獻給那些剛開始或即將開始設計硬件電路的人!剛剛開始接觸電路板的時候，與你一樣，被網上許多關于硬件電路的經驗、知識搞得目不暇接，比如信號完整性、EMI、PI設計之類的。別急，慢慢來捋一下。

  概述

  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已經想好，自己只是把思路具體實現;但也有些要自己設計框架的，那就要搞清楚要實現什么功能，然后找找有否能實現同樣或相似功能的參考電路板。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。如果你找到了參考設計，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時間了(包括前期設計和后期調試)。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，另一方面也能避免設計中的錯誤。

  3)沒有找到參考設計?

  沒關系。先確定大IC芯片，找datasheet，看其關鍵參數是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關鍵參數，以及能否看懂這些關鍵參數，都是硬件工程師能力的體現，這也需要長期慢慢地積累。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，尤其是硬件設計。

  4)硬件電路設計主要是三個部分，原理圖，PCB，物料清單(BOM)表。原理圖設計就是將前面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，然后根據飛線(也叫預拉線)連接其電信號(布線)。完成了PCB布局布線后，要用到哪些元器件應該有所歸納，所以我們將用到BOM表。

  5)用什么工具?Protel，也就是Altium容易上手，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。

  其實無論用簡單的protel或者復雜的cadence工具，硬件設計大環(huán)節(jié)是一樣的(protel上的操作類似windwos，是post-command型的;而cadence的產品concept&allegro是pre-command型的，用慣了protel，突然轉向cadence的工具，會不習慣就是這個原因)。

  設計大環(huán)節(jié)都要有：原理圖設計、PCB設計、制作BOM表。

  設計流程

  1)原理圖庫建立。

  要將一個新元件擺放在原理圖上，我們必須得建立該元件的庫。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ICBODY)，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成的庫，這一點對使用者極為方便。應搞清楚icbody，icpins，inputpin，outputpin，analogpin，digitalpin，powerpin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(qū)別在于，前者有電氣屬性，后者沒有。wire適用于連接相同網絡，line適用于注釋圖形。

  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，然后再處理、轉化為pcb。

  4)得到netlist，馬上畫pcb?別急，先做ERC先。

  ERC是電氣規(guī)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，畢竟工具并不能明白你的系統(tǒng)，它只是純粹地根據一些基本規(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，怎么應用，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)。

  術語解釋

  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，其結果往往會讓你大吃一驚^_^)。

  對于初入門的，注意模擬元件，數字元件的隔離，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，對于高速數字部分，因為牽扯到信號完整性問題而變得復雜，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)。

  最后的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表吧，一般能直接從原理圖中導出。

  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。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料全部焊上，這樣不便于排查問題。最好的方法就是，根據bom表自己準備好元件。等板來了之后，一步步上元件、調試。

  調試

  1)拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能，硬件調試不可能一步調試完成的。

  先拿萬用表看看關鍵網絡是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路(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(jié)約你后面不少時間!)，其實短路與否不光PCB有關，在生產制作的任何一個環(huán)節(jié)可能導致這個問題，IO短路一般不會造成災難性的后果，但是電源短路就......

  2)電源網絡沒短路?那么好，那就看看電源輸出是否是自己理想的值。

  對于初學者，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)電源網絡短路了?這個比較麻煩，不過要仔細看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時結合割線的方法一步步排查到底是什么地方短路了。

  是pcb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。

  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范圍?

  如果超過很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，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范圍。

  6)電源輸出正常了，別高興，如果有條件的話，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。

  也就是抓取開電的瞬間，看看電源從無到有的情況(至于為什么要看這個，嘿嘿......專業(yè)人士還是要看的～)

  電源

  無疑電源設計是整個電路板最重要的一環(huán)。電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多么重要了。

  在電源設計我們用得最多的場合是，從一個穩(wěn)定的“高”電壓得到一個穩(wěn)定的“低”電壓，這也就是經常說的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LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器，我們后面說的線性穩(wěn)壓電源，也是指它)，另一種叫PWM(脈寬調制開關電源，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，這是為什么呢?別著急，先讓我們看看它們的原理。

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

  如圖是線性穩(wěn)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的柵極來控制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是怎么穩(wěn)定的，假設Vo變小，那么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，于是將Vo上抬來抑制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，于是抑制Vo變大。