电子设计宝藏路飞 4月28日
如何学习硬件设计-实践
很难用文字来表达实践教程和操作。只能写下最关键的公式，让大家在实践中体会到。
一般缺乏经验的工程师或者学生，拿着一个项目任务书，或者一个成品的电路板的时候，往往会感觉到，根本无从下手。主要原因是，知识储备不足，少实践少动手。
但别担心，这需要慢慢积累。同样，不要担心太多的事情，不知道什么时候学会独立，因为很多事情是相互关联的。
首先，看看杜洋前辈的焊接视频。在我学会焊接之前，我也看了他的视频。
关键视频中也会提到，这里大概说一下(洞板的焊接就不说了)。
拖焊时，先将芯片对齐，再将一个角固定在锡上，再将锡加满另一边，最后将整个芯片加满锡。拿起板子，倾斜30度左右，然后用烙铁加热，吸起变成液体的锡，扔掉，直到所有锡都被吸走。烙铁的温度要调好，我一般用350摄氏度。关键是要意识到，当锡变成液体时，它会像水一样受到重力的影响。此外，烙铁头表面有吸力，因此在整个焊接过程中不要用力刮锡。如果焊接时操作不方便，可以转动板。
关于BGA的焊接，一般是不建议手工操作的，因为成功率不高，推荐用返修台。这里说一下BGA手工植球的操作流程。
先用万能植锡钢网(这是最落后的工具，除了植锡台，但是很贵)，跟着BGA对齐，然后用胶带把手BGA用钢网粘住固定。先加锡膏，再用风枪吹一会儿(风枪的风速和温度可以降低一点)，锡变亮时，再用手术刀刮掉多余的锡。如果锡球不均匀，重复上一步，直到锡球均匀。撕下胶带，用手术刀把手BGA撬起来。
a、万用表。为什么要命名这个名字？因为对于大师来说，万用表几乎是万能的。它通常用于测量电压、电流和电阻。
b、示波器。现在使用数字示波器，一个auto键，可以很容易地完成，但也有FFT频域分析法可用于硬件工程师必须掌握的功能。示波器还具有利基功能，即李沙育图（用于相位差和频率测量）。此外，我们还应该学会用示波器测量开关的电源纹波。
c、也叫数字电桥LCR、LCZ测试仪。它可以测量电感值、电容值、电阻值。Q值、D值等，精度高于一般万用表。
d、信号发生器，也称为函数信号发生器。可输出正弦波、方波、三角波和已调整的信号。使用相对简单，但应注意射频信号发生器。在输出信号之前，必须进行阻抗匹配，否则信号反射可能会损坏信号发生器。
f、频率计。使用相对简单，不再多说，一些信号发生器也增加了频率计的功能。
g、矢量网络分析仪，又称网络分析仪。用于测量射频电路的S参数矩阵也可以显示史密斯圆图。在每次使用前校正频率点。
h、频谱仪。看看频谱，还有示波器的功能。
还有一些小众仪器就不说了，比如漏电流测试仪、电表等。
首先用肉眼观察板材，看是否有虚焊、短路或缺少元件。如果有，就修好，如果没有，就下一步。
然后用万用表测量每组电源，看看是否有短路。如果你有，就修。如果没有，下一步。
给板上电，看各组电源电压是否正常。如果有，就修好，如果没有，就下一步。
在这一步，你必须对板的整体设计有一定的了解，或者你必须记住前任的经验（经验往往觉得硬件很神秘，这是我不推荐的做法），否则就不能修复。首先，将板的每个功能划分为模块，从现象判断哪个模块有问题，切断可疑模块，以消除可疑（如侦探）。如果有一块好板，很容易做到。可以通过直接比较测量各部件的电压(或对地电阻值)来解决。万用表只能解决一些简单的问题。如果你想彻底修复它们，你必须有一个示波器，因为它们不能用万用表测量，比如晶体振动受到干扰。
调试，一般是自主设计的电路，未经验证，需要自行验证，这是非常需要坚实的理论基础。调试也是硬件工程师最容易积累经验和含金量最高的技能之一。如果你在早期阶段遇到困难的问题，你可以暂时放下它，等到水平更高，它就会解决，所以不要钻角尖，这只会浪费更多的时间。调试技巧需要长期积累，放在前面，就是让大家注意。
根据情况，调试方法多种多样，不能一概而论。作者总结了以下方法：
a、示波器测量。当然，首先，在你知道测量是否正确之前，你必须知道你设计的电路会产生什么样的波形。也就是说，如果理论不好，根本无法调试。
b、比较已验证的电路。如果你手里有一块好板，需要调试的电路里只有一个好板，你可以拿一块好板飞几条线来验证，以消除可疑的问题，这里就像维护方法一样。
c、模拟。事实上，在设计电路时，可以先模拟，如果物理制作，仍然有问题，也可以模拟。如运输电路参数、不确定电阻串并联等。
d、镊子短路。当你怀疑时钟是否干扰了其他信号时，你可以用镊子引导时钟短路（只要是弱信号，短路就不会烧板，放心），以消除可疑问题。还有复位问题，你也可以使用这种方法。
e、信号发生。例如，如果输入和输出受到干扰，您可以使用信号发生器或开发板输出清洁信号，以消除可疑问题。
f、软件调试CPU可以用串口调试，有FPGA嵌入式逻辑分析仪可用于确定芯片内部或外部问题。
g、观察现象。所有的信号都在板子上运行，直接观察是无法观察到的，此时，可以引出信号线，连接到可观察的设备上。例如，在调试音频放大器时，您可以将信号连接到现成的完整功率放大器，并通过听声音观察现象。当然，不要只想功放，还有其他可观察的设备或元件，比如LED只要能派上用场，灯、显示器甚至收音机都可以。
只有少数常用的仿真软件，proteus、multisim、labview、pspice、ADS、saber等等，大部分都是用的spice仿真模型。
a、proteus。这个软件非常适合模拟单片机，有很多元件库，但它有一个致命的缺点，那就是它太智能了。单片机不连接电源或晶体振动即可正常工作，与实际情况大不相同。因此，笔者建议学习单片机，使用开发板。
b、multisim。该软件非常适合模拟电路。事实上，它的本质是spice仿真，只是界面简单得多，适合初学者。虽然有8051库，但不适合模拟单片机，模拟起来很慢。事实上，元件库并不多，就像0805的三极管一样，它没有，此时只能使用其他三极管(2N2222等)代替，否则，自己做这个元件库。multisim还可以跟ultiboard配合使用，实际板级仿真(与PCB，一起模拟)。
c、labview。该软件具有非常强大的功能，可以模拟、数字电路或上位机（如虚拟仪器等）。最独特的是图形输入，鼠标施加了一些东西 可以模拟。
d、pspice。这个软件是cadence或者叫SPB开发套件中的软件通常是capture中调出来的capture无需输入即可spice点命令，非常方便。pspice的图表要比multisim的要好看一些，比如，测几个节点的电压，在pspice一张图看得很清楚。
e、ADS。这个ADS是指Agilent的Advanced.Design.System，而不是指ARM编译器ADS1.2。ADS然而，电路模拟的神器功能非常强大，通常用于模拟高频、射频和微波电路。当然，总参数电路仍然可以模拟，但不适合初学者。
f、saber。该软件专门用于模拟电源电路，作者暂时没有使用，也没有评估。
主流电路设计软件有三种：altium designer、PADS、Cadence，当然也有一些小众，比如eagle。这里只介绍主流的三款软件。
altium designer（简称AD），以前的版本是protel 99se，protel DXP，用法相似，非常适合初学者。D渲染效果最好，也是学校教学最多的软件。但是很多公司不使用这个软件，因为如果用它画多层板，电脑会卡住，如果公司用的人多，可能会收到。altium的律师函。可以用它来做FPGA开发和模拟板级。适用于小规模PCB。
PADS，以前的版本是power PCB，分为三个组件：logic(原理图)，layout（布局和设置规则）、route(布线)最具特色的功能是使用极坐标放置元件和自动布线(这种自动布线没有AD那么烂）。适用于中小规模PCB，但是logic很难用，所以有些人用orcad PADS弥补这一缺点。适用于中小规模PCB。
Cadence（也叫SPB）除了绘制原理图外，系统级套件，PCB此外，还可以绘制地图、模拟电路和模拟SI/PI等。Cadence公司收购了orcad，目前，使用绘制原理图capture（也叫orcad），画PCB是用allegro，模拟电路是pspice（从cpture里面调出来的），仿真SI/PI的是Sigrity（需要另外安装）。用capture画原理图是非常爽的，比如，画个芯片的原理图库，你可以用excel写好（引脚号和部分引脚名，像D0~D7，鼠标拖一下就出来了），然后copy到capture里面，再做少量的调整就可以了。但是用allegro画封装就比较烦琐，需要事先画好焊盘，才可以画封装。适用于中大规模的PCB。
画板框用的autoCAD、画3D封装的solidworks或者pro-e、科学计算的MATLAB。
autoCAD的基本用法还是比较简单的，在有人教的情况下，半小时可以入门，对于硬件工程师来说就画一下板框，保存为DXF格式，再导入到PCB设计软件。同时，DXF也是硬件工程师与结构工程师交互的文件格式。
相对于pro-e来说，solidworks更加易学易用。用这两个软件都可以画元器件的3D封装，再把PCB导出为stp格式放到solidworks当中，这样，还没打板就可以看到整机的效果图了。学3D软件还有个好处，让你更清楚板子安装的情况，像定位孔、插座、接线等，这样设计出来的PCB不容易因为结构问题而无法安装，这是很多硬件工程师容易忽略的地方。
MATLAB，任何的计算，都可以用它。简单的计算，像电阻分压、滤波器的截止频率等，复杂一点，像定向耦合器的参数计算、复杂运放电路的建模等，用MATLAB都可以轻松解决。这里还推荐一个网页版的计算工具。
诚然，不管一块电路板有多复杂，都可以按照功能来划分为若干个模块，而这些模块还可以再划分为众多的电路单元。所以，首先要掌握最基本的电路单元的设计。这些电路单元，都可以在数电、模电、电力电子技术、高频电子线路、单片机、电子测量技术当中学到，先搞懂教课书上经典电路的计算、仿真与验证。不要以为书上的公式简单，但是实际操作起来，又是另一回事。比如，书上的反相放大电路，是双电源的，用单电源就要加偏置，还得考虑带宽增益积、摆率等。这里主张先计算，再仿真，后实物的操作流程，同时，这也是一个需要长期累积的过程。
在理论篇里面没有写到电子专业英语，在这里就要用到专业英语了，你可以看英语教材，也可以用翻译软件。这里必须提到的一点是：英语不好导致无法阅读datasheet的，都无法做电路设计。因为你总得会用到一块陌生的芯片，总会遇到没中文资料的情况。基本上能看懂datasheet的，都能把芯片用起来，其实也是抄datasheet上面的参考电路的，剩下的，就是芯片互连。
芯片互连，就是接口技术，也是单片机里面会讲到的。5V的ADC跟3.3V的单片机互连，这就要看电平、和信号的传输速率了。3.3V单片机跟12V开启电压的MOS管互连，加个三极管，做电平转换就可以了。两块3.3V单片机IO口推挽输出互连，串个100R电阻，防止代码操作不当而烧坏IO口。
此外，还要掌握常用的总线协议。比如RS232、RS485、SPI、IIC、CAN、LIN、zmodem、USB、PCIE、TCP/IP等。
在这里，相信你已经把一些基本电路，熟捻于心，也会分析一些简单的电路。但是，你总会遇到一些奇葩的现象。没错，你是时候要考虑SI、PI、EMC、EMI了。不要被这些貌似很高端的名词吓倒，分析起来，也是前面学到的电路原理，只是考虑问题的角度不同罢了。
这部分的内容对PCB的布局、布线影响较大。
a、使用阻抗匹配减弱过冲、下冲、振铃的影响（某些射频电路也对阻抗有要求，如：天线等）。
b、差分线应该尽量靠近以减少差模干扰。
c、去耦电容要尽量靠近芯片的电源管脚。
d、继电器等大功率器件应该远离晶振等易被干扰的元件。
e、对重要的信号线，包地。
f、尽量远离时钟线（时钟也可能成为干扰源）。
g、信号线的返回路径应该尽量短。
信号完整性要注意的地方，还是挺多的，具体可以参考王剑宇的《高速电路设计实践》。
要保证电源的完整，就是防止电源电压的波动，具体可以参考本博客的《去耦电容的作用》。
这两个名词看起来有点高大上，其实就是不干扰别人和防止被别人干扰的问题。EMC/EMI的问题可以归结为SI的问题，但是EMC有一套验证的标准，所以还是起了不同的名字。
推荐《Cadence高速电路设计：Allegro Sigrity SI/PI/EMC设计指南》。
五、总结。
前期的学习都必须以理论为核心，少量的实践以帮助理解理论，后面就可以逐渐增加实践，理论和实践是相辅相成，缺一不可的。
硬件工程师都是不断地犯错、改正、总结，才慢慢地成熟起来，减少犯错的概率。不知道错的话，也意味着不能积累经验。
如：线材、PCBA、BOM、拼板、测试夹具、打磨芯片、包装（QC标签、易碎纸、说明书）等。
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