手把手带你完成详细硬件电路设计

当你初次接触电路板时，内心或许会充满疑惑，但同时也怀揣着一丝兴奋。网络上关于硬件电路的经验知识纷繁复杂，像信号完整性、EMI 等概念准会让你晕头转向。别着急，学习是一个循序渐进的过程，让我们一步一个脚印，慢慢揭开硬件电路设计的神秘面纱。

总体思路

设计硬件电路，首先要搞清楚大的框架和架构，然而这并非易事。有些大框架可能老板或老师已经规划好，你只需将思路具体实现；但也有些情况需要你自己设计框架，这时就要明确要实现的功能，然后寻找是否有能实现同样或相似功能的参考电路板。有经验的工程师都深知借鉴他人成果的重要性，我们应尽量站在巨人的肩膀上，少走弯路。

理解电路

如果你幸运地找到了参考设计，那恭喜你，这将为你节省大量时间，包括前期的设计和后期的调试。但先别急着复制，还是要先看懂并理解参考设计。这样做一方面能提高我们的电路理解能力，另一方面能避免设计中的错误。
要是没有找到参考设计也没关系，你可以先确定大 IC 芯片，查找其 datasheet，查看关键参数是否符合自己的要求。能否准确判断哪些是关键参数，以及是否能看懂这些参数，都是硬件工程师能力的体现，这需要长期的积累。在这个过程中，要善于提问，因为在硬件设计中，别人的一句话或许就能让你茅塞顿开。

设计硬件电路

硬件电路设计主要包括三个部分：原理图、PCB 以及物料清单（BOM）表。

• 原理图设计：将前面的思路转化为电路原理图，它类似于教科书上的电路图。

• PCB 设计：涉及实际的电路板，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），将具体的元器件封装放置（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）。

• BOM 表：完成 PCB 布局布线后，需要归纳用到的元器件，这时就会用到 BOM 表。

设计工具选择

Protel，也就是 Altium，容易上手，在国内比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。其实无论使用简单的 Protel 还是复杂的 Cadence 工具，硬件设计的大环节是一样的。Protel 上的操作类似 Windows，是 post - command 型的；而 Cadence 的产品 Concept Allegro 是 pre - command 型的，习惯了 Protel 的人突然转向 Cadence 的工具，可能会不太习惯。

设计流程

1. 原理图库建立：要将新元件摆放在原理图上，必须建立元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性，并以具体的图形形式表示。Protel 创建库非常简单，而且由于使用的人多，许多元件都能找到现成的库，这为使用者提供了极大的便利。在建立库的过程中，要搞清楚 IC body、IC pins、input pin、output pin、analog pin、digital pin、power pin 等的区别。
   

2. 画原理图：有了充足的库后，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，并在相关的地方添加 line 和 text 注释。需要注意的是，wire 有电气属性，适用于连接相同网络；line 没有电气属性，适用于注释图形。此时，要搞清一些基本概念，如 wire、line、bus、part、footprint 等。不同工具的操作方式也有所不同，例如 Protel 采用 post - command 方式，而 Concept 采用 pre - command 方式。

3. 生成 netlist：完成原理图绘制后，就可以生成 netlist 了。netlist 是原理图与 PCB 之间的桥梁，电脑需要将原理图转化为它能认识的 netlist 形式，然后再处理、转化为 PCB。

4. 电气规则检查（ERC）：得到 netlist 后不要急于画 PCB，先进行 ERC 检查。ERC 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。但不能过分依赖工具，自己还是要仔细检查原理图，因为工具只是根据基本规则排查，无法理解系统的具体需求。

5. 获得 PCB：从 netlist 得到 PCB 后，密密麻麻的元件和数不清的飞线可能会让人感到惊讶，别着急，慢慢来。

6. 确定板框大小：在 keepout 区（或 mechanic 区）画个板框，这将限制布线的区域。需要根据需求考虑板长、板宽（有时还需考虑板厚），同时也要考虑叠层，例如板总共 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. 布局：确定完板框后，就该进行元件布局了。布局极为关键，它往往决定了后期布线的难易程度。哪些元器件该摆正面，哪些元件该摆背面，都需要仔细考量。对于初学者来说，要注意模拟元件和数字元件的隔离，以及机械位置的摆放，同时注意电源的拓扑。
   

8. 布线：布线与布局往往是相互影响的，有经验的人在开始时就能判断哪些地方能布线成功，若有些地方难以布线，还需要改动布局。对于 FPGA 设计来说，有时还需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，由于牵扯到信号完整性问题，会变得更加复杂。在信号频率不是很高的情况下，应以布通为第一原则。

9. 布局布线后检查：完成布局布线后，要用 DRC 检查。DRC 会对布线完成覆盖率以及规则违反的地方进行标注，需要按照标注一一排查、修正。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（工厂也许会帮忙添加），最后将 PCB 文件转成 Gerber 文件就可交付生产。对于小批量或研究板，用 Excel 自己管理 BOM 表比较方便；新手的第一个版本，不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将 BOM 的料全部焊上，最好根据 BOM 表自己准备好元件，等板来了之后，一步步上元件、调试。

硬件调试

拿到板后不要急着供电看功能，硬件调试不可能一步完成。先拿万用表看看关键网络是否有不正常，主要检查电源与地之间是否短路。尽管生产厂商已经做过测试，但自己还是要亲自检查，这一步虽然繁琐，但能为后面节省不少时间。如果电源网络短路，要仔细查看原理图，结合割线的方法一步步排查是 PCB 的问题、装配的问题还是自己设计的问题。

电源问题

电源设计是整个电路板最重要的一环，电源不稳定，其他一切都无从谈起。在电源设计中，我们常用的是从一个稳定的 “高” 电压得到一个稳定的 “低” 电压，即 DC - DC（直流 - 直流）。直流 - 直流中常用的电源稳压芯片有两种，一种是 LDO（低压差线性稳压器，线性稳压电源也指它），另一种是 PWM（脉宽调制开关电源，也称开关电源）。

• 线性稳压电源：内部结构简单，反馈环路短，因此噪声小，瞬态响应快（当输出电压变化时，补偿快）。但由于输入和输出的压差全部落在了 MOSFET 上，所以效率低，一般用在小电流、对电压精度要求高的应用上。

• 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，且反馈环路长，因此噪声性能低于线性稳压电源，瞬态响应慢。但根据其结构，MOSFET 处于完全开和完全关两种状态，除了驱动 MOSFET 和 MOSFET 自身内阻消耗的能量外，其他能量都用于输出，理论上 L、C 不耗能量，实际消耗的能量也很小，所以效率高。

高速信号认识误区

高速看的是信号沿，不是时钟频率。一般时钟频率高的信号上升沿快，通常被当成高速信号，但反过来不一定成立，时钟频率低但信号上升沿快的，同样要当成高速信号处理。根据信号理论，信号上升沿包含了高频信息，设计不好可能会出现上升沿过于缓慢、有过冲、下冲、振铃等现象。

示波器选择

很多人只注意示波器的采样率，而忽略了带宽，但示波器带宽是一个更重要的参数。采样定理指的是当采样频率大于信号最大带宽的两倍时，能完美地恢复原信号，但该定理针对的是带限信号，与现实中的信号不符。我们一般的数字信号频谱是无限宽的，要捕获高速信号，就不能让其高频分量有太多失真。理论上 5 倍于信号带宽的示波器捕获的信号比原信号损失不到 3%，如果要求损失更宽松，可以选择更低端的示波器，用到 3 倍于信号带宽的示波器应该能满足大多数要求，但不要忘了探头的带宽。