分享如何學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)

每天都要努力

實(shí)踐篇的教程，是因?yàn)椴僮黝惖臇|西，很難用文字來表達(dá)。那只能把最關(guān)鍵的口訣寫下來，讓大家在實(shí)踐中體會(huì)了。

那么，一般缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師或者學(xué)生，拿著一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)書，或者一個(gè)成品的電路板的時(shí)候，往往會(huì)感覺到，根本無從下手。主要原因是，知識(shí)儲(chǔ)備不足，少實(shí)踐少動(dòng)手。

但也不用著急，這是需要慢慢積累的。同樣，不用擔(dān)心東西太多，不知道學(xué)到什么時(shí)候才能獨(dú)當(dāng)一面，因?yàn)楹芏鄸|西都是相通的。

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下面介紹硬件設(shè)計(jì)的實(shí)踐路線。

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一、初級(jí)實(shí)踐篇

1.1、焊接  

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拖焊的時(shí)候，先對(duì)齊芯片，再上錫固定一個(gè)角，然后在另一側(cè)加滿錫，最后整個(gè)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(diào)好，我一般用350攝氏度。重點(diǎn)要體會(huì)，錫變成液體的時(shí)候，會(huì)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(gè)焊接過程中，都不要用力刮錫的。如果焊的時(shí)候，操作起來不順手，可以轉(zhuǎn)動(dòng)板子。

關(guān)于BGA的焊接，一般是不建議手工操作的，因?yàn)槌晒β什桓撸�推薦用返修臺(tái)。這里說一下BGA手工植球的操作流程。

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先用萬能植錫鋼網(wǎng)（這是最落后的工具，除此之外還有植錫臺(tái)，不過挺貴的），跟BGA對(duì)齊，再用膠布把BGA和鋼網(wǎng)粘住固定好。先加錫膏，再用風(fēng)槍吹一會(huì)（風(fēng)槍的風(fēng)速和溫度可以調(diào)低一點(diǎn)），錫變亮的時(shí)候，再用手術(shù)刀，把多余的錫刮走。如果錫球不均勻的話，再重復(fù)上一步，直接錫球均勻?yàn)橹埂Ｋ旱裟z布，用手術(shù)刀把BGA撬起來。

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1.2、儀器儀表的使用  

a、萬用表。為什么起這個(gè)名字？因?yàn)閷?duì)于高手來說，萬用表是幾乎是萬能的。一般也是用它來測(cè)電壓、電流和電阻。
& i" y0 f9 o  }8 _2 ?$ Q( mb、示波器�，F(xiàn)在都用數(shù)字示波器，一個(gè)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(gè)小眾的功能，就是李沙育圖（測(cè)相位差和測(cè)頻率用的）。此外，還要學(xué)會(huì)用示波器測(cè)開關(guān)電源紋波。
2 |  J/ H  ^* @  ?& }c、數(shù)字電橋，也叫LCR、LCZ測(cè)試儀。用它可以測(cè)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。
7 k0 p7 T$ W& C5 N1 m$ J6 J0 Nd、信號(hào)發(fā)生器，也叫函數(shù)信號(hào)發(fā)生器�？梢暂敵稣�弦波、方波、三角波、已調(diào)信號(hào)。用法比較簡(jiǎn)單，但是射頻信號(hào)發(fā)生器，就要注意了，在輸出信號(hào)之前，一定要做好阻抗匹配，不然信號(hào)反射的話，有可能會(huì)損壞信號(hào)發(fā)生器。
' v! E, Q: E9 i2 l: J/ i$ o- V+ Z# Of、頻率計(jì)。用法比較簡(jiǎn)單，不再多說了，有的信號(hào)發(fā)生器還增加了頻率計(jì)的功能。
7 ~. a2 `% W; m, R2 Q* b+ C1 v7 m! Rg、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，也叫網(wǎng)分儀。用于測(cè)量射頻電路的S參數(shù)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(diǎn)。
h、頻譜儀。也就看一下頻譜，也有示波器的功能。
. J; C0 ~' a; B. E還有一些小眾儀器就不說了，像漏電流測(cè)試儀、電表等。
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1.3、維修  

7 \/ I+ I) r+ H# v" j) g7 Z& d: a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(cè)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(duì)板子的整體設(shè)計(jì)有一定的認(rèn)識(shí)，或者你得背下前輩們的經(jīng)驗(yàn)（背經(jīng)驗(yàn)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(duì)板子的各個(gè)功能分好模塊，從現(xiàn)象判斷哪個(gè)模塊出問題，斷開可疑的模塊，來排除可疑點(diǎn)（像偵探一樣）。有一塊好板的話，就很好辦，直接對(duì)照著測(cè)各元件的電壓（或者對(duì)地的電阻值）就能解決了。用萬用表只能解決一些簡(jiǎn)單的問題，要想徹底修好，手上一定要有示波器，因?yàn)橄窬д袷艿礁蓴_之類的，用萬用表是測(cè)不出來的。

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1.4、調(diào)試  

% ~2 [1 j# ^. ~+ N2 h  Z調(diào)試，一般是自主設(shè)計(jì)的電路，沒經(jīng)過驗(yàn)證，需要自己去驗(yàn)證，這是非常需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。調(diào)試也是硬件工程師最容易累積經(jīng)驗(yàn)、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(shí)先放下，等后來水平再高一層，就會(huì)解決的了，所以千萬不要鉆牛角尖，這只會(huì)浪費(fèi)更多的時(shí)間。調(diào)試的技巧需要長(zhǎng)時(shí)間的積累，放在前面，是讓大家有所重視。
2 i! J) M0 y8 G調(diào)試方法，多種多樣，視情況而定，不能一概而論，筆者總結(jié)了以下幾個(gè)方法：
. u) A8 }5 G# f8 Ba、示波器測(cè)量。當(dāng)然，首先你得清楚你設(shè)計(jì)出來的電路，會(huì)出什么樣的波形，才知道測(cè)出來對(duì)不對(duì)，也就是說，理論不行的，根本無法調(diào)試。
b、對(duì)照驗(yàn)證過的電路。如果手上有一塊好板，而需要調(diào)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(yàn)證一下，排除可疑點(diǎn)，這里跟維修的方法一樣。
1 k; h4 V* z6 e" h' |# @* S5 ?2 pc、仿真。其實(shí)在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，能仿真就先仿真了，如果實(shí)物做出來，還是有問題，也可以仿真一下。如運(yùn)放電路的參數(shù)、不確定的電阻串并聯(lián)等等。
d、鑷子短路。在你懷疑時(shí)鐘是不是干擾到其它信號(hào)的時(shí)候，可以用鑷子把時(shí)鐘引腳跟地短路（只要是弱信號(hào)，跟地短接一會(huì)都不會(huì)燒板子的，放心），以排除可疑點(diǎn)。還有復(fù)位的問題，也可以用這個(gè)方法。
- g! W. s) E( B  J( a' ^e、信號(hào)發(fā)生。比如一個(gè)運(yùn)放電路，輸入和輸出均受干擾了，那么你就可以用信號(hào)發(fā)生器或者開發(fā)板，來輸出一路干凈的信號(hào)，這樣可以排除可疑點(diǎn)。
0 c- N/ O. ?- _! _; e. Y1 ^- c0 Qf、軟件調(diào)試。如果板子上，有CPU就可以用串口調(diào)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(nèi)部還是外部的問題。
g、觀察現(xiàn)象。信號(hào)都在板子上跑了，直接觀察是觀察不出來的，這個(gè)時(shí)候，可以引出信號(hào)線，接在可觀察的設(shè)備上。如：調(diào)試音頻放大器的時(shí)候，就可以接一路信號(hào)，到一個(gè)現(xiàn)成完好的功放上面，通過聽聲音來觀察現(xiàn)象。當(dāng)然，你可不要只想到功放，還有其它可觀察的設(shè)備或者元件，像LED燈、顯示器，甚至是收音機(jī)，只要能派得上用場(chǎng)的都可以。

二、中級(jí)實(shí)踐篇

2.1、仿真軟件的使用  

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

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

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

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c、labview。這個(gè)軟件功能非常強(qiáng)大，可以仿真模擬、數(shù)字電路、也可以做上位機(jī)（如：虛擬儀器等）。最具特色的，就是圖形化輸入，鼠標(biāo)施幾個(gè)東西就可以仿真了。

d、pspice。這個(gè)軟件是cadence或者叫SPB開發(fā)套件中的一個(gè)軟件，一般是在capture中調(diào)出來的。使用capture就可以不用輸入spice的點(diǎn)命令，非常方便。其中，pspice的圖表要比multisim的要好看一些，比如，測(cè)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓，在pspice一張圖就看得很清晰了。

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e、ADS。這個(gè)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(qiáng)大，一般是仿真高頻、射頻、微波電路用的，當(dāng)然，集總參數(shù)電路也照樣可以仿真，但是不太適合初學(xué)者。

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f、saber。這個(gè)軟件是專門仿真電源電路用的，筆者暫時(shí)沒用過，不做評(píng)價(jià)。

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2.2、電路設(shè)計(jì)軟件的使用  

6 b  ~& \! }' P1 L5 a& o" P( t- p主流的電路設(shè)計(jì)軟件有三個(gè)：Altium designer、pads、Cadence，當(dāng)然還有些小眾的，像eagle。這里只介紹主流的三款軟件。
  c& a! e+ b8 I5 G$ s/ n- Qaltium designer（簡(jiǎn)稱AD），以前的版本是protel 99se，protel DXP，用法都大同小異，很適合初學(xué)者使用，3D渲染效果最好，同時(shí)也是學(xué)校里教得最多的軟件。但是，很多公司反而不用這軟件，因?yàn)橛盟�畫多層板的話，電腦會(huì)很卡，而且公司里面用的人多的話，可能會(huì)收到altium的律師函。可以用它來做FPGA開發(fā)，并進(jìn)行板級(jí)仿真。適用于小規(guī)模的PCB。
PADS，以前的版本是power PCB，分成三個(gè)組件：logic（原理圖）、layout（布局和設(shè)置規(guī)則）、route（布線），最具特色的功能是：使用極坐標(biāo)放置元件和自動(dòng)布線（這個(gè)自動(dòng)布線可沒有AD那么爛）。適用于中小規(guī)模的PCB，但是logic相當(dāng)不好用，所以有些人用orcad+PADS來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。適用于中小規(guī)模的PCB。
Cadence（也叫SPB）是個(gè)系統(tǒng)級(jí)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(gòu)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(diào)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(gè)芯片的原理圖庫，你可以用excel寫好（引腳號(hào)和部分引腳名，像D0~D7，鼠標(biāo)拖一下就出來了），然后copy到capture里面，再做少量的調(diào)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(guī)模的PCB。
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2.3、其它軟件的使用  

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畫板框用的autoCAD、畫3D封裝的solidworks或者pro-e、科學(xué)計(jì)算的MATLAB。

autoCAD的基本用法還是比較簡(jiǎn)單的，在有人教的情況下，半小時(shí)可以入門，對(duì)于硬件工程師來說就畫一下板框，保存為DXF格式，再導(dǎo)入到pcb設(shè)計(jì)軟件。同時(shí)，DXF也是硬件工程師與結(jié)構(gòu)工程師交互的文件格式。

相對(duì)于pro-e來說，solidworks更加易學(xué)易用。用這兩個(gè)軟件都可以畫元器件的3D封裝，再把PCB導(dǎo)出為stp格式放到solidworks當(dāng)中，這樣，還沒打板就可以看到整機(jī)的效果圖了。學(xué)3D軟件還有個(gè)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(shè)計(jì)出來的PCB不容易因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)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(jì)算，都可以用它。簡(jiǎn)單的計(jì)算，像電阻分壓、濾波器的截止頻率等，復(fù)雜一點(diǎn)，像定向耦合器的參數(shù)計(jì)算、復(fù)雜運(yùn)放電路的建模等，用MATLAB都可以輕松解決。這里還推薦一個(gè)網(wǎng)頁版的計(jì)算工具。

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三、進(jìn)階中級(jí)實(shí)踐篇

3.1、基本電路單元的計(jì)算、仿真與驗(yàn)證  

誠(chéng)然，不管一塊電路板有多復(fù)雜，都可以按照功能來劃分為若干個(gè)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(shè)計(jì)。這些電路單元，都可以在數(shù)電、模電、電力電子技術(shù)、高頻電子線路、單片機(jī)、電子測(cè)量技術(shù)當(dāng)中學(xué)到，先搞懂教課書上經(jīng)典電路的計(jì)算、仿真與驗(yàn)證。不要以為書上的公式簡(jiǎn)單，但是實(shí)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(jì)算，再仿真，后實(shí)物的操作流程，同時(shí)，這也是一個(gè)需要長(zhǎng)期累積的過程。

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3.2、芯片的使用與互連  

在理論篇里面沒有寫到電子專業(yè)英語，在這里就要用到專業(yè)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(diǎn)是：英語不好導(dǎo)致無法閱讀datasheet的，都無法做電路設(shè)計(jì)。因?yàn)槟憧偟脮?huì)用到一塊陌生的芯片，總會(huì)遇到?jīng)]中文資料的情況�；�本上能看懂datasheet的，都能把芯片用起來，其實(shí)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(shù)，也是單片機(jī)里面會(huì)講到的。5V的ADC跟3.3V的單片機(jī)互連，這就要看電平、和信號(hào)的傳輸速率了。3.3V單片機(jī)跟12V開啟電壓的MOS管互連，加個(gè)三極管，做電平轉(zhuǎn)換就可以了。兩塊3.3V單片機(jī)IO口推挽輸出互連，串個(gè)100R電阻，防止代碼操作不當(dāng)而燒壞IO口。

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

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四、高級(jí)實(shí)踐篇

$ m+ b7 }  z/ Q2 J- N; ]% ^$ D在這里，相信你已經(jīng)把一些基本電路，熟捻于心，也會(huì)分析一些簡(jiǎn)單的電路。但是，你總會(huì)遇到一些奇葩的現(xiàn)象。沒錯(cuò)，你是時(shí)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(xué)到的電路原理，只是考慮問題的角度不同罷了。

  4.1、SI，信號(hào)完整性。這部分的內(nèi)容對(duì)PCB的布局、布線影響較大  

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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(duì)阻抗有要求，如：天線等）。

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b、差分線應(yīng)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。

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d、繼電器等大功率器件應(yīng)該遠(yuǎn)離晶振等易被干擾的元件。

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e、對(duì)重要的信號(hào)線，包地。

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f、盡量遠(yuǎn)離時(shí)鐘線（時(shí)鐘也可能成為干擾源）。

g、信號(hào)線的返回路徑應(yīng)該盡量短。

信號(hào)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(shè)計(jì)實(shí)踐》。

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  4.2、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(dòng)。

  4.3、EMC/EMI，電磁兼容性和電磁干擾。這兩個(gè)名詞看起來有點(diǎn)高大上，其實(shí)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(jié)為SI的問題，但是EMC有一套驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，所以還是起了不同的名字。

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推薦《Cadence高速電路設(shè)計(jì)：Allegro Sigrity SI/PI/EMC設(shè)計(jì)指南》。

五、總結(jié)

3 g# P$ t$ y# s: g$ m. a. n- b5.1、千萬不要以為把某些口訣當(dāng)秘笈地記下來，就以為練成了神功，這都是不現(xiàn)實(shí)的。前期的學(xué)習(xí)都必須以理論為核心，少量的實(shí)踐以幫助理解理論，后面就可以逐漸增加實(shí)踐，理論和實(shí)踐是相輔相成，缺一不可的。
& O  y- l( [# z2 ~4 ^6 Y5.2、當(dāng)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(dǎo)思想的。
* ~% H: a; ^2 p2 L5.3、千萬不要害怕出錯(cuò)而不敢做板。硬件工程師都是不斷地犯錯(cuò)、改正、總結(jié)，才慢慢地成熟起來，減少犯錯(cuò)的概率。不知道錯(cuò)的話，也意味著不能積累經(jīng)驗(yàn)。
2 Z" H0 u& \" X2 D+ V% Q1 ]3 j( C5.4、本文沒有提及生產(chǎn)、測(cè)試方面的問題，如：線材、PCBA、BOM、拼板、測(cè)試夾具、打磨芯片、包裝（QC標(biāo)簽、易碎紙、說明書）等。
5.5、因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電路功能都依靠于芯片來實(shí)現(xiàn)，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(diào)試能力。
5.6、因?yàn)橛布�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(xué)習(xí)ARM、FPGA、DSP等相關(guān)知識(shí)，只是側(cè)重點(diǎn)有所不同而已，不然會(huì)給工作上帶來一定的麻煩。
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本文為CSDN博主「隊(duì)長(zhǎng)-Leader」的原創(chuàng)文章，原文鏈接：https://blog.csdn.net/k331922164/article/details/46844339

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