如何学好硬件设计？高手教你从理论走向实践

传感器技术 2021-06-19 07:00

TI MCU方案：能源基础设施实时控制 构建AI未来，Arm计算平台无处不在

来源 | CSDN

文 | 队长-Leader

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。

但也不用着急，这是需要慢慢积累的。同样，不用担心东西太多，不知道学到什么时候才能独当一面，因为很多东西都是相通的。

下面介绍硬件设计的实践路线。

初级实践篇

焊接

首先看一下杜洋前辈的焊接视频。我当年也是看了他的视频才学会焊接的。

关键的地方视频中也会提到，这里大概地说一下（洞洞板的焊接就不说了）。

拖焊的时候，先对齐芯片，再上锡固定一个角，然后在另一侧加满锡，最后整个芯片都加满锡。把板子拿起来，倾斜30度左右，再用烙铁加热，把变成液体的锡吸起来，甩掉，直到把所有锡都吸走为止。烙铁的温度要调好，我一般用350摄氏度。重点要体会，锡变成液体的时候，会像水一样受重力作用向下流，还有，烙铁头表面是有吸力的，所以在整个焊接过程中，都不要用力刮锡的。如果焊的时候，操作起来不顺手，可以转动板子。

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，除此之外还有植锡台，不过挺贵的），跟BGA对齐，再用胶布把BGA和钢网粘住固定好。先加锡膏，再用风枪吹一会（风枪的风速和温度可以调低一点），锡变亮的时候，再用手术刀，把多余的锡刮走。如果锡球不均匀的话，再重复上一步，直接锡球均匀为止。撕掉胶布，用手术刀把BGA撬起来。

仪器仪表的使用

万用表：为什么起这个名字？因为对于高手来说，万用表是几乎是万能的。一般也是用它来测电压、电流和电阻。

示波器：现在都用数字示波器，一个auto键，可以轻松搞定，而且还带FFT的功能，可以使用频域分析法，是硬件工程师必须掌握的神兵利器。示波器还有个小众的功能，就是李沙育图（测相位差和测频率用的）。此外，还要学会用示波器测开关电源纹波。

数字电桥，也叫LCR、LCZ测试仪：用它可以测电感值、电容值、电阻值、Q值、D值等，精度比一般的万用表要高。

信号发生器，也叫函数信号发生器：可以输出正弦波、方波、三角波、已调信号。用法比较简单，但是射频信号发生器，就要注意了，在输出信号之前，一定要做好阻抗匹配，不然信号反射的话，有可能会损坏信号发生器。

频率计：用法比较简单，不再多说了，有的信号发生器还增加了频率计的功能。

矢量网络分析仪，也叫网分仪：用于测量射频电路的S参数矩阵，还可以显示史密斯圆图。每次使用之前都要校正一下频率点。

还有一些小众仪器就不说了，像漏电流测试仪、电表等。

维修

首先肉眼观察一下板子，看有没有虚焊、短路或者缺少元件。有就修，没有就下一步。

然后用万用表测一下各组电源，看有没有短路。有就修，没有就下一步。

给板子上电，看各组电源电压是否正常。有就修，没有就下一步。

到了这一步，你必须对板子的整体设计有一定的认识，或者你得背下前辈们的经验（背经验的往往觉得硬件很神秘，这是我不推荐的做法），不然没法修好。先对板子的各个功能分好模块，从现象判断哪个模块出问题，断开可疑的模块，来排除可疑点（像侦探一样）。有一块好板的话，就很好办，直接对照着测各元件的电压（或者对地的电阻值）就能解决了。用万用表只能解决一些简单的问题，要想彻底修好，手上一定要有示波器，因为像晶振受到干扰之类的，用万用表是测不出来的。

调试

调试，一般是自主设计的电路，没经过验证，需要自己去验证，这是非常需要扎实的理论基础。调试也是硬件工程师最容易累积经验、含金量最高的技能之一。如果前期遇到棘手的问题，可以暂时先放下，等后来水平再高一层，就会解决的了，所以千万不要钻牛角尖，这只会浪费更多的时间。调试的技巧需要长时间的积累，放在前面，是让大家有所重视。

调试方法，多种多样，视情况而定，不能一概而论，笔者总结了以下几个方法：

示波器测量。当然，首先你得清楚你设计出来的电路，会出什么样的波形，才知道测出来对不对，也就是说，理论不行的，根本无法调试。
对照验证过的电路。如果手上有一块好板，而需要调试的电路里面刚好有好板的电路，可以拿好板来飞几根线验证一下，排除可疑点，这里跟维修的方法一样。
仿真。其实在设计电路的时候，能仿真就先仿真了，如果实物做出来，还是有问题，也可以仿真一下。如运放电路的参数、不确定的电阻串并联等等。
镊子短路。在你怀疑时钟是不是干扰到其它信号的时候，可以用镊子把时钟引脚跟地短路（只要是弱信号，跟地短接一会都不会烧板子的，放心），以排除可疑点。还有复位的问题，也可以用这个方法。
信号发生。比如一个运放电路，输入和输出均受干扰了，那么你就可以用信号发生器或者开发板，来输出一路干净的信号，这样可以排除可疑点。
软件调试。如果板子上，有CPU就可以用串口调试，有FPGA就可以用嵌入式逻辑分析仪，这样可以确定是芯片内部还是外部的问题。
观察现象。信号都在板子上跑了，直接观察是观察不出来的，这个时候，可以引出信号线，接在可观察的设备上。如：调试音频放大器的时候，就可以接一路信号，到一个现成完好的功放上面，通过听声音来观察现象。当然，你可不要只想到功放，还有其它可观察的设备或者元件，像LED灯、显示器，甚至是收音机，只要能派得上用场的都可以。

中级实践篇

仿真软件的使用

常用的仿真软件也就那几个，proteus、multisim、labview、pspice、ADS等，其中大多数是用spice仿真模型。

a、proteus。这个软件很适合仿真单片机，元件库也挺多的，但是有个致命的缺点，就是太智能了。单片机不接电源、不接晶振也能正常工作，这跟实际有很大出入，所以笔者建议学单片机，还是用开发板吧。

b、multisim。这个软件很适合仿真模拟电路，其实它本质是spice仿真，只是界面做得简单很多，适合初学者使用。虽然有8051的库，但是，不适合仿真单片机，仿真起来很慢。元件库其实并不多，像0805的三极管，它都没有，这时候只能用其它的三极管（2N2222等）代替一下，要不，就自己做这个元件库。multisim还可以跟ultiboard配合使用，实际板级仿真（连同PCB，一起仿真）。

c、Labview。这个软件功能非常强大，可以仿真模拟、数字电路、也可以做上位机（如：虚拟仪器等）。最具特色的，就是图形化输入，鼠标拖几个东西就可以仿真了。

d、pspice。这个软件是cadence或者叫SPB开发套件中的一个软件，一般是在capture中调出来的。使用capture就可以不用输入spice的点命令，非常方便。其中，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一张图就看得很清晰了。

e、ADS。这个ADS是指Agilent的Advanced.Design.System，而不是指ARM编译器ADS1.2。ADS可是电路仿真的神器啊，功能非常强大，一般是仿真高频、射频、微波电路用的，当然，集总参数电路也照样可以仿真，但是不太适合初学者。

电路设计软件的使用

主流的电路设计软件有三个：Altium Designer、PADS、Cadence，当然还有些小众的，像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，用法都大同小异，很适合初学者使用，3D渲染效果最好，同时也是学校里教得最多的软件。但是，很多公司反而不用这软件，因为用它画多层板的话，电脑会很卡，而且公司里面用的人多的话，可能会收到altium的律师函。可以用它来做FPGA开发，并进行板级仿真。适用于小规模的PCB。

PADS，以前的版本是power PCB，分成三个组件：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（这个自动布线可没有AD那么烂）。适用于中小规模的PCB，但是logic相当不好用，所以有些人用orcad+PADS来弥补这个缺点。适用于中小规模的PCB。

Cadence（也叫SPB）是个系统级的套件，除了画原理图、PCB之外，还可以画版图、仿真电路、仿真SI/PI等。Cadence公司收购了orcad，目前画原理图的是用capture（也叫orcad），画PCB是用allegro，仿真电路的是pspice（从capture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。

其他软件的使用

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。

进阶中级实践篇

1、基本电路单元的计算、仿真与验证

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。

2、掌握单片机

3、芯片的使用与互连

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。

高级实践篇

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。

1、SI，信号完整性

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》。

2、PI，电源完整性。

要保证电源的完整，就是防止电源电压的波动。

3、EMC/EMI，电磁兼容性和电磁干扰。

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》。

总结

1、千万不要以为把某些口诀当秘笈地记下来，就以为练成了神功，这都是不现实的。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。

2、当硬件电路出了问题，工程师每一步的操作，都是以理论作为指导思想的。

3、千万不要害怕出错而不敢做板。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。

4、本文没有提及生产、测试方面的问题，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。

5、因为大多数的电路功能都依靠于芯片来实现，画原理图几乎都是抄datasheet的，所以硬件工程师最具含金量的技能是PCB和调试能力。

6、因为硬件工程师也常常需要和软件工程师交流，所以，为了方便交流，你还得学习ARM、FPGA、DSP等相关知识，只是侧重点有所不同而已，不然会给工作上带来一定的麻烦。

-END-

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