很多硬件工程師都有過(guò)因?yàn)橐粋€(gè)小小的不注意，不得不重新打板的經(jīng)歷，對(duì)有些不以為然的工程師甚至成了家常便飯，殊不知這每一次的打板導(dǎo)致的工期延誤對(duì)于企業(yè)是很大的浪費(fèi)，尤其是對(duì)于爭(zhēng)分奪秒搶占市場(chǎng)的產(chǎn)品來(lái)講任何小小的疏忽導(dǎo)致的工期延誤帶來(lái)的損失都有可能是致命的。

我在前面的文章中說(shuō)過(guò)，硬件工程師設(shè)計(jì)PCB，即便是一個(gè)嶄新的設(shè)計(jì)，到最終定型不能超過(guò)3版，最好2版以?xún)?nèi)搞定。而做到這一點(diǎn)就必須養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，PCB設(shè)計(jì)是牽扯到很多個(gè)環(huán)節(jié)的鏈條，越早的環(huán)節(jié)越是重要，為避免最終的錯(cuò)誤，從一開(kāi)始就要小心翼翼，不能埋下任何雷。今天蘇老師來(lái)講講電路原理圖設(shè)計(jì)中要注意的一些要點(diǎn)。

首先要說(shuō)明的是，原理圖是連接產(chǎn)品的概念性設(shè)計(jì)（方案框圖）和最終的以PCBA形式的物理呈現(xiàn)之間的橋梁，因此它一定要準(zhǔn)確、完整。原理圖的基本構(gòu)成單元是表征一個(gè)個(gè)電子元器件的“符號(hào)（Symbol）”，因此要求原理圖的“符號(hào)”一定要準(zhǔn)確、完整，而這些符號(hào)之間的連線（元器件各管腳之間的電氣連接）要正確無(wú)誤。

元器件符號(hào)的準(zhǔn)確、完整

熟練掌握原理圖符號(hào)的編輯（Symbol Editor）是非常重要的，即便在設(shè)計(jì)中你沒(méi)有必要自己親自創(chuàng)建原理圖符號(hào)，但你仍然需要查看或檢查這些符號(hào)的特性。尤其是你從一些網(wǎng)站上（SamacSys、Ultralibrarian、SnapEDA等）下載的符號(hào)，這些網(wǎng)站提供的是適用于各種PCB設(shè)計(jì)工具的符號(hào)，因此最好要根據(jù)自己的電路設(shè)計(jì)對(duì)這些符號(hào)中的管腳進(jìn)行位置的重新排列，以及一些管腳屬性的定義。

一個(gè)元器件的所有的管腳都必須在符號(hào)上“可見(jiàn)（Visiable）”，也就是顯示出來(lái)，如果這個(gè)器件有20個(gè)管腳，那就必須有20個(gè)管腳出現(xiàn)在符號(hào)上，永遠(yuǎn)不要用“不可見(jiàn)（Invisible）”管腳，比如“電源”和“地”管腳，另外“No Connect”（簡(jiǎn)稱(chēng)NC - 無(wú)連接）的管腳也要顯示出來(lái)。

有兩種類(lèi)型的“NC”管腳，第一種類(lèi)型是在任何的設(shè)計(jì)中都不會(huì)被連接，它可能本身就是沒(méi)有任何內(nèi)部連接的，或者說(shuō)只是供生產(chǎn)廠商測(cè)試用的。比如上面圖中的CP2102N-GQFN20的第10個(gè)管腳就是永遠(yuǎn)不用連接的管腳。有的原理圖工具允許給這種管腳設(shè)定一個(gè)“NC”類(lèi)型的屬性，這些管腳將被永久地用一個(gè)小“x”來(lái)標(biāo)記。你也可以給它們一個(gè)獨(dú)特的管腳名字NC1、NC2等等，就像在原理圖上顯示的那樣。雖然原理圖允許管腳重名，但我建議最好給每個(gè)不同的管腳不同的名字。

第二種類(lèi)型的“NC”是有一些管腳是有意義的，但在某些設(shè)計(jì)中用不著，例如下圖用CP2102設(shè)計(jì)的USB - UART橋接電路中，有不少管腳內(nèi)部是有連接，但在這個(gè)設(shè)計(jì)中它們是不用連接上的。很多原理圖工具允許將沒(méi)有連接的管腳上放置一個(gè)叫“NC”的原理圖符號(hào)，一般為“X”的形狀，作為原理圖的一部分。如果原理圖工具中沒(méi)有這么個(gè)“NC”符號(hào)，系統(tǒng)做ERC（電氣規(guī)則檢查）的時(shí)候就會(huì)報(bào)“錯(cuò)誤”（Error）或者“警告”（Warning），在知道事情的原委的前提下你可以忽略這些信息，但一定要確保你知道這些信息的來(lái)源。

在構(gòu)建原理圖符號(hào)的時(shí)候非常重要的一步就是為每個(gè)管腳賦予正確的“電氣類(lèi)型”，這些管腳的類(lèi)型會(huì)用在ERC中，這些電氣類(lèi)型的添加或編輯有專(zhuān)門(mén)的菜單來(lái)執(zhí)行，如下圖（KiCad工具為例），電氣類(lèi)型選項(xiàng)中可以看出針對(duì)每一個(gè)管腳的一些典型的電氣特性。

有的時(shí)候還是需要一些小技巧才能選到準(zhǔn)確的類(lèi)型的 - 可以選擇最接近的。有時(shí)候找不到合適的類(lèi)型，你可以選擇“Passive”（無(wú)源），這個(gè)屬性會(huì)被輕松通過(guò)ERC。不是所有的工具都有“NC”類(lèi)型，如果沒(méi)有的話，你可以選擇一種類(lèi)型，使得它連接了任何一種管腳ERC都會(huì)報(bào)錯(cuò)。

連接器、FPGA、微控制器等這些器件的符號(hào)經(jīng)常需要修改某些管腳的電氣類(lèi)型，因?yàn)檫@些管腳在不同的設(shè)計(jì)中其電氣類(lèi)型是不同的，要根據(jù)分配給這些管腳的信號(hào)的屬性來(lái)重新修改這些管腳的電氣類(lèi)型。

在創(chuàng)建完所有的原理圖符號(hào)后，找一個(gè)安靜、無(wú)人打擾的地方，打開(kāi)符號(hào)編輯器以及這些元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，再仔細(xì)檢查每一個(gè)器件的每一個(gè)管腳：管腳編號(hào)、管腳名字、電氣類(lèi)型等，確保每一個(gè)管腳都在符號(hào)上而且屬性是對(duì)的。我個(gè)人的習(xí)慣是在畫(huà)完原理圖以后再檢查一遍原圖中的每個(gè)符號(hào)，從創(chuàng)建原理圖符號(hào)，到繪制原理圖再做最終的檢查中間隔一段時(shí)間會(huì)比較容易檢查出一些剛創(chuàng)建時(shí)無(wú)法看出來(lái)的問(wèn)題。

善用ERC（電氣規(guī)則檢查）ERC是根據(jù)一系列設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行的電氣連接方面的檢查，如果有不正確的連接就會(huì)給出“錯(cuò)誤”或“警告”的提示信息。一般來(lái)講，規(guī)則都是在尋找懸空的管腳，或者電氣類(lèi)型不兼容的管腳之間產(chǎn)生了連接。一般來(lái)講，這些規(guī)則被一個(gè)“連接矩陣”來(lái)設(shè)定，如下面的例子（來(lái)源于KiCad工具）：

在矩陣中，每一種可以指定給管腳的電氣類(lèi)型都有一行和一列，這些由行、列交叉的管腳的每一種組合就被定義了一種規(guī)則，在本圖中，矩陣中綠色的意味著兩種類(lèi)型的管腳是可以進(jìn)行連接的，一個(gè)“W”在ERC報(bào)告中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“報(bào)警”信息，一個(gè)“E”在ERC報(bào)告中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“錯(cuò)誤”信息。工具一般都會(huì)有一個(gè)缺省的矩陣規(guī)則，這種規(guī)則是常用的，當(dāng)然在具體的電路設(shè)計(jì)中你可以根據(jù)需要改變這些規(guī)則。

雖然ERC是有局限性的，也一定要在設(shè)計(jì)原理圖的時(shí)候運(yùn)行ERC，根據(jù)你電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)可以調(diào)整你電路ERC的規(guī)則矩陣，并根據(jù)產(chǎn)生的報(bào)告修改電路圖中存在的錯(cuò)誤和不規(guī)范的地方，直到所有的錯(cuò)誤、警告信息全部消失再執(zhí)行下一步。

通過(guò)網(wǎng)表（netlist）檢查

即便你的設(shè)計(jì)通過(guò)了ERC，沒(méi)有了錯(cuò)誤，也沒(méi)有了警告提示，但不意味著你的設(shè)計(jì)一定就安全了，你可能標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)名字的時(shí)候?qū)蓚€(gè)名字做了交換，有可能本該連接的管腳并沒(méi)有真正連接上，而這些通過(guò)ERC可能無(wú)法檢查出來(lái)的，生成的Netlist可能幫你大忙。

我一般會(huì)手工檢查生成的網(wǎng)表 - 對(duì)比原理圖中的每一根連線，查找netlist中的每一個(gè)連接信息，檢查完一個(gè)連接在原理圖上劃掉，并在netlist文件中刪除掉，直到原理圖中的每一個(gè)連接、netlist中的每一行信息都彼此做了一一對(duì)應(yīng)。很多人會(huì)覺(jué)得這沒(méi)有必要，但我確實(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)通過(guò)其它檢查工具未查出來(lái)的問(wèn)題。對(duì)我來(lái)講，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題就值得所有的努力。

機(jī)器 - PCB設(shè)計(jì)工具，畢竟是按照人設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行檢查的一種方式，它不可能盡善盡美，但學(xué)會(huì)使用這些工具會(huì)對(duì)你的設(shè)計(jì)大有裨益。當(dāng)然最重要的還是要養(yǎng)成好的設(shè)計(jì)習(xí)慣 - 在創(chuàng)建原理圖符號(hào)、繪制原理圖的每一步都要盡可能做到嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、一絲不茍，確保原理圖、原理圖的每一個(gè)符號(hào)都是準(zhǔn)確的、完整的，原理圖的連線都是準(zhǔn)確的、完整的并且清晰的。除此之外，考慮到原理圖的易讀性（多數(shù)情況下原理圖是給別人看的，而別人更容易發(fā)現(xiàn)你看不到的問(wèn)題），原理圖的設(shè)計(jì)風(fēng)格也要做到清晰、規(guī)范、符合人的閱讀習(xí)慣。

前期點(diǎn)點(diǎn)滴滴的努力，都是為了后期項(xiàng)目進(jìn)展的順暢，記住一點(diǎn)，前期花的時(shí)間越多，整體的效率會(huì)越高。
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