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      標簽　>　硬件電路設計

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      硬件電路設計百科

      隨著集成電路設計與制造技術的不斷發(fā)展，電路系統(tǒng)的功能越來越強大，組成卻越來越簡單，軟件設計的重要性逐漸提高，但硬件電路設計的重要性不容忽視。軟件設計得再完美，若硬件電路設計不合理，系統(tǒng)的性能將大打折扣，嚴重時甚至不能正常工作。硬件電路的設計一般分為設計需求分析、原理圖設計、PCB設計、工藝文件處理等幾個階段。
       

      設計需求分析

      硬件電路的設計需求是基于項目或控制平臺的系統(tǒng)需求，設計需求的合理分析是選用電路核心元器件及其典型電路的關鍵。硬件電路的通用設計需求有應用環(huán)境、面積/體積限制、電源、功耗等，此外功能不同電路需求也不同。以某控制平臺典型電路為例，設計前必須關注的需求如表所示。
       

      原理圖設計

      原理圖設計是硬件電路設計的核心，合適的器件選型、必要的計算分析以進行參數(shù)搭配、仿真工具的運用與驗證等是其常用工作流程，最終通過繪制原理圖將這些技術用圖形化語言表達出來。
       

      元器件選型

      元器件的選型是原理圖設計過程中的一個重要環(huán)節(jié)。元器件是否合理、優(yōu)質(zhì)選用，將直接影響整個硬件電路的性能和可靠性，也關系到產(chǎn)品后期的使用與維護。在選用元器件時，應根據(jù)電路功能要求確定元器件的關鍵參數(shù)，圖表中給出了常用元器件選型時需要關注的參數(shù)，此外還應考慮元器件工作的可靠性、成本、供貨周期等因素。

      繪制原理圖

      在確定好元器件型號后，就可使用EDA工具軟件繪制電路原理圖。在繪制過程中應該注意以下問題：
      （1）對于初次使用的元器件，一定要查看元器件手冊，弄清楚其關鍵參數(shù)、封裝、推薦電路等。
      （2）盡量使用或借鑒成熟電路，對于不成熟電路要多測試。
      （3）按照信號流向繪制原理圖。對于復雜電路，可根據(jù)功能模塊分多張sheet繪制，并給出必要的文字說明。
      （4）網(wǎng)絡名稱的命名盡量遵循信號的含義，以增加原理圖的可讀性。
      （5）綜合考慮PCB性能和加工的效率選擇電路加工流程。因為少一個工藝流程，可以有效縮短硬件電路的加工時間。加工工藝的優(yōu)選順序為：元器件面單面貼裝﹥元器件面貼、插混裝﹥雙面貼裝﹥元器件面貼插混裝、焊接面貼裝。
      （6）原理圖繪制完成后要編譯。這樣可以檢查出很多問題，如缺少網(wǎng)絡標號、信號源屬性錯誤等。
      （7）在原理圖編譯通過后，需要生成網(wǎng)絡表。這是原理圖到PCB的一個必要環(huán)節(jié)，如果原理圖存在錯誤，網(wǎng)絡表是無法成功導入PCB中的。 [1]
       

      PCB設計

      PCB設計是以電路原理圖為依據(jù)實現(xiàn)硬件電路的功能，此外還應滿足可生產(chǎn)性、可測試性、安規(guī)、EMC、EMI等技術規(guī)范要求，以構建產(chǎn)品的工藝、技術、質(zhì)量和成本優(yōu)勢。
       

      制作物理邊框

      封閉的物理邊框是PCB設計的基本平臺，對后續(xù)的自動布局和布線起著約束作用。繪制物理邊框時一定要精確，以免出現(xiàn)安裝問題。使用圓弧邊框可以減少應力導致PCB板斷裂的現(xiàn)象，也能避免尖腳劃傷人員。
       

      引入元器件和網(wǎng)絡

      引入元器件和網(wǎng)絡是將原理圖中的元器件和網(wǎng)絡等信息引入到物理邊框內(nèi)，為布局和布線做準備。在更新PCB之前，應確認原理圖中與PCB關聯(lián)的所有元器件的封裝庫均可用。
       

      元器件布局

      元器件的布局與布線對產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容等都有很大的影響。布局常用的規(guī)則有：
      （1）元器件的放置順序。先放置與電路結構有關的需固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件等，最好將其位置鎖定，以免被誤移動；再放置電路中的特殊元器件，如發(fā)熱元件、大體積元件、IC等；最后放置小元件。
      （2）元器件的安放位置。首先應考慮特殊元器件的安放位置，例如發(fā)熱元件要盡量靠邊放置以便散熱，且不宜集中放置，并遠離電解電容；去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳，并力求與電源和地之間形成的回路最短。其次應考慮信號的隔離問題，例如高電壓、大電流的強信號與低電壓、小電流的弱信號應完全分開；模擬信號與數(shù)字信號分開；高頻信號與低頻信號分開等。非特殊元器件的布局應使總的連線盡可能短，關鍵信號線最短。結構相同的電路可采用對稱式設計以提高設計效率、減小出錯率，并節(jié)省調(diào)試時電路的辨識時間。布局應留有足夠的工藝邊，以免干涉PCB板的正常傳送。
      （3）元器件的放置方向。在設計許可的條件下，同類元器件應按相同方向排列，相同封裝的元器件等距離放置，以便元件貼裝、焊接、測試和返修。
       

      電路板布線

      合理的布線可以有效減少外部環(huán)境對信號的干擾以及各種內(nèi)部信號之間的相互干擾，提高設備運行的可靠性，同時也便于查找故障原因和維護工作，提高產(chǎn)品的可用性。布線常用的規(guī)則有：
      （1）布線的位置。布線應盡量走在焊接面；模擬部分和數(shù)字部分的地和電源應分開布線；大電流、高電壓信號與小信號之間應注意隔離；盡量少用過孔、跳線；布線也應留有足夠的工藝邊。
      （2）布線的寬度與長度。除地線外，在同一塊PCB板上導線的寬度應盡可能均勻一致，避免突然變粗或變細。電源線和地線的寬度要求可以根據(jù)1mm的線寬最大對應1A 的電流來計算，電源和地構成的環(huán)路應盡量小；在可能的條件下電路的連線應盡量短，這樣有利于降低線路阻抗，也可減弱由于連線引起的各種干擾效應。
      （3）布線的角度。布線時應避免銳角、直角，宜采用135°或圓角布線。
       

      工藝文件處理

      布線完成后，需要對個別元器件、布線和文字的位置和大小等進行調(diào)整完善，以便進行生產(chǎn)、調(diào)試和維修。然后進行覆銅，推薦采用接地覆銅方式。其次核對網(wǎng)絡是否與原理圖一致，最后還可使用軟件仿真功能對電路進行調(diào)試。 [2]

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      硬件電路設計知識

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