǒng)設(shè)計的要求，通過wire把相關(guān)元件連接起來。在相關(guān)的地方添加line和text注釋。wire和line的區(qū)別在于，前者有電氣屬性，后者沒有。wire適用于連接相同網(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。原理圖是我們能認知的形式，電腦要將其轉(zhuǎn)化為pcb，就必須將原理圖轉(zhuǎn)化它認識的形式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)則檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設(shè)計錯誤進行排查，如多個output接在一起等問題。(但是一定要仔細檢查自己的原理圖，不能過分依賴工具，畢竟工具并不能明白你的系統(tǒng)，它只是純粹地根據(jù)一些基本規(guī)則排查。)
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，別急還得慢慢來。
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。需要根據(jù)需求好考慮板長，板寬(有時，還得考慮板厚)。當(dāng)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，中間第二層鋪地，底層走信號)。
先解釋一下(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命令發(fā)生在選中object之后)。這種操作windows和protel都采用的這種方式。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object，再在外面單擊(copy命令發(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。它往往決定了后期布線的難易。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，明白所有元件功能，自然對元件擺放有清楚的認識(如果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，注意模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機械位置的擺放，同時注意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。有經(jīng)驗的人往往在開始就能看出哪些地方能布線成功。如果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更加順暢。布線和布局問題涉及的因素很多，對于高速數(shù)字部分，因為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情況下，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對于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會有所標(biāo)注，按照這個再一一的排查，修正。
4)有些pcb還要加上敷銅(可能會導(dǎo)致成本增加)，將出線部分做成淚滴(工廠也許會幫你加)。最后的pcb文件轉(zhuǎn)成gerber文件就可交付pcb生產(chǎn)了。(有些直接給pcb也成，工廠會幫你轉(zhuǎn)gerber)。
5)要裝配pcb，準備bom表吧，一般能直接從原理圖中導(dǎo)出。但是需要注意的是，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)。對于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便(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，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料全部焊上，這樣不便于排查問題。最好的方法就是，根據(jù)bom表自己準備好元件。等到板來了之后，一步步上元件、調(diào)試。
