手把手硬件电路详细设计过程
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2020-08-05
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手把手硬件电路详细设计过程手把手硬件电路详细设计过程
献给那些刚开始或即将开始设计硬件电路的人。时光飞逝，离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路
板的时候，与你一样，俺充满了疑惑同时又带着些兴奋。在网上许多关于硬件电路的经验、知识让人目不暇
接。像信号完整性，EMI，PS设计准会把你搞晕。别急，一切要慢慢来。
1)总体思路。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。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。
3)没有找到参考设计? 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。
4)硬件电路设计主要是三个部分，原理图，pcb ，物料清单(BOM)表。原理图设计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。
5)用什么工具?Prote，也就是altimuml容易上手，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。
6)to be continued......
其实无论用简单的protel或者复杂的cadence工具，硬件设计大环节是一样的(protel上的操作类似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的工具，会不习惯就是这个
原因)。设计大环节都要有1)原理图设计。2)pcb设计。3)制作BOM表。现在简要谈一下设计流程(步骤)：
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。
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。)
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)。
7)to be continued......
先解释一下(2)中的术语。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)。
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。
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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