献给那些刚开端或行将开端规划硬件电路的人。
前语韶光飞逝，离俺开端画榜首块电路已有3年。刚刚开端触摸电路板的时分，与你相同，俺充满了疑问一同又带着些振奋。在网上许多关于硬件电路的经历、常识让人眼花缭乱。像信号完好性，EMI，PS规划准会把你搞晕。别急，一切要慢慢来。
1、整体思路
规划硬件电路，大的结构和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不简略。有些大结构或许自己的老板、教师现已想好，自己仅仅把思路详细完结;
但也有些要自己规划结构的，那就要搞清楚要完结什么功用，然后找找有否能完结相同或相似功用的参阅电路板(要懂得尽量运用他人的效果，越是有经历的工程师越会懂得学习他人的效果)。
2、了解电路
假如你找到了的参阅规划，那么祝贺你，你能够节省许多时刻了(包含前期规划和后期调试)。立刻就copy?NO，仍是先看懂了解了再说，一方面能进步咱们的电路了解才能，并且能防止规划中的过错。
3、没有找到参阅规划?
不要紧。
先确认大IC芯片，找datasheet，看其要害参数是否契合自己的要求，哪些才是自己需求的要害参数，以及能否看懂这些要害参数，都是硬件工程师的才能的表现，这也需求长时刻地慢慢地堆集。这期间，要长于发问，由于自己不理解的东西，他人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件规划。
4、硬件电路规划首要是三个部分
原理图，PCB，物料清单(BOM)表。
原理图规划便是将前面的思路转化为电路原理图。它很像咱们教科书上的电路图。PCB触及到实践的电路板，它依据原理图转化而来的网表(网表是交流原理图和PCB之间的桥梁)，而将详细的元器件的封装放置(布局)在电路板上，然后依据飞线(也叫预拉线)衔接其电信号(布线)。完结了PCB布局布线后，要用到哪些元器件应该有所概括，所以咱们将用到BOM表。
5、用什么东西?
Prote，也便是altimuml简略上手，在国内也比较盛行，敷衍一般的作业现已满意，适宜初入门的规划者运用。
其实不管用简略的protel或许杂乱的cadence东西，硬件规划大环节是相同的(protel上的操作相似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的东西，会不习惯便是这个原因)。
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规划大环节都要有
1)原理图规划。
2)PCB规划。
3)制造BOM表。
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现在扼要谈一下规划流程(过程)：
1)原理图库树立。要将一个新元件摆放在原理图上，咱们必须得树立改元件的库。库中首要界说了该新元件的管脚界说及其特点，并且以详细的图形办法来代表(咱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创立库及其简略，并且由于用的人多，许多元件都能找到现成的库，这一点对运用者极为便利。应搞清楚icbody，icpins，inputpin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等差异。
2)有了足够的库之后，就能够在原理图上画图了，按datasheet和体系规划的要求，通过wire把相关元件衔接起来。在相关的当地添加line和text注释。
wire和line的差异在于，前者有电气特点，后者没有。wire适用于衔接相同网络，line适用于注释图形。这个时分，应搞清一些根本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。
3)做完这一步，咱们就能够生成netlist了，这个netlist是原理图与pcb之间的桥梁。原理图是咱们能认知的办法，电脑要将其转化为pcb，就必须将原理图转化它知道的办法netlist，然后再处理、转化为pcb。
4)得到netlist，立刻画pcb?别急，先做ERC先。ERC是电气规矩查看的缩写。它能对一些原理图根本的规划过错进行排查，如多个output 接在一同等问题。(可是必定要细心查看自己的原理图，不能过火依靠东西，终究东西并不能理解你的体系，它仅仅朴实地依据一些根本规矩排查。)
5)从netlist得到了pcb，一堆鳞次栉比的元件，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)确认板框巨细。在keepout区(或mechanic区)画个板框，这将约束了你布线的区域。需求依据需求好考虑板长，板宽(有时，还得考虑板厚)。当然了，叠层也得考虑好。(叠层的意思便是，板层有几层，怎样使用，比方板一共4层，顶层走信号，中心榜首层铺电源，中心第二层铺地，底层走信号)。
先解释一下(2)中的术语。post-command，例如咱们要复制一个object(元件)，咱们要先选中这个object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V(copy指令发生在选中object之后)。这种操作windows和protel都选用的这种办法。可是concept便是别的一种办法，咱们叫做pre-command。相同咱们要复制一个东西，先按ctrl+C，然后再选中object，再在外面单击(copy指令发生在选中object之前)。
1)确认完板框之后，就该元件布局(摆放)了，布局这步极为要害。它往往决议了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面，哪些元件该摆反面，都要有所考量。可是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不同视点考虑摆放方位都能够不相同。其实自己画了原理图，理解一切元件功用，天然对元件摆放有清楚的知道(假如让一个不是画原理图的人来摆放元件，其成果往往会让你大吃一惊^_^)。关于初入门的，留意模仿元件，数字元件的阻隔，以及机械方位的摆放，一同留意电源的拓扑就能够了。
2)接下来便是布线。这与布局往往是互动的。有经历的人往往在开端就能看出哪些当地能布线成功。假如有些当地难以布线还需求改动布局。关于fpga规划来说往往还要改动原理图来使布线愈加顺利。布线和布局问题触及的要素许多，关于高速数字部分，由于牵扯到信号完好性问题而变得杂乱，但往往这些问题又是难以定量或即便定量也难以核算的。所以，在信号频率不是很高的状况下，应以布通为榜首准则。
3)OK了?别急，用DRC查看查看先。这是必定要查看的。DRC关于布线完结覆盖率以及规矩违背的当地都会有所标示，依照这个再逐个的排查，批改。
4)有些PCB还要加上敷铜(或许会导致本钱添加)，将出线部分做成泪滴(工厂或许会帮你加)。终究的PCB文件转成gerber文件就可交给PCB出产了。(有些直接给PCB也成，工厂会帮你转gerber)。
5)要安装PCB，预备bom表吧，一般能直接从原理图中导出。可是需求留意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不该上，要做到心思稀有。关于小批量或研讨板而言，用excel自己办理倒也便利(大公司往往要专业软件来办理)。而关于新手而言，榜首个版别，不主张直接交给安装工厂或焊接工厂将bom的料悉数焊上，这样不便于排查问题。最好的办法便是，依据bom表自己预备好元件。比及板来了之后，一步步上元件、调试。
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谈谈调试
1)拿到板榜首步做什么，不要急急忙忙供电看功用，硬件调试不或许一步调试完结的。先拿万用表看看要害网络是否有不正常，首要是看电源与地之间有否短路(虽然出产厂商现已帮你做过测验，这一步仍是要自己亲身看看，有时分看起来某些过程挺繁琐，可是能够节省你后边不少时刻!)，其实短路与否不但pcb有关，在出产制造的任何一个环节或许导致这个问题，IO短路一般不会形成灾难性的结果，可是电源短路就……
2)电源网络没短路?那么好，那就看看电源输出是否是自己抱负的值，关于初学者，调试的时分最好IC一件件芯片上，榜首个要上的便是电源芯片。
3)电源网络短路了?这个比较费事，不过要细心看看自己原理图是否有或许这样的状况，一同结合割线的办法一步步排查倒底是什么当地短路了，是PCB的问题(一般比较烂的PCB厂就或许呈现这种状况)，仍是安装的问题，仍是自己规划的问题。关于查看短路还有一些技巧，这在往后登出……
4)电源芯片没有输出?查看查看你的电源芯片输入是否正常吧，还需求查看的当地有使能信号，分压电阻，反应网络……
5)电源芯片输出值不在意料规模?假如超越很离谱，比方到了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，一同看看反应网络吧，这也会影响你的输出电源的规模。
6)电源输出正常了，别快乐，假如有条件的话，拿示波器看看吧，看看电源的
输出跳变是否正常。也便是抓取开电的瞬间，看看电源从无到有的状况(至于为什么要看着个，嘿嘿……专业人士仍是要看的～)
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谈谈电源
无疑电源规划是整个电路板最重要的一环。电源不安稳，其他啥都别谈。我想不必balabala述说它终究有多么重要了。
在电源规划咱们用得最多的场合是，从一个安稳的“高”电压得到一个安稳的“低”电压。这也便是常常说的DC-DC(直流-直流)，而直流-直流中用得最多的电源稳压芯片有两种，一种叫LDO(低压差线性稳压器，咱们后边说的线性稳压电源，也是指它)，另一种叫PWM(脉宽调制开关电源，咱们在本文也称它开关电源)。咱们常常听到PWM的功率高，可是LDO的呼应快，这是为什么呢?别着急，先让咱们看看它们的原理。
下面会触及一些理论常识，可是仍然十分深入浅出，假如你不理解，嘿嘿，得查看一下自己的根底了。
一)线性稳压电源的作业原理
如图是线性稳压电源内部结构的简略示意图。咱们的意图是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中，Vo通过两个分压电阻分压得到V+，V+被送入放大器(咱们把这个放大器叫做差错放大器)的正端，而放大器的负端Vref是电源内部的参阅电平(这个参阅电平是安稳的)。放大器的输出Va衔接到MOSFET的栅极来操控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。
现在咱们来看Vo是怎样安稳的，假定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，这样通过相同的电流，MOSFET的压差将变小，所以将Vo上抬来按捺Vo的变小。同理，Vo变大，V+变大，Va变大，MOSFET的阻抗变大，通过相同的电流，MOSFET的压差变大，所以按捺Vo变大。
二)开关电源的作业原理
如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源选用了用必定占空比的方波Vg1，Vg2推进上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低;上MOS管翻开时，下MOS管封闭;下MOS管翻开时，上MOS管封闭。由此在L左端形成了必定占空比的方波电压，电感L和电容C咱们能够看作是低通滤波器，因而方波电压通过滤波后就得到了滤波后的安稳电压Vo。Vo通过R1、R2分压后送入榜首个放大器(差错放大器)的负端V+，差错放大器的输出Va 做为第二个放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有必定占空比的方波，通过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来操控MOSFET的开关。
差错放大器的正端Vref是一安稳的电压，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，因而Va与三角波的联系，决议了方波信号 Vpwm的占空比;Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。通过处理，Vg1与Vpwm同相，Vg2与 Vpwm反相;终究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，通过们逻辑之后，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下降，所以Vo的上升将被按捺。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作业原理之后，咱们就能够理解为什么线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态呼应，可是功率差;而开关电源噪声较大，瞬态呼应较慢，但功率高了。
线性稳压电源内部结构简略，反应环路短，因而噪声小，并且瞬态呼应快(当输出电压变化时，补偿快)。可是由于输入和输出的压差悉数落在了MOSFET上，所以它的功率低。因而，线性稳压一般用在小电流，对电压精度要求高的使用上。
而开关电源，内部结构杂乱，影响输出电压噪声功能的因数许多，且其反应环路长，因而其噪声功能低于线性稳压电源，且瞬态呼应慢。可是依据开关电源的结构，MOSFET处于彻底开和彻底关两种状况，除了驱动MOSFET，和MOSFET自己内阻耗费的能量之外，其他能量被悉数用在了输出(理论上L、C 是不耗能量的，虽然实践并非如此，但这些耗费的能量很小)。
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这一部分弄清高速信号知道的一些误区
一)高速看的是信号沿，不是时钟频率。
1)一般来说，时钟频率高的，其信号上升沿快，因而一般咱们把它们当成高速信号;但反过来不必定建立，时钟频率低的，假如信号上升沿仍然快的，相同要把它当成高速信号来处理。依据信号理论，信号上升沿包含了高频信息(用傅立叶改换，能够找出定量表达式)，因而，一旦信号上升沿很陡，咱们应该按
高速信号来处理，规划欠好，很或许呈现上升沿过于缓慢，有过冲，下冲，振铃的现象。比方，I2C信号，在超快速形式下，时钟频率为1MHz，可是其标准要求上升时刻或下降时刻不超越120ns!的确有许多板I2C就过不了关!
2)因而，咱们更应该重视的是信号带宽。依据经历公式，带宽与上升时刻(10%~90%)的联系为 Fw * Tr = 3.5
二)示波器挑选
1)许多人留意到了示波器的采样率，没有留意到示波器的带宽。但往往示波器带宽是一个更重要的参数。一些人认为只需示波器采样率满意超越信号时钟频率的两倍就行了，这是大错特错。过错的原因是过错的了解了采样定理。采样定理1阐明了当采样频率大于信号最大带宽的两倍，就能完美地恢恢复信号。
可是，采样定理指的信号是带限信号(带宽是有限的)，与实际中的信号严峻不符。咱们一般的数字信号，除了时钟之外，都不是周期的，从长时刻来看，其频谱是无限宽的;要能捕获到高速信号，就不能对其高频重量太多的失真。示波器带宽目标与此休戚相关。因而，真实要留意的仍然是用示波器捕获的信号的上升沿失真在咱们可接受的规模。
2)那么选多高带宽的示波器才适宜呢?理论上5倍于信号带宽的示波器捕获的信号比原信号丢失不到3%。假如要求丢失更宽松，那就能够挑选更低端的示波器。用到3倍于信号带宽的示波器应该能满意大多数要求。可是不要忘了你探头的带宽!
