硬件电路设计

设计硬件电路、大框架和架构，但要做到这一点并不容易。一些大框架可能是他们的老板，老师已经考虑过，他们只是具体实现想法；但有些人想设计自己的框架，然后找出实现什么功能，然后找到参考电路板是否可以实现相同或相似的功能（知道如何使用他人的结果，经验丰富的工程师将知道如何从他人的结果中学习）。

如果你找到了参考设计，恭喜你，你可以节省很多时间(包括前期设计和后期调试)。copy？NO，一方面可以提高我们的电路理解能力，避免设计中的错误。

原理图设计实际上是将之前的想法转化为电路原理图，这与我们教科书中的电路图非常相似。pcb涉及实际电路板，根据原理图转换的网表(网表是沟通原理图和pcb桥梁之间，将具体部件的包装（布局）放置在电路板上，然后根据飞线（也称预拉线）连接电信号（布线）。完成了pcb布线后，应总结使用哪些部件，因此我们将使用它们BOM表。

Protel，也就是Altium(目前大部分入门童鞋都是用的。AD）易用，网上学习教程资料也很全面，在国内也比较流行，应付一般工作已经足够了，适合初学者使用。

硬件电路设计的大环节至关重要，主要通过以下流程：

1)原理图设计

2）PCB设计

3）制作BOM表

现在我们来谈谈具体的设计步骤

1. 建立原理图库。在原理图上放置新元件，必须建立改元件库。图书馆主要定义了新元件的管脚定义及其属性，并以具体的图形表示(我们经常看到矩形(代表它)IC BODY)，周围很多短线(代表IC管脚))。protel创建图书馆非常简单，而且由于人多，很多元件都能找到现成的图书馆，这对用户来说非常方便。应搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin，analog pin，digital pin，power pin等区别。

2. 有了足够的库，就可以在原理图上画图了。datasheet通过系统设计和系统设计的要求wire连接相关元件。在相关的地方添加line和text注释。wire和line区别在于前者有电气属性，后者没有。wire适用于连接相同的网络，line适用于注释图形。此时，应该找出一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。

3. 完成这一步后，我们可以生成它netlist了，这个netlist是原理图与pcb桥梁之间。原理图是我们可以认识到的一种形式，计算机应该将其转化为pcb，原理图必须转化为其理解的形式netlist，再处理，转化为pcb。

4. 得到netlist，马上画pcb?别急，先做ERC先。ERC它是电气规则检查的缩写。它可以调查一些原理图的基本设计错误，如多个output把它放在一起，等等。（但一定要仔细检查你的原理图，不要太依赖工具，毕竟，工具不能理解你的系统，它只是根据一些基本。

5. 从netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，无数的飞线是不是吓了你一跳？呵呵，别担心，慢慢来。

6. 确定板框大小keepout区(或mechanic区域)画一个板框，这将限制你布线的区域。需要根据需要考虑板长和板宽(有时候还要考虑板厚)。当然，也要考虑叠层。(叠层意味着板层有几层，如何应用，比如板层有四层，顶层有信号，中间第一层有电源，中间第二层有信号)。

先解释前面的术语。post-command，例如，我们必须复制一个object(元件)我们应该先选择这个object，然后按ctrl C，然后按ctrl V(copy命令发生在选择中object之后)。这种操作windows和protel都用这种方法。但是concept我们称之为另一种方式pre-command。同样，我们必须先复制一件东西ctrl C，然后再选中object，单击外面(copy命令发生在选择中object之前)。

1. 确定板框后，元件的布局(放置)非常关键。它往往决定了后期布线的难度。要考虑哪些部件应该放在正面，哪些部件应该放在背面。但这些都是仁者见仁、智者见智的问题；从不同的角度考虑位置可以不同。事实上，了原理图，了解了所有元件的功能，自然对元件的摆放有了清晰的认识(如果让一个不画原理图的人来摆放元件，结果往往会让你大吃一惊。对于初学者，注意模拟元件、数字元件的隔离和机械位置的放置，注意电源的拓扑。

2. 接下来是布线。这通常与布局相互作用。有经验的人往往能看到一开始布线成功的地方。如果有些地方很难布线，布局需要改变。对于fpga在设计上，往往需要改变原理图，使布线更加顺畅。布线和布局涉及的因素很多。对于高速数字部分来说，信号完整性问题变得复杂，但这些问题往往难以定量或即使是定量的。因此，当信号频率不是很高时，应以布通为第一原则。

3. OK？别担心，用DRC必须先检查检查。DRC将标明布线完成覆盖率和违反规则的地方，并根据此逐一调查和修改。

4. 有些pcb还铜(可能导致成本增加)，把出线部分做成眼泪(工厂可能会帮你加)。pcb文件转成gerber文件可以交付pcb生产。(有的直接给。pcb工厂也会帮你转gerber)。

5. 要装配pcb，准备bom表，一般可以直接从原理图中导出。但需要注意的是，原理图中哪些部件应该上，哪些部件不应该上，要心理有数。对于小批量或研究板，使用excel自我管理也很方便(大公司往往需要专业的软件来管理)。对于新手来说，不建议将第一个版本直接交给装配厂或焊接厂bom焊接所有材料，不方便排查问题。最好的方法是根据bom表自行准备元件。板来后，逐步进行元件调试。

毫无疑问，电源设计是整个电路板最重要的部分。电源不稳定，别说别的。我想没必要balabala告诉我它有多重要。

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。

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。

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。 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。 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)。

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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