步驟1：考慮元件封裝

表面貼裝器件（SMD）可以定位在采用貼片機(jī)的PCB，自動(dòng)化裝配過程。如果還有通孔組件，則可以通過回流焊爐或波峰焊機(jī)運(yùn)行PCB。

小型SMD的元件引線也會(huì)減少，導(dǎo)致阻抗大大降低，電感和EMI是一件非常好的事情，尤其適用于射頻和高頻設(shè)計(jì)。

采用表面貼裝路線還可以提高機(jī)械性能和耐用性，這對(duì)于振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力測(cè)試非常重要。/p》

第2步：選擇您的微控制器

每個(gè)微控制器開發(fā)板的核心，如Arduino及其衍生產(chǎn)品，是微控制器。在Arduino Uno的情況下，這是ATmega 328P。對(duì)于我們的開發(fā)板，我們將使用ESP8266。

價(jià)格便宜，運(yùn)行頻率為80MHz（超頻至160MHz）并且內(nèi)置WiFi子系統(tǒng)。當(dāng)用作獨(dú)立的微控制器時(shí)，它可以執(zhí)行某些操作，速度比Arduino快170倍。

步驟3：選擇USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器

微控制器需要某種方式與您的計(jì)算機(jī)連接，因此您可以加載您的程序在它上面。這通常由外部芯片完成，該芯片負(fù)責(zé)在計(jì)算機(jī)上的USB端口使用的差分信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及通過其串行通信外設(shè)（如UART）在大多數(shù)微控制器上提供的單端信號(hào)。

在我們的例子中，我們將使用FTDI的FT230X。 FTDI的USB轉(zhuǎn)串口芯片在大多數(shù)操作系統(tǒng)中都得到了很好的支持，因此對(duì)開發(fā)板來說是一個(gè)安全的選擇。流行的替代品（更便宜的選擇）包括來自SiLabs的CP2102和CH340G。

步驟4：選擇您的穩(wěn)壓器

電路板將需要通過某個(gè)地方獲得電力 - 在大多數(shù)情況下，您將通過線性穩(wěn)壓器IC找到這種電力。線性穩(wěn)壓器價(jià)格低廉，簡(jiǎn)單，雖然效率不如開關(guān)模式，但可提供清潔功率（噪聲更小）和易于集成。

AMS1117是大多數(shù)開發(fā)板中最常用的線性穩(wěn)壓器，我們的開發(fā)板也是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。

第5步：選擇你的電源訂購方案

如果你將讓用戶通過USB為開發(fā)板供電，并通過電路板上的一個(gè)引腳提供電壓輸入，你需要一種在兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)電壓之間進(jìn)行選擇的方法。這最簡(jiǎn)單地通過使用二極管來實(shí)現(xiàn)，二極管僅允許較高的輸入電壓通過并為電路的其余部分供電。

在我們的例子中，我們有一個(gè)雙肖特基勢(shì)壘，為此目的，它在一個(gè)封裝中包含兩個(gè)肖特基二極管。

步驟6：選擇外圍芯片（如果有）

您可以在接口上添加芯片使用您選擇的微控制器來增強(qiáng)您的開發(fā)板為其用戶提供的可用性或功能。

在我們的例子中，ESP8266只有一個(gè)模擬輸入通道，并且只有很少的可用GPIO。

為了解決這個(gè)問題，我們將增加一個(gè)外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC和一個(gè)GPIO擴(kuò)展器IC。

選擇ADC通常需要在轉(zhuǎn)換速率或速度和分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡。較高的分辨率不一定更好，因?yàn)橛捎谑褂貌煌牟蓸蛹夹g(shù)而具有更高分辨率的芯片通常具有非常慢的采樣率。典型的SAR ADC的采樣速率超過每秒數(shù)十萬個(gè)樣本，而更高分辨率的Delta Sigma ADC通常每秒只能處理少量樣本 - 遠(yuǎn)離快速SAR ADC和快速流水線ADC。

MCP3208是一款12位ADC，具有8個(gè)模擬通道。它可以在2.7V-5.5V之間的任何地方工作，最大采樣率為100ksps。

增加一個(gè)流行的GPIO擴(kuò)展器MCP23S17可以使用16個(gè)GPIO引腳。

步驟7：電路設(shè)計(jì)

電源輸出電路使用兩個(gè)肖特基二極管為電源輸入提供簡(jiǎn)單的OR-ing功能。這在來自USB端口的5V和你希望提供給VIN引腳的任何東西之間建立了一場(chǎng)戰(zhàn)斗 - 電子戰(zhàn)的勝利者在頂部出現(xiàn)并為AMS1117穩(wěn)壓器供電。一個(gè)不起眼的SMD LED用作指示電源實(shí)際上被傳送到電路板的其余部分。

USB接口電路采用鐵氧體磁珠，可防止雜散EMI和嘈雜的時(shí)鐘信號(hào)向下輻射到用戶的計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)線上的串聯(lián)電阻（D +和D-）提供基本的邊沿速率控制。

ESP8266使用GPIO 0，GPIO 2和GPIO 15作為特殊輸入引腳，在啟動(dòng)時(shí)讀取它們的狀態(tài)以確定是否以編程模式啟動(dòng)，這樣您就可以通過串行通信來編程芯片或閃存啟動(dòng)模式，啟動(dòng)您的程序。在引導(dǎo)過程中，GPIO 2和GPIO 15必須分別保持邏輯高電平和邏輯低電平。如果GPIO 0在啟動(dòng)時(shí)為低電平，則ESP8266放棄控制并允許您將程序存儲(chǔ)在模塊內(nèi)的閃存接口中。如果GPIO 0為高電平，ESP8266將啟動(dòng)存儲(chǔ)在閃存中的最后一個(gè)程序，并且您已準(zhǔn)備就緒了。

為此，我們的開發(fā)板提供啟動(dòng)和復(fù)位開關(guān)，讓用戶切換GPIO 0的狀態(tài)，并復(fù)位器件，使芯片進(jìn)入所需的編程模式。上拉電阻可確保器件默認(rèn)啟動(dòng)進(jìn)入正常啟動(dòng)模式，啟動(dòng)最近存儲(chǔ)的程序。

步驟8：PCB設(shè)計(jì)和布局

一旦涉及高速或模擬信號(hào)，PCB布局就變得更加重要。特別是模擬IC對(duì)接地噪聲問題很敏感。地平面能夠?yàn)楦信d趣的信號(hào)提供更穩(wěn)定的參考，從而降低通常由接地環(huán)路引起的噪聲和干擾。

模擬走線必須遠(yuǎn)離高速數(shù)字走線，例如屬于USB標(biāo)準(zhǔn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)線。差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)走線應(yīng)盡可能短，并應(yīng)與走線長(zhǎng)度匹配。避免轉(zhuǎn)彎和過孔以減少反射和阻抗變化。

使用星形配置為設(shè)備供電（假設(shè)您尚未使用電源平面）還有助于通過消除當(dāng)前返回路徑來降低噪聲。

步驟9 ：PCB Stack-Up

我們的開發(fā)板基于4層PCB堆棧，具有專用電源層和接地層。

您的“疊加”是PCB上圖層的順序。層的排列會(huì)影響您的設(shè)計(jì)的EMI兼容性，以及電路的信號(hào)完整性。

PCB疊加中要考慮的因素包括：

層數(shù)

層次順序

層間間距

每層的目的（信號(hào)，平面等）

層厚度

成本

每個(gè)堆疊都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。與2層設(shè)計(jì)相比，4層板將產(chǎn)生大約15dB的輻射。多層板更可能具有完整的接地層，降低接地阻抗和參考噪聲。

步驟10：PCB層和信號(hào)完整性的更多考慮因素

理想情況下，信號(hào)層應(yīng)位于電源或接地旁邊平面，信號(hào)層與它們各自的鄰近平面之間的距離最小。這樣可以優(yōu)化通過參考平面的信號(hào)返回路徑。

電源和接地層可用于在層之間提供屏蔽，或用作內(nèi)層的屏蔽。

電源和地平面相互靠近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)通常對(duì)你有利的平面電容。該電容隨PCB的面積及其介電常數(shù)而變化，與平面之間的距離成反比。這種電容非常適用于具有不穩(wěn)定電源電流要求的IC。

快速信號(hào)理想地存儲(chǔ)在多層PCB的內(nèi)層，以包含跡線產(chǎn)生的EMI。

電路板上處理的頻率越高，必須遵循更嚴(yán)格的要求。低速設(shè)計(jì)可能會(huì)以較少的層數(shù)甚至單層來消除，而高速和RF設(shè)計(jì)需要更復(fù)雜的PCB設(shè)計(jì)和更具戰(zhàn)略性的PCB堆疊。

高速設(shè)計(jì)，適用于例如，更容易受到皮膚效應(yīng)的影響 - 這是觀察到在高頻率下，電流不會(huì)穿透導(dǎo)體的整個(gè)主體，這反過來意味著增加厚度的邊際效用遞減銅在一定頻率下，因?yàn)闊o論如何都不會(huì)使用額外的導(dǎo)體體積。在大約100MHz時(shí)，趨膚深度（實(shí)際流過導(dǎo)體的電流厚度）約為7um，這意味著甚至標(biāo)準(zhǔn)的1oz。厚信號(hào)層未充分利用。

步驟11：關(guān)于過孔的側(cè)注

過孔形成不同層之間的連接多層PCB。

使用的過孔類型將影響PCB生產(chǎn)的成本。與通孔過孔相比，盲/埋孔的制造成本更高。通孔穿過整個(gè)PCB，終止于最下層。隱藏的過孔隱藏在內(nèi)部并且僅互連內(nèi)層，而盲孔從PCB的一側(cè)開始但在另一側(cè)之前終止。通孔過孔是最便宜和最容易制造的，因此如果通過孔過孔優(yōu)化成本使用。

步驟12：PCB制造和組裝

現(xiàn)在電路板已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，您需要將設(shè)計(jì)輸出為您選擇的EDA工具中的Gerber文件，然后將它們發(fā)送到電路板上進(jìn)行制作。

I讓我的電路板由ALLPCB制造，但您可以使用任何電路板制造商。我強(qiáng)烈建議在決定選擇哪個(gè)板房用于制造時(shí)使用PCB Shopper來比較價(jià)格 - 所以你可以在價(jià)格和功能方面進(jìn)行比較。

一些板房還提供PCB組裝，你如果你想實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)，可能需要它，因?yàn)樗饕褂肧MD甚至QFN部件。

步驟13：那就是所有人！

這個(gè)開發(fā)板被稱為“Clouduino Stratus”，一個(gè)基于ESP8266的開發(fā)板，我設(shè)計(jì)用于加速硬件/物聯(lián)網(wǎng)啟動(dòng)的原型設(shè)計(jì)過程。

它仍然是非常早期的設(shè)計(jì)迭代，很快就會(huì)有新版本。

我希望你們從本指南中學(xué)到很多東西！ ：D

步驟14：獎(jiǎng)勵(lì)：組件，Gerbers，設(shè)計(jì)文件和致謝

［微控制器］

1x ESP12F

［外設(shè)］

1 x MCP23S17 GPIO擴(kuò)展器（QFN）

1 x MCP3208 ADC（SOIC）

［連接器和接口］

1 x FT231XQ USB轉(zhuǎn)串口（QFN）

1個(gè)USB-B迷你連接器

2個(gè)16針母頭/公頭接頭

［電源］

1 x AMS1117 - 3.3穩(wěn)壓器（SOT-223-3）

［其他］

1 x ECQ10A04-F雙肖特基勢(shì)壘（TO-252）

2 x BC847W（ SOT323）

7 x 10K 1％SMD 0603電阻器

2 x 27 ohm 1％SMD 0603電阻器

3 x 270 ohm 1％SMD 0603電阻器

2 x 470 ohm 1％SMD 0603電阻器

3 x 0.1uF 50V SMD 0603電容器

2 x 10uF 50V SMD 0603電容器

1 x 1uF 50V SMD 0603電容器

2 x 47pF 50V SMD 0603電容器

1 x SMD LED 0603綠色

1 x SMD LED 0603黃色

1 x SMD LED 0603藍(lán)色

2 x歐姆龍BF-3 1000 THT輕觸開關(guān)

1 x鐵氧體磁珠600/100mhz SMD 0603