如何學好硬件設計？高手教你從理論走向實踐

傳感器技術 2021-06-19 07:00

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來源 | CSDN

文 | 隊長-Leader

一般缺乏經驗的工程師或者學生，拿著一個項目任務書，或者一個成品的電路板的時候，往往會感覺到，根本無從下手。主要原因是，知識儲備不足，少實踐少動手。

但也不用著急，這是需要慢慢積累的。同樣，不用擔心東西太多，不知道學到什么時候才能獨當一面，因為很多東西都是相通的。

下面介紹硬件設計的實踐路線。

初級實踐篇

焊接

首先看一下杜洋前輩的焊接視頻。我當年也是看了他的視頻才學會焊接的。

關鍵的地方視頻中也會提到，這里大概地說一下（洞洞板的焊接就不說了）。

拖焊的時候，先對齊芯片，再上錫固定一個角，然后在另一側加滿錫，最后整個芯片都加滿錫。把板子拿起來，傾斜30度左右，再用烙鐵加熱，把變成液體的錫吸起來，甩掉，直到把所有錫都吸走為止。烙鐵的溫度要調好，我一般用350攝氏度。重點要體會，錫變成液體的時候，會像水一樣受重力作用向下流，還有，烙鐵頭表面是有吸力的，所以在整個焊接過程中，都不要用力刮錫的。如果焊的時候，操作起來不順手，可以轉動板子。

關于BGA的焊接，一般是不建議手工操作的，因為成功率不高，推薦用返修臺。這里說一下BGA手工植球的操作流程。

先用萬能植錫鋼網（這是最落后的工具，除此之外還有植錫臺，不過挺貴的），跟BGA對齊，再用膠布把BGA和鋼網粘住固定好。先加錫膏，再用風槍吹一會（風槍的風速和溫度可以調低一點），錫變亮的時候，再用手術刀，把多余的錫刮走。如果錫球不均勻的話，再重復上一步，直接錫球均勻為止。撕掉膠布，用手術刀把BGA撬起來。

儀器儀表的使用

萬用表：為什么起這個名字？因為對于高手來說，萬用表是幾乎是萬能的。一般也是用它來測電壓、電流和電阻。

示波器：現在都用數字示波器，一個auto鍵，可以輕松搞定，而且還帶FFT的功能，可以使用頻域分析法，是硬件工程師必須掌握的神兵利器。示波器還有個小眾的功能，就是李沙育圖（測相位差和測頻率用的）。此外，還要學會用示波器測開關電源紋波。

數字電橋，也叫LCR、LCZ測試儀：用它可以測電感值、電容值、電阻值、Q值、D值等，精度比一般的萬用表要高。

信號發生器，也叫函數信號發生器：可以輸出正弦波、方波、三角波、已調信號。用法比較簡單，但是射頻信號發生器，就要注意了，在輸出信號之前，一定要做好阻抗匹配，不然信號反射的話，有可能會損壞信號發生器。

頻率計：用法比較簡單，不再多說了，有的信號發生器還增加了頻率計的功能。

矢量網絡分析儀，也叫網分儀：用于測量射頻電路的S參數矩陣，還可以顯示史密斯圓圖。每次使用之前都要校正一下頻率點。

還有一些小眾儀器就不說了，像漏電流測試儀、電表等。

維修

首先肉眼觀察一下板子，看有沒有虛焊、短路或者缺少元件。有就修，沒有就下一步。

然后用萬用表測一下各組電源，看有沒有短路。有就修，沒有就下一步。

給板子上電，看各組電源電壓是否正常。有就修，沒有就下一步。

到了這一步，你必須對板子的整體設計有一定的認識，或者你得背下前輩們的經驗（背經驗的往往覺得硬件很神秘，這是我不推薦的做法），不然沒法修好。先對板子的各個功能分好模塊，從現象判斷哪個模塊出問題，斷開可疑的模塊，來排除可疑點（像偵探一樣）。有一塊好板的話，就很好辦，直接對照著測各元件的電壓（或者對地的電阻值）就能解決了。用萬用表只能解決一些簡單的問題，要想徹底修好，手上一定要有示波器，因為像晶振受到干擾之類的，用萬用表是測不出來的。

調試

調試，一般是自主設計的電路，沒經過驗證，需要自己去驗證，這是非常需要扎實的理論基礎。調試也是硬件工程師最容易累積經驗、含金量最高的技能之一。如果前期遇到棘手的問題，可以暫時先放下，等后來水平再高一層，就會解決的了，所以千萬不要鉆牛角尖，這只會浪費更多的時間。調試的技巧需要長時間的積累，放在前面，是讓大家有所重視。

調試方法，多種多樣，視情況而定，不能一概而論，筆者總結了以下幾個方法：

示波器測量。當然，首先你得清楚你設計出來的電路，會出什么樣的波形，才知道測出來對不對，也就是說，理論不行的，根本無法調試。
對照驗證過的電路。如果手上有一塊好板，而需要調試的電路里面剛好有好板的電路，可以拿好板來飛幾根線驗證一下，排除可疑點，這里跟維修的方法一樣。
仿真。其實在設計電路的時候，能仿真就先仿真了，如果實物做出來，還是有問題，也可以仿真一下。如運放電路的參數、不確定的電阻串并聯等等。
鑷子短路。在你懷疑時鐘是不是干擾到其它信號的時候，可以用鑷子把時鐘引腳跟地短路（只要是弱信號，跟地短接一會都不會燒板子的，放心），以排除可疑點。還有復位的問題，也可以用這個方法。
信號發生。比如一個運放電路，輸入和輸出均受干擾了，那么你就可以用信號發生器或者開發板，來輸出一路干凈的信號，這樣可以排除可疑點。
軟件調試。如果板子上，有CPU就可以用串口調試，有FPGA就可以用嵌入式邏輯分析儀，這樣可以確定是芯片內部還是外部的問題。
觀察現象。信號都在板子上跑了，直接觀察是觀察不出來的，這個時候，可以引出信號線，接在可觀察的設備上。如：調試音頻放大器的時候，就可以接一路信號，到一個現成完好的功放上面，通過聽聲音來觀察現象。當然，你可不要只想到功放，還有其它可觀察的設備或者元件，像LED燈、顯示器，甚至是收音機，只要能派得上用場的都可以。

中級實踐篇

仿真軟件的使用

常用的仿真軟件也就那幾個，proteus、multisim、labview、pspice、ADS等，其中大多數是用spice仿真模型。

a、proteus。這個軟件很適合仿真單片機，元件庫也挺多的，但是有個致命的缺點，就是太智能了。單片機不接電源、不接晶振也能正常工作，這跟實際有很大出入，所以筆者建議學單片機，還是用開發板吧。

b、multisim。這個軟件很適合仿真模擬電路，其實它本質是spice仿真，只是界面做得簡單很多，適合初學者使用。雖然有8051的庫，但是，不適合仿真單片機，仿真起來很慢。元件庫其實并不多，像0805的三極管，它都沒有，這時候只能用其它的三極管（2N2222等）代替一下，要不，就自己做這個元件庫。multisim還可以跟ultiboard配合使用，實際板級仿真（連同PCB，一起仿真）。

c、Labview。這個軟件功能非常強大，可以仿真模擬、數字電路、也可以做上位機（如：虛擬儀器等）。最具特色的，就是圖形化輸入，鼠標拖幾個東西就可以仿真了。

d、pspice。這個軟件是cadence或者叫SPB開發套件中的一個軟件，一般是在capture中調出來的。使用capture就可以不用輸入spice的點命令，非常方便。其中，pspice的圖表要比multisim的要好看一些，比如，測幾個節點的電壓，在pspice一張圖就看得很清晰了。

e、ADS。這個ADS是指Agilent的Advanced.Design.System，而不是指ARM編譯器ADS1.2。ADS可是電路仿真的神器啊，功能非常強大，一般是仿真高頻、射頻、微波電路用的，當然，集總參數電路也照樣可以仿真，但是不太適合初學者。

電路設計軟件的使用

主流的電路設計軟件有三個：Altium Designer、PADS、Cadence，當然還有些小眾的，像Eagle。這里只介紹主流的三款軟件。

Altium designer（簡稱AD），以前的版本是protel 99se，protel DXP，用法都大同小異，很適合初學者使用，3D渲染效果最好，同時也是學校里教得最多的軟件。但是，很多公司反而不用這軟件，因為用它畫多層板的話，電腦會很卡，而且公司里面用的人多的話，可能會收到altium的律師函。可以用它來做FPGA開發，并進行板級仿真。適用于小規模的PCB。

PADS，以前的版本是power PCB，分成三個組件：logic（原理圖）、layout（布局和設置規則）、route（布線），最具特色的功能是：使用極坐標放置元件和自動布線（這個自動布線可沒有AD那么爛）。適用于中小規模的PCB，但是logic相當不好用，所以有些人用orcad+PADS來彌補這個缺點。適用于中小規模的PCB。

Cadence（也叫SPB）是個系統級的套件，除了畫原理圖、PCB之外，還可以畫版圖、仿真電路、仿真SI/PI等。Cadence公司收購了orcad，目前畫原理圖的是用capture（也叫orcad），畫PCB是用allegro，仿真電路的是pspice（從capture里面調出來的），仿真SI/PI的是Sigrity（需要另外安裝）。用capture畫原理圖是非常爽的，比如，畫個芯片的原理圖庫，你可以用excel寫好（引腳號和部分引腳名，像D0~D7，鼠標拖一下就出來了），然后copy到capture里面，再做少量的調整就可以了。但是用allegro畫封裝就比較煩瑣，需要事先畫好焊盤，才可以畫封裝。適用于中大規模的PCB。

其他軟件的使用

畫板框用的AutoCAD、畫3D封裝的solidworks或者pro-e、科學計算的MATLAB。

AutoCAD的基本用法還是比較簡單的，在有人教的情況下，半小時可以入門，對于硬件工程師來說就畫一下板框，保存為DXF格式，再導入到PCB設計軟件。同時，DXF也是硬件工程師與結構工程師交互的文件格式。

相對于pro-e來說，solidworks更加易學易用。用這兩個軟件都可以畫元器件的3D封裝，再把PCB導出為stp格式放到solidworks當中，這樣，還沒打板就可以看到整機的效果圖了。學3D軟件還有個好處，讓你更清楚板子安裝的情況，像定位孔、插座、接線等，這樣設計出來的PCB不容易因為結構問題而無法安裝，這是很多硬件工程師容易忽略的地方。

MATLAB，任何的計算，都可以用它。簡單的計算，像電阻分壓、濾波器的截止頻率等，復雜一點，像定向耦合器的參數計算、復雜運放電路的建模等，用MATLAB都可以輕松解決。

進階中級實踐篇

1、基本電路單元的計算、仿真與驗證

誠然，不管一塊電路板有多復雜，都可以按照功能來劃分為若干個模塊，而這些模塊還可以再劃分為眾多的電路單元。所以，首先要掌握最基本的電路單元的設計。這些電路單元，都可以在數電、模電、電力電子技術、高頻電子線路、單片機、電子測量技術當中學到，先搞懂教課書上經典電路的計算、仿真與驗證。不要以為書上的公式簡單，但是實際操作起來，又是另一回事。比如，書上的反相放大電路，是雙電源的，用單電源就要加偏置，還得考慮帶寬增益積、擺率等。這里主張先計算，再仿真，后實物的操作流程，同時，這也是一個需要長期累積的過程。

2、掌握單片機

3、芯片的使用與互連

在理論篇里面沒有寫到電子專業英語，在這里就要用到專業英語了，你可以看英語教材，也可以用翻譯軟件。這里必須提到的一點是：英語不好導致無法閱讀datasheet的，都無法做電路設計。因為你總得會用到一塊陌生的芯片，總會遇到沒中文資料的情況。基本上能看懂datasheet的，都能把芯片用起來，其實也是抄datasheet上面的參考電路的，剩下的，就是芯片互連。

芯片互連，就是接口技術，也是單片機里面會講到的。5V的ADC跟3.3V的單片機互連，這就要看電平、和信號的傳輸速率了。3.3V單片機跟12V開啟電壓的MOS管互連，加個三極管，做電平轉換就可以了。兩塊3.3V單片機IO口推挽輸出互連，串個100R電阻，防止代碼操作不當而燒壞IO口。

此外，還要掌握常用的總線協議。比如RS232、RS485、SPI、IIC、CAN、LIN、zmodem、USB、PCIE、TCP/IP等。

高級實踐篇

在這里，相信你已經把一些基本電路，熟捻于心，也會分析一些簡單的電路。但是，你總會遇到一些奇葩的現象。沒錯，你是時候要考慮SI、PI、EMC、EMI了。不要被這些貌似很高端的名詞嚇倒，分析起來，也是前面學到的電路原理，只是考慮問題的角度不同罷了。

1、SI，信號完整性

這部分的內容對PCB的布局、布線影響較大。

a、使用阻抗匹配減弱過沖、下沖、振鈴的影響（某些射頻電路也對阻抗有要求，如：天線等）。

b、差分線應該盡量靠近以減少差模干擾。

c、去耦電容要盡量靠近芯片的電源管腳。

d、繼電器等大功率器件應該遠離晶振等易被干擾的元件。

e、對重要的信號線，包地。

f、盡量遠離時鐘線（時鐘也可能成為干擾源）。

g、信號線的返回路徑應該盡量短。

信號完整性要注意的地方，還是挺多的，具體可以參考王劍宇的《高速電路設計實踐》。

2、PI，電源完整性。

要保證電源的完整，就是防止電源電壓的波動。

3、EMC/EMI，電磁兼容性和電磁干擾。

這兩個名詞看起來有點高大上，其實就是不干擾別人和防止被別人干擾的問題。EMC/EMI的問題可以歸結為SI的問題，但是EMC有一套驗證的標準，所以還是起了不同的名字。

推薦《Cadence高速電路設計：Allegro Sigrity SI/PI/EMC設計指南》。

總結

1、千萬不要以為把某些口訣當秘笈地記下來，就以為練成了神功，這都是不現實的。前期的學習都必須以理論為核心，少量的實踐以幫助理解理論，后面就可以逐漸增加實踐，理論和實踐是相輔相成，缺一不可的。

2、當硬件電路出了問題，工程師每一步的操作，都是以理論作為指導思想的。

3、千萬不要害怕出錯而不敢做板。硬件工程師都是不斷地犯錯、改正、總結，才慢慢地成熟起來，減少犯錯的概率。不知道錯的話，也意味著不能積累經驗。

4、本文沒有提及生產、測試方面的問題，如：線材、PCBA、BOM、拼板、測試夾具、打磨芯片、包裝（QC標簽、易碎紙、說明書）等。

5、因為大多數的電路功能都依靠于芯片來實現，畫原理圖幾乎都是抄datasheet的，所以硬件工程師最具含金量的技能是PCB和調試能力。

6、因為硬件工程師也常常需要和軟件工程師交流，所以，為了方便交流，你還得學習ARM、FPGA、DSP等相關知識，只是側重點有所不同而已，不然會給工作上帶來一定的麻煩。

-END-

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