一套完整的硬件电路设计该怎么做？

big_gun

在学习电路设计的时候，不知道你是否有这样的困扰：明明自己学了很多硬件电路理论，也做过了一些基础操作实践，但还是无法设计出自己理想的电路。归根结底，我们缺少的是硬件电路设计的思路，以及项目实战经验。
设计一款硬件电路，要熟悉元器件的基础理论，比如元器件原理、选型及使用，学会绘制原理图，并通过软件完成PCB设计，熟练掌握工具的技巧使用，学会如何优化及调试电路等。要如何完整地设计一套硬件电路设计，下面为大家分享我的几点个人经验：

1）总体思路
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设计硬件电路，大的框架和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好，自己只是把思路具体实现；但也有些要自己设计框架的，那就要搞清楚要实现什么功能，然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板(要懂得尽量利用他人的成果，越是有经验的工程师越会懂得借鉴他人的成果)。

2）理解电路
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如果你找到了的参考设计，那么恭喜你，你可以节约很多时间了(包括前期设计和后期调试)。马上就copy？NO，还是先看懂理解了再说，一方面能提高我们的电路理解能力，而且能避免设计中的错误。

, t$ p9 i, m3 u2 A7 z. j6 [( ?! ^( b 3）找到参考设计
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在开始做硬件设计前，根据自己的项目需求，可以去找能够满足硬件功能设计的，有很多相关的参考设计。没有找到？也没关系，先确定大IC芯片，找datasheet，看其关键参数是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的关键参数，以及能否看懂这些关键参数，都是硬件工程师的能力的体现，这也需要长期地慢慢地积累。这期间，要善于提问，因为自己不懂的东西，别人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件设计。
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4）硬件电路设计的三个部分：原理图、PCB和物料清单（BOM）表
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* |# P9 R. ~" _" o 原理图设计，其实就是将前面的思路转化为电路原理图，它很像我们教科书上的电路图。pcb涉及到实际的电路板，它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和pcb之间的桥梁)，而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上，然后根据飞线(也叫预拉线)连接其电信号(布线)。完成了pcb布局布线后，要用到哪些元器件应该有所归纳，所以我们将用到BOM表。

  P' T, @3 x; ^$ B# h2 }6 m4 ?: H 5）选择PCB设计工具

protel，也就是altium（现在入门的童鞋大多用AD）容易上手，网上的学习教程资料也很全面，在国内也比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。
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硬件电路设计的大环节必不可少，主要都要经过以下这几个流程：
* `: ?0 A- G) I- ]3 f 1）原理图设计
& t+ \4 z  v0 n' ^: F; k+ O0 s. ~ 2）PCB设计
3）制作BOM表
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. N% Q5 w% T" j( |0 |& ?0 B 现在再谈一下具体的设计步骤

8 K8 a* ^: h. J1 t0 q0 @/ @ 原理图建立+网表生成

1. 原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上，我们必须得建立改元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性，并且以具体的图形形式来代表(我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创建库及其简单，而且因为用的人多，许多元件都能找到现成的库，这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin，analog pin，digital pin，power pin等区别。

2. 有了充足的库之后，就可以在原理图上画图了，按照datasheet和系统设计的要求，通过wire把相关元件连接起来。在相关的地方添加line和text注释。wire和line的区别在于，前者有电气属性，后者没有。wire适用于连接相同网络，line适用于注释图形。这个时候，应搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。
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0 L% N: t- _+ o) M2 x( Q/ s5 k 3. 做完这一步，我们就可以生成netlist了，这个netlist是原理图与pcb之间的桥梁。原理图是我们能认知的形式，电脑要将其转化为pcb，就必须将原理图转化它认识的形式netlist，然后再处理、转化为pcb。

4. 得到netlist，马上画pcb?别急，先做ERC先。ERC是电气规则检查的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误进行排查，如多个output接在一起等问题。(但是一定要仔细检查自己的原理图，不能过分依赖工具，毕竟工具并不能明白你的系统，它只是纯粹地根据一些基本规则排查。)
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5. 从netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，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. 确定板框大小。在keepout区(或mechanic区)画个板框，这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长，板宽(有时，还得考虑板厚)。当然了，叠层也得考虑好。(叠层的意思就是，板层有几层，怎么应用，比如板总共4层，顶层走信号，中间第一层铺电源，中间第二层铺地，底层走信号)。
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1 a7 k; B9 k3 G5 Q- q/ s# S PCB布局布线
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, b5 p2 m1 O) M: ?  r- x 先解释一下前面的术语。post-command，例如我们要拷贝一个object(元件)，我们要先选中这个object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V(copy命令发生在选中object之后)。这种操作windows和protel都采用的这种方式。但是concept就是另外一种方式，我们叫做pre-command。同样我们要拷贝一个东西，先按ctrl+C，然后再选中object，再在外面单击(copy命令发生在选中object之前)。
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" w( J/ C" u4 r1 w7 C/ j 1. 确定完板框之后，就该元件布局(摆放)了，布局这步极为关键。它往往决定了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面，哪些元件该摆背面，都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。其实自己画了原理图，明白所有元件功能，自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画原理图的人来摆放元件，其结果往往会让你大吃一惊。对于初入门的，注意模拟元件，数字元件的隔离，以及机械位置的摆放，同时注意电源的拓扑就可以了。
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4 r- ?7 o+ Y) d 2. 接下来就是布线。这与布局往往是互动的。有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线成功。如果有些地方难以布线还需要改动布局。对于FPGA设计来说往往还要改动原理图来使布线更加顺畅。布线和布局问题涉及的因素很多，对于高速数字部分，因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂，但往往这些问题又是难以定量或即使定量也难以计算的。所以，在信号频率不是很高的情况下，应以布通为第一原则。
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3. OK了？别急，用DRC检查检查先，这是一定要检查的。DRC对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注，按照这个再一一的排查，修正。

4. 有些pcb还要加上敷铜(可能会导致成本增加)，将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的pcb文件转成gerber文件就可交付pcb生产了。(有些直接给pcb也成，工厂会帮你转gerber)。

" }5 \5 M& ?5 E 5. 要装配pcb，准备bom表吧，一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不该上，要做到心理有数。对于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。而对于新手而言，第一个版本，不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将bom的料全部焊上，这样不便于排查问题。最好的方法就是，根据bom表自己准备好元件。等到板来了之后，一步步上元件、调试。
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6 z5 k, J+ m4 Z6 D; f 电路板调试
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1. 拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供电看功能，硬件调试不可能一步调试完成的。先拿万用表看看关键网络是否有不正常，主要是看电源与地之间有否短路(尽管生产厂商已经帮你做过测试，这一步还是要自己亲自看看，有时候看起来某些步骤挺繁琐，但是可以节约你后面不少时间！)，其实短路与否不光pcb有关，在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题，IO短路一般不会造成灾难性的后果，但是电源短路就......
! b3 Z9 X2 a# n0 I4 l+ ^* a( Y$ l 2. 电源网络没短路？那么好，那就看看电源输出是否是自己理想的值，对于初学者，调试的时候最好IC一件件芯片上，第一个要上的就是电源芯片。
3. 电源网络短路了？这个比较麻烦，不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况，同时结合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的问题(一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况)，还是装配的问题，还是自己设计的问题。关于检查短路还有一些技巧，这在今后登出......
4. 电源芯片没有输出?检查检查你的电源芯片输入是否正常吧，还需要检查的地方有使能信号，分压电阻，反馈网络......
5. 电源芯片输出值不在预料范围?如果超过很离谱，比如到了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，同时看看反馈网络吧，这也会影响你的输出电源的范围。
; a0 Y# e. U& k2 l/ c9 a& p 6. 电源输出正常了，别高兴，如果有条件的话，拿示波器看看吧，看看电源的输出跳变是否正常。也就是抓取开电的瞬间，看看电源从无到有的情况(至于为什么要看着个，嘿嘿......专业人士还是要看的～)

* X1 v" N% l' `2 M 电源设计
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( e6 m& m% \; D7 B7 {  P  Z) p 无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定，其他啥都别谈。我想不用balabala述说它究竟有多么重要了。
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在电源设计我们用得最多的场合是，从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压。这也就是经常说的DC/DC，其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，我们后面说的线性稳压电源，也是指它)，另一种叫PWM（脉宽调制开关电源，我们在本文也称它开关电源）。我们常常听到PWM的效率高，但是LDO的响应快，这是为什么呢？别着急，先让我们看看它们的原理。
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下面会涉及一些理论知识，但是依然非常浅显易懂，如果你不懂，嘿嘿，得检查一下自己的基础了。

一、线性稳压电源的工作原理
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/ b  z9 ?% O% t6 E 如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中，Vo经过两个分压电阻分压得到V+，V+被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)的正端，而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平(这个参考电平是恒定的)。放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制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。


$ l% V5 b' y2 M- A/ x( C! G 现在我们来看Vo是怎么稳定的，假设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，这样经过同样的电流，MOSFET的压差将变小，于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理，Vo变大，V+变大，Va变大，MOSFET的阻抗变大，经过同样的电流，MOSFET的压差变大，于是抑制Vo变大。

二、开关电源的工作原理
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如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低;上MOS管打开时，下MOS管关闭;下MOS管打开时，上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压，电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器，因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V+，误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波，经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

% R0 m" J" l- v- _4 ~9 q 误差放大器的正端Vref是一恒定的电压，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，因此Va与三角波的关系，决定了方波信号Vpwm的占空比；Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。经过处理,Vg1与Vpwm同相，Vg2与Vpwm反相；最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。如下图


1 r6 x$ [& a( E7 T1 j7 x/ Z# d+ ~* X% b
) I7 p- ~) a/ C) i7 S  O 当Vo上升时，V+将上升，Va下降，Vpwm占空比下降，经过们逻辑之后，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降低，于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。
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) b. Y5 D! c- X" x% [+ M 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工作原理之后，我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态响应，但是效率差;而开关电源噪声较大，瞬态响应较慢，但效率高了。
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( Q, b! ^! b) K9 {, q 线性稳压电源内部结构简单，反馈环路短，因此噪声小，而且瞬态响应快(当输出电压变化时，补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，线性稳压一般用在小电流，对电压精度要求高的应用上。
; d6 A7 t" H8 Z7 J, L% ~& f4 [2 S" R* E
4 i0 R; X% s- n6 p5 }( Y: k6 T 而开关电源，内部结构复杂，影响输出电压噪声性能的因数很多，且其反馈环路长，因此其噪声性能低于线性稳压电源，且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构，MOSFET处于完全开和完全关两种状态，除了驱动MOSFET，和MOSFET自己内阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的，尽管实际并非如此，但这些消耗的能量很小)。
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总而言之，要学好硬件电路设计，首先要弄清楚项目需求，根据功能设计硬件框架，结合参考设计，多借鉴别人的设计成果，复用到自己的硬件项目上面来。
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焊接完后， 在检查电路板是否可以正常工作时， 通常不直接给电路板供电，而是要按步骤进行，确保每一步都没有问题后再上电也不迟。

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引脚之间是否有短路， 连接处有无接触不良；二极管、 三极管、 集成器件和电解电容极性等是否连接有误。