怎么导出原理图_分享多年珍贵经验：一套完整的硬件电路设计该怎么做？

在学习电路设计的时候&＃xff0c;不知道你是否有这样的困扰&＃xff1a;明明自己学了很多硬件电路理论&＃xff0c;也做过了一些基础操作实践&＃xff0c;但还是无法设计出自己理想的电路。归根结底&＃xff0c;我们缺少的是硬件电路设计的思路&＃xff0c;以及项目实战经验。

设计一款硬件电路&＃xff0c;要熟悉元器件的基础理论&＃xff0c;比如元器件原理、选型及使用&＃xff0c;学会绘制原理图&＃xff0c;并通过软件完成PCB设计&＃xff0c;熟练掌握工具的技巧使用&＃xff0c;学会如何优化及调试电路等。要如何完整地设计一套硬件电路设计&＃xff0c;下面为大家分享我的几点个人经验&＃xff1a;

1)总体思路

设计硬件电路&＃xff0c;大的框架和架构要搞清楚&＃xff0c;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&＃xff0c;自己只是把思路具体实现&＃xff1b;但也有些要自己设计框架的&＃xff0c;那就要搞清楚要实现什么功能&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;那么恭喜你&＃xff0c;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&＃xff1f;NO&＃xff0c;还是先看懂理解了再说&＃xff0c;一方面能提高我们的电路理解能力&＃xff0c;而且能避免设计中的错误。

3)找到参考设计

在开始做硬件设计前&＃xff0c;根据自己的项目需求&＃xff0c;可以去找能够满足硬件功能设计的&＃xff0c;有很多相关的参考设计。没有找到&＃xff1f;也没关系&＃xff0c;先确定大IC芯片&＃xff0c;找datasheet&＃xff0c;看其关键参数是否符合自己的要求&＃xff0c;哪些才是自己需要的关键参数&＃xff0c;以及能否看懂这些关键参数&＃xff0c;都是硬件工程师的能力的体现&＃xff0c;这也需要长期地慢慢地积累。这期间&＃xff0c;要善于提问&＃xff0c;因为自己不懂的东西&＃xff0c;别人往往一句话就能点醒你&＃xff0c;尤其是硬件设计。

4)硬件电路设计的三个部分&＃xff1a;原理图、PCB和物料清单(BOM)表

原理图设计&＃xff0c;其实就是将前面的思路转化为电路原理图&＃xff0c;它很像我们教科书上的电路图。pcb涉及到实际的电路板&＃xff0c;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)&＃xff0c;而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上&＃xff0c;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&＃xff0c;要用到哪些元器件应该有所归纳&＃xff0c;所以我们将用到BOM表。

5)选择PCB设计工具

Protel&＃xff0c;也就是Altium(现在入门的童鞋大多用AD)容易上手&＃xff0c;网上的学习教程资料也很全面&＃xff0c;在国内也比较流行&＃xff0c;应付一般的工作已经足够&＃xff0c;适合初入门的设计者使用。

硬件电路设计的大环节必不可少&＃xff0c;主要都要经过以下这几个流程&＃xff1a;

1)原理图设计

2)PCB设计

3)制作BOM表

现在再谈一下具体的设计步骤

原理图建立&＃43;网表生成

1. 原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上&＃xff0c;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&＃xff0c;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)&＃xff0c;周围许多短线(代表IC管脚))。protel创建库及其简单&＃xff0c;而且因为用的人多&＃xff0c;许多元件都能找到现成的库&＃xff0c;这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body&＃xff0c;ic pins&＃xff0c;input pin&＃xff0c;output pin&＃xff0c;analog pin&＃xff0c;digital pin&＃xff0c;power pin等区别。

2. 有了充足的库之后&＃xff0c;就可以在原理图上画图了&＃xff0c;按照datasheet和系统设计的要求&＃xff0c;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&＃xff0c;前者有电气属性&＃xff0c;后者没有。wire适用于连接相同网络&＃xff0c;line适用于注释图形。这个时候&＃xff0c;应搞清一些基本概念&＃xff0c;如&＃xff1a;wire&＃xff0c;line&＃xff0c;bus&＃xff0c;part&＃xff0c;footprint&＃xff0c;等等。

3. 做完这一步&＃xff0c;我们就可以生成netlist了&＃xff0c;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&＃xff0c;电脑要将其转化为pcb&＃xff0c;就必须将原理图转化它认识的形式netlist&＃xff0c;然后再处理、转化为pcb。

4. 得到netlist&＃xff0c;马上画pcb?别急&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;不能过分依赖工具&＃xff0c;毕竟工具并不能明白你的系统&＃xff0c;它只是纯粹地根据一些基本规则排查。)

5. 从netlist得到了pcb&＃xff0c;一堆密密麻麻的元件&＃xff0c;和数不清的飞线是不是让你吓了一跳?呵呵&＃xff0c;别急还得慢慢来。

6. 确定板框大小。在keepout区(或mechanic区)画个板框&＃xff0c;这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长&＃xff0c;板宽(有时&＃xff0c;还得考虑板厚)。当然了&＃xff0c;叠层也得考虑好。(叠层的意思就是&＃xff0c;板层有几层&＃xff0c;怎么应用&＃xff0c;比如板总共4层&＃xff0c;顶层走信号&＃xff0c;中间第一层铺电源&＃xff0c;中间第二层铺地&＃xff0c;底层走信号)。

PCB布局布线

先解释一下前面的术语。post-command&＃xff0c;例如我们要拷贝一个object(元件)&＃xff0c;我们要先选中这个object&＃xff0c;然后按ctrl&＃43;C&＃xff0c;然后按ctrl&＃43;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&＃xff0c;我们叫做pre-command。同样我们要拷贝一个东西&＃xff0c;先按ctrl&＃43;C&＃xff0c;然后再选中object&＃xff0c;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&＃xff0c;就该元件布局(摆放)了&＃xff0c;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&＃xff0c;哪些元件该摆背面&＃xff0c;都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁&＃xff0c;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&＃xff0c;明白所有元件功能&＃xff0c;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&＃xff0c;其结果往往会让你大吃一惊。对于初入门的&＃xff0c;注意模拟元件&＃xff0c;数字元件的隔离&＃xff0c;以及机械位置的摆放&＃xff0c;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&＃xff0c;对于高速数字部分&＃xff0c;因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂&＃xff0c;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&＃xff0c;在信号频率不是很高的情况下&＃xff0c;应以布通为第一原则。

3. OK了&＃xff1f;别急&＃xff0c;用DRC检查检查先&＃xff0c;这是一定要检查的。DRC对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注&＃xff0c;按照这个再一一的排查&＃xff0c;修正。

4. 有些pcb还要加上敷铜(可能会导致成本增加)&＃xff0c;将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的pcb文件转成gerber文件就可交付pcb生产了。(有些直接给pcb也成&＃xff0c;工厂会帮你转gerber)。

5. 要装配pcb&＃xff0c;准备bom表吧&＃xff0c;一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是&＃xff0c;原理图中哪些部分元件该上&＃xff0c;哪些部分元件不该上&＃xff0c;要做到心理有数。对于小批量或研究板而言&＃xff0c;用excel自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。而对于新手而言&＃xff0c;第一个版本&＃xff0c;不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将bom的料全部焊上&＃xff0c;这样不便于排查问题。最好的方法就是&＃xff0c;根据bom表自己准备好元件。等到板来了之后&＃xff0c;一步步上元件、调试。

电路板调试

1. 拿到板第一步做什么&＃xff0c;不要急急忙忙供电看功能&＃xff0c;硬件调试不可能一步调试完成的。先拿万用表看看关键网络是否有不正常&＃xff0c;主要是看电源与地之间有否短路(尽管生产厂商已经帮你做过测试&＃xff0c;这一步还是要自己亲自看看&＃xff0c;有时候看起来某些步骤挺繁琐&＃xff0c;但是可以节约你后面不少时间&＃xff01;)&＃xff0c;其实短路与否不光pcb有关&＃xff0c;在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题&＃xff0c;IO短路一般不会造成灾难性的后果&＃xff0c;但是电源短路就......

2. 电源网络没短路&＃xff1f;那么好&＃xff0c;那就看看电源输出是否是自己理想的值&＃xff0c;对于初学者&＃xff0c;调试的时候最好IC一件件芯片上&＃xff0c;第一个要上的就是电源芯片。

3. 电源网络短路了&＃xff1f;这个比较麻烦&＃xff0c;不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况&＃xff0c;同时结合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了&＃xff0c;是pcb的问题(一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况)&＃xff0c;还是装配的问题&＃xff0c;还是自己设计的问题。关于检查短路还有一些技巧&＃xff0c;这在今后登出......

4. 电源芯片没有输出?检查检查你的电源芯片输入是否正常吧&＃xff0c;还需要检查的地方有使能信号&＃xff0c;分压电阻&＃xff0c;反馈网络......

5. 电源芯片输出值不在预料范围?如果超过很离谱&＃xff0c;比如到了10%&＃xff0c;那么看看分压电阻先&＃xff0c;这两个分压电阻一般要用1%的精度&＃xff0c;这个你做到了没有&＃xff0c;同时看看反馈网络吧&＃xff0c;这也会影响你的输出电源的范围。

6. 电源输出正常了&＃xff0c;别高兴&＃xff0c;如果有条件的话&＃xff0c;拿示波器看看吧&＃xff0c;看看电源的输出跳变是否正常。也就是抓取开电的瞬间&＃xff0c;看看电源从无到有的情况(至于为什么要看着个&＃xff0c;嘿嘿......专业人士还是要看的&＃xff5e;)

电源设计

无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定&＃xff0c;其他啥都别谈。我想不用balabala述说它究竟有多么重要了。

在电源设计我们用得最多的场合是&＃xff0c;从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压。这也就是经常说的DC/DC&＃xff0c;其中用得最多的电源稳压芯片有两种&＃xff0c;一种叫LDO(低压差线性稳压器&＃xff0c;我们后面说的线性稳压电源&＃xff0c;也是指它)&＃xff0c;另一种叫PWM(脉宽调制开关电源&＃xff0c;我们在本文也称它开关电源)。我们常常听到PWM的效率高&＃xff0c;但是LDO的响应快&＃xff0c;这是为什么呢&＃xff1f;别着急&＃xff0c;先让我们看看它们的原理。

下面会涉及一些理论知识&＃xff0c;但是依然非常浅显易懂&＃xff0c;如果你不懂&＃xff0c;嘿嘿&＃xff0c;得检查一下自己的基础了。

一、线性稳压电源的工作原理

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&＃xff0c;Vo经过两个分压电阻分压得到V&＃43;&＃xff0c;V&＃43;被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)的正端&＃xff0c;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&＃xff0c;MOSFET的阻抗变大;Va变小时&＃xff0c;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&＃xff0c;假设Vo变小&＃xff0c;那么V&＃43;将变小&＃xff0c;放大器的输出Va也将变小&＃xff0c;这将导致MOSFET的阻抗变小&＃xff0c;这样经过同样的电流&＃xff0c;MOSFET的压差将变小&＃xff0c;于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理&＃xff0c;Vo变大&＃xff0c;V&＃43;变大&＃xff0c;Va变大&＃xff0c;MOSFET的阻抗变大&＃xff0c;经过同样的电流&＃xff0c;MOSFET的压差变大&＃xff0c;于是抑制Vo变大。

二、开关电源的工作原理

如上图&＃xff0c;为了从高电压Vs得到Vo&＃xff0c;开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管&＃xff0c;Vg1和Vg2是反相的&＃xff0c;Vg1为高&＃xff0c;Vg2为低;上MOS管打开时&＃xff0c;下MOS管关闭;下MOS管打开时&＃xff0c;上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压&＃xff0c;电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器&＃xff0c;因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V&＃43;&＃xff0c;误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端&＃xff0c;PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波&＃xff0c;经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

误差放大器的正端Vref是一恒定的电压&＃xff0c;而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号&＃xff0c;一旦Va比三角波大时&＃xff0c;Vpwm为高&＃xff1b;Va比三角波小时&＃xff0c;Vpwm为低&＃xff0c;因此Va与三角波的关系&＃xff0c;决定了方波信号Vpwm的占空比&＃xff1b;Va高&＃xff0c;占空比就低&＃xff0c;Va低&＃xff0c;占空比就高。经过处理,Vg1与Vpwm同相&＃xff0c;Vg2与Vpwm反相&＃xff1b;最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。如下图

当Vo上升时&＃xff0c;V&＃43;将上升&＃xff0c;Va下降&＃xff0c;Vpwm占空比下降&＃xff0c;经过们逻辑之后&＃xff0c;Vg1的占空比下降&＃xff0c;Vg2的占空比上升&＃xff0c;Vp占空比下降&＃xff0c;这又导致Vo降低&＃xff0c;于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。

三、线性稳压电源和开关电源的比较

懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后&＃xff0c;我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声&＃xff0c;较快的瞬态响应&＃xff0c;但是效率差;而开关电源噪声较大&＃xff0c;瞬态响应较慢&＃xff0c;但效率高了。

线性稳压电源内部结构简单&＃xff0c;反馈环路短&＃xff0c;因此噪声小&＃xff0c;而且瞬态响应快(当输出电压变化时&＃xff0c;补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上&＃xff0c;所以它的效率低。因此&＃xff0c;线性稳压一般用在小电流&＃xff0c;对电压精度要求高的应用上。

而开关电源&＃xff0c;内部结构复杂&＃xff0c;影响输出电压噪声性能的因数很多&＃xff0c;且其反馈环路长&＃xff0c;因此其噪声性能低于线性稳压电源&＃xff0c;且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构&＃xff0c;MOSFET处于完全开和完全关两种状态&＃xff0c;除了驱动MOSFET&＃xff0c;和MOSFET自己内阻消耗的能量之外&＃xff0c;其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的&＃xff0c;尽管实际并非如此&＃xff0c;但这些消耗的能量很小)。

总而言之&＃xff0c;要学好硬件电路设计&＃xff0c;首先要弄清楚项目需求&＃xff0c;根据功能设计硬件框架&＃xff0c;结合参考设计&＃xff0c;多借鉴别人的设计成果&＃xff0c;复用到自己的硬件项目上面来。

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ END‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧