設計一款硬件電路，要熟悉元器件的基礎理論，比如元器件原理
、選型及使用，學會繪製原理圖，並通過軟件完成PCB設she計ji
，熟shu練lian掌zhang握wo工gong具ju的de技ji巧qiao使shi用yong，學xue會hui如ru何he優you化hua及ji調tiao試shi電dian路lu等deng。要yao如ru何he完wan整zheng地di設she計ji一yi套tao硬ying件jian電dian路lu設she計ji，下xia麵mian為wei大da家jia分fen享xiang我wo的de幾ji點dian個ge人ren經jing驗yan：

 

1）總體思路

 

設計硬件電路，大的框架和架構要搞清楚，但要做到這一點還真不容易。有些大框架也許自己的老板
、老師已經想好，自己隻是把思路具體實現；但也有些要自己設計框架的，那就要搞清楚要實現什麼功能，然後找找有否能實現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，越是有經驗的工程師越會懂得借鑒他人的成果)。

 

2）理解電路

 

如果你找到了的參考設計
，那麼恭喜你，你可以節約很多時間了(包括前期設計和後期調試)。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說，一方麵能提高我們的電路理解能力
，而且能避免設計中的錯誤。

 

3）找到參考設計

 

在(zai)開(kai)始(shi)做(zuo)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)前(qian)
，根(gen)據(ju)自(zi)己(ji)的(de)項(xiang)目(mu)需(xu)求(qiu)
，可(ke)以(yi)去(qu)找(zhao)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)硬(ying)件(jian)功(gong)能(neng)設(she)計(ji)的(de)，有(you)很(hen)多(duo)相(xiang)關(guan)的(de)參(can)考(kao)設(she)計(ji)。沒(mei)有(you)找(zhao)到(dao)
？也(ye)沒(mei)關(guan)係(xi)，先(xian)確(que)定(ding)大(da)IC芯片，找datasheet，看kan其qi關guan鍵jian參can數shu是shi否fou符fu合he自zi己ji的de要yao求qiu
，哪na些xie才cai是shi自zi己ji需xu要yao的de關guan鍵jian參can數shu，以yi及ji能neng否fou看kan懂dong這zhe些xie關guan鍵jian參can數shu，都dou是shi硬ying件jian工gong程cheng師shi的de能neng力li的de體ti現xian，這zhe也ye需xu要yao長chang期qi地di慢man慢man地di積ji累lei。這zhe期qi間jian，要yao善shan於yu提ti問wen，因yin為wei自zi己ji不bu懂dong的de東dong西xi，別bie人ren往wang往wang一yi句ju話hua就jiu能neng點dian醒xing你ni，尤you其qi是shi硬ying件jian設she計ji。

 

4）硬件電路設計的三個部分：原理圖
、PCB和物料清單（BOM）表

 

原理圖設計，其實就是將前麵的思路轉化為電路原理圖，它很像我們教科書上的電路圖。pcb涉及到實際的電路板，它根據原理圖轉化而來的網表(網表是溝通原理圖和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，然後根據飛線(也叫預拉線)連接其電信號(布線)。完成了pcb布局布線後
，要用到哪些元器件應該有所歸納，所以我們將用到BOM表。

 

5）選擇PCB設計工具

 

Protel，也就是Altium（現在入門的童鞋大多用AD）容易上手，網上的學習教程資料也很全麵
，在國內也比較流行
，應付一般的工作已經足夠
，適合初入門的設計者使用。

 

硬件電路設計的大環節必不可少，主要都要經過以下這幾個流程：

 

1）原理圖設計

2）PCB設計

3）製作BOM表

 

現在再談一下具體的設計步驟

 

原理圖建立+網表生成

 

1. 原yuan理li圖tu庫ku建jian立li。要yao將jiang一yi個ge新xin元yuan件jian擺bai放fang在zai原yuan理li圖tu上shang，我wo們men必bi須xu得de建jian立li改gai元yuan件jian的de庫ku。庫ku中zhong主zhu要yao定ding義yi了le該gai新xin元yuan件jian的de管guan腳jiao定ding義yi及ji其qi屬shu性xing
，並bing且qie以yi具ju體ti的de圖tu形xing形xing式shi來lai代dai表biao(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創建庫及其簡單，而且因為用的人多，許多元件都能找到現成的庫
，這一點對使用者極為方便。應搞清楚ic body，ic pins
，input pin，output pin，analog pin
，digital pin

，power pin等區別。

 

2. 有了充足的庫之後
，就可以在原理圖上畫圖了，按照datasheet和係統設計的要求，通過wire把相關元件連接起來。在相關的地方添加line和text注釋。wire和line的區別在於，前者有電氣屬性，後者沒有。wire適用於連接相同網絡，line適用於注釋圖形。這個時候，應搞清一些基本概念，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
，電腦要將其轉化為pcb，就必須將原理圖轉化它認識的形式netlist，然後再處理
、轉化為pcb。

 

4. 得到netlist，馬上畫pcb?別急

，先做ERC先。ERC是電氣規則檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設計錯誤進行排查，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
，畢竟工具並不能明白你的係統，它隻是純粹地根據一些基本規則排查。)

 

5. 從netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和數不清的飛線是不是讓你嚇了一跳?嗬嗬，別急還得慢慢來。

 

6. 確定板框大小。在keepout區(或mechanic區)畫個板框，這將限製了你布線的區域。需要根據需求好考慮板長
，板寬(有時

，還得考慮板厚)。當然了，疊層也得考慮好。(疊層的意思就是，板層有幾層
，怎麼應用
，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)。

 

PCB布局布線

 

先解釋一下前麵的術語。post-command
，例如我們要拷貝一個object(元件)，我們要先選中這個object，然後按ctrl+C，然後按ctrl+V(copy命令發生在選中object之後)。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，然後再選中object
，再在外麵單擊(copy命令發生在選中object之前)。

 

1. 確定完板框之後，就該元件布局(擺放)了le
，布bu局ju這zhe步bu極ji為wei關guan鍵jian。它ta往wang往wang決jue定ding了le後hou期qi布bu線xian的de難nan易yi。哪na些xie元yuan器qi件jian該gai擺bai正zheng麵mian，哪na些xie元yuan件jian該gai擺bai背bei麵mian，都dou要yao有you所suo考kao量liang。但dan是shi這zhe些xie都dou是shi一yi個ge仁ren者zhe見jian仁ren，智zhi者zhe見jian智zhi的de問wen題ti;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ru果guo讓rang一yi個ge不bu是shi畫hua原yuan理li圖tu的de人ren來lai擺bai放fang元yuan件jian，其qi結jie果guo往wang往wang會hui讓rang你ni大da吃chi一yi驚jing。對dui於yu初chu入ru門men的de
，注zhu意yi模mo擬ni元yuan件jian，數shu字zi元yuan件jian的de隔ge離li，以yi及ji機ji械xie位wei置zhi的de擺bai放fang，同tong時shi注zhu意yi電dian源yuan的de拓tuo撲pu就jiu可ke以yi了le。

 

2. 接(jie)下(xia)來(lai)就(jiu)是(shi)布(bu)線(xian)。這(zhe)與(yu)布(bu)局(ju)往(wang)往(wang)是(shi)互(hu)動(dong)的(de)。有(you)經(jing)驗(yan)的(de)人(ren)往(wang)往(wang)在(zai)開(kai)始(shi)就(jiu)能(neng)看(kan)出(chu)哪(na)些(xie)地(di)方(fang)能(neng)布(bu)線(xian)成(cheng)功(gong)。如(ru)果(guo)有(you)些(xie)地(di)方(fang)難(nan)以(yi)布(bu)線(xian)還(hai)需(xu)要(yao)改(gai)動(dong)布(bu)局(ju)。對(dui)於(yu)fpga設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)往(wang)往(wang)還(hai)要(yao)改(gai)動(dong)原(yuan)理(li)圖(tu)來(lai)使(shi)布(bu)線(xian)更(geng)加(jia)順(shun)暢(chang)。布(bu)線(xian)和(he)布(bu)局(ju)問(wen)題(ti)涉(she)及(ji)的(de)因(yin)素(su)很(hen)多(duo)，對(dui)於(yu)高(gao)速(su)數(shu)字(zi)部(bu)分(fen)，因(yin)為(wei)牽(qian)扯(che)到(dao)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)問(wen)題(ti)而(er)變(bian)得(de)複(fu)雜(za)，但(dan)往(wang)往(wang)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)又(you)是(shi)難(nan)以(yi)定(ding)量(liang)或(huo)即(ji)使(shi)定(ding)量(liang)也(ye)難(nan)以(yi)計(ji)算(suan)的(de)。所(suo)以(yi)
，在(zai)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)不(bu)是(shi)很(hen)高(gao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，應(ying)以(yi)布(bu)通(tong)為(wei)第(di)一(yi)原(yuan)則(ze)。

 

3. OK了
？別急
，用DRC檢查檢查先，這是一定要檢查的。DRC對於布線完成覆蓋率以及規則違反的地方都會有所標注，按照這個再一一的排查，修正。

 

4. 有些pcb還要加上敷銅(可能會導致成本增加)
，將出線部分做成淚滴(工廠也許會幫你加)。最後的pcb文件轉成gerber文件就可交付pcb生產了。(有些直接給pcb也成，工廠會幫你轉gerber)。

 

5. 要裝配pcb
，準備bom表(biao)吧(ba)，一(yi)般(ban)能(neng)直(zhi)接(jie)從(cong)原(yuan)理(li)圖(tu)中(zhong)導(dao)出(chu)。但(dan)是(shi)需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，原(yuan)理(li)圖(tu)中(zhong)哪(na)些(xie)部(bu)分(fen)元(yuan)件(jian)該(gai)上(shang)，哪(na)些(xie)部(bu)分(fen)元(yuan)件(jian)不(bu)該(gai)上(shang)，要(yao)做(zuo)到(dao)心(xin)理(li)有(you)數(shu)。對(dui)於(yu)小(xiao)批(pi)量(liang)或(huo)研(yan)究(jiu)板(ban)而(er)言(yan)


，用(yong)excel自己管理倒也方便(大公司往往要專業軟件來管理)。而對於新手而言，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，這樣不便於排查問題。最好的方法就是

，根據bom表自己準備好元件。等到板來了之後，一步步上元件、調試。

 

電路板調試

 

1. 拿(na)到(dao)板(ban)第(di)一(yi)步(bu)做(zuo)什(shen)麼(me)，不(bu)要(yao)急(ji)急(ji)忙(mang)忙(mang)供(gong)電(dian)看(kan)功(gong)能(neng)
，硬(ying)件(jian)調(tiao)試(shi)不(bu)可(ke)能(neng)一(yi)步(bu)調(tiao)試(shi)完(wan)成(cheng)的(de)。先(xian)拿(na)萬(wan)用(yong)表(biao)看(kan)看(kan)關(guan)鍵(jian)網(wang)絡(luo)是(shi)否(fou)有(you)不(bu)正(zheng)常(chang)，主(zhu)要(yao)是(shi)看(kan)電(dian)源(yuan)與(yu)地(di)之(zhi)間(jian)有(you)否(fou)短(duan)路(lu)(盡管生產廠商已經幫你做過測試
，這一步還是要自己親自看看
，有時候看起來某些步驟挺繁瑣，但是可以節約你後麵不少時間！)，其實短路與否不光pcb有關，在生產製作的任何一個環節可能導致這個問題
，IO短路一般不會造成災難性的後果，但是電源短路就......

 

2. 電源網絡沒短路
？那麼好

，那就看看電源輸出是否是自己理想的值，對於初學者，調試的時候最好IC一件件芯片上，第一個要上的就是電源芯片。

 

3. 電dian源yuan網wang絡luo短duan路lu了le？這zhe個ge比bi較jiao麻ma煩fan，不bu過guo要yao仔zai細xi看kan看kan自zi己ji原yuan理li圖tu是shi否fou有you可ke能neng這zhe樣yang的de情qing況kuang，同tong時shi結jie合he割ge線xian的de方fang法fa一yi步bu步bu排pai查zha倒dao底di是shi什shen麼me地di方fang短duan路lu了le
，是shipcb的問題(一般比較爛的pcb廠就可能出現這種情況)，還是裝配的問題，還是自己設計的問題。關於檢查短路還有一些技巧
，這在今後登出......

 

4. 電源芯片沒有輸出?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

，分壓電阻，反饋網絡......

 

5. 電源芯片輸出值不在預料範圍?如果超過很離譜
，比如到了10%
，那麼看看分壓電阻先，這兩個分壓電阻一般要用1%的精度，這個你做到了沒有，同時看看反饋網絡吧
，這也會影響你的輸出電源的範圍。

 

6. 電dian源yuan輸shu出chu正zheng常chang了le，別bie高gao興xing，如ru果guo有you條tiao件jian的de話hua
，拿na示shi波bo器qi看kan看kan吧ba，看kan看kan電dian源yuan的de輸shu出chu跳tiao變bian是shi否fou正zheng常chang。也ye就jiu是shi抓zhua取qu開kai電dian的de瞬shun間jian，看kan看kan電dian源yuan從cong無wu到dao有you的de情qing況kuang(至於為什麼要看著個
，嘿嘿......專業人士還是要看的～)

 

電源設計

 

無疑電源設計是整個電路板最重要的一環。電源不穩定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多麼重要了。

 

在電源設計我們用得最多的場合是，從一個穩定的“高”電壓得到一個穩定的“低”電壓。這也就是經常說的DC/DC
，其中用得最多的電源穩壓芯片有兩種，一種叫LDO(低壓差線性穩壓器
，我們後麵說的線性穩壓電源，也是指它)

，另一種叫PWM（脈寬調製開關電源
，我們在本文也稱它開關電源）。我們常常聽到PWM的效率高，但是LDO的響應快，這是為什麼呢？別著急，先讓我們看看它們的原理。

 

下麵會涉及一些理論知識，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂
，嘿嘿
，得檢查一下自己的基礎了。

 

一、線性穩壓電源的工作原理

 

 

如圖是線性穩壓電源內部結構的簡單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中，Vo經過兩個分壓電阻分壓得到V+
，V+被送入放大器(我們把這個放大器叫做誤差放大器)的正端

，而放大器的負端Vref是電源內部的參考電平(這個參考電平是恒定的)。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控製MOSFET的阻抗。Va變大時

，MOSFET的阻抗變大;Va變小時，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。

 

現在我們來看Vo是怎麼穩定的，假設Vo變小，那麼V+將變小
，放大器的輸出Va也將變小，這將導致MOSFET的阻抗變小
，這樣經過同樣的電流
，MOSFET的壓差將變小

，於是將Vo上抬來抑製Vo的變小。同理，Vo變大，V+變大，Va變大
，MOSFET的阻抗變大
，經過同樣的電流

，MOSFET的壓差變大
，於是抑製Vo變大。

 

二、開關電源的工作原理

 

 

如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開關電源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推動上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的
，Vg1為高，Vg2為低;上MOS管打開時
，下MOS管關閉;下MOS管打開時
，上MOS管關閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器，因此方波電壓經過濾波後就得到了濾波後的穩定電壓Vo。Vo經過R1
、R2分壓後送入第一個放大器(誤差放大器)的負端V+
，誤差放大器的輸出Va做為第二個放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個有一定占空比的方波，經過門邏輯電路處理得到兩個反相的方波Vg1、Vg2來控製MOSFET的開關。

 

誤差放大器的正端Vref是一恒定的電壓，而PWM放大器的負端Vt是一個三角波信號，一旦Va比三角波大時，Vpwm為高；Va比三角波小時
，Vpwm為低，因此Va與三角波的關係，決定了方波信號Vpwm的占空比

；Va高
，占空比就低
，Va低，占空比就高。經過處理,Vg1與Vpwm同相
，Vg2與Vpwm反相；最終L左端的方波電壓Vp與Vg1相同。如下圖

 

 

當Vo上升時，V+將上升
，Va下降
，Vpwm占空比下降
，經過們邏輯之後，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升
，Vp占空比下降，這又導致Vo降低，於是Vo的上升將被抑製。反之亦然。

 

三、線性穩壓電源和開關電源的比較

 

懂得了線性穩壓電源和開關電源的工作原理之後，我們就可以明白為什麼線性穩壓電源有較小的噪聲
，較快的瞬態響應，但是效率差;而開關電源噪聲較大
，瞬態響應較慢，但效率高了。

 

線性穩壓電源內部結構簡單
，反饋環路短，因此噪聲小，而且瞬態響應快(當輸出電壓變化時
，補償快)。但是因為輸入和輸出的壓差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，線性穩壓一般用在小電流，對電壓精度要求高的應用上。

 

erkaiguandianyuan
，neibujiegoufuza

，yingxiangshuchudianyazaoshengxingnengdeyinshuhenduo，qieqifankuihuanluchang，yinciqizaoshengxingnengdiyuxianxingwenyadianyuan，qieshuntaixiangyingman。danshigenjukaiguandianyuandejiegou，MOSFET處於完全開和完全關兩種狀態，除了驅動MOSFET，和MOSFET自己內阻消耗的能量之外
，其他能量被全部用在了輸出(理論上L、C是不耗能量的

，盡管實際並非如此，但這些消耗的能量很小)。

 

總zong而er言yan之zhi
，要yao學xue好hao硬ying件jian電dian路lu設she計ji，首shou先xian要yao弄nong清qing楚chu項xiang目mu需xu求qiu
，根gen據ju功gong能neng設she計ji硬ying件jian框kuang架jia，結jie合he參can考kao設she計ji，多duo借jie鑒jian別bie人ren的de設she計ji成cheng果guo，複fu用yong到dao自zi己ji的de硬ying件jian項xiang目mu上shang麵mian來lai。