硬件工程师到底需要做什么，这五大方面不可不知

 

时光飞逝，离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路板的时候，与大家一样，俺充满了疑惑同时又带着些兴奋。

 

在网上许多关于硬件电路的经验、知识让人目不暇接。像信号完整性、EMI、PS设计准会把你搞晕。

 

别急，一切要慢慢来。一个硬件工程师到底需要做什么，读完这篇文章，相信你就懂了。

 

其实搞硬件主要体现在这几方面，当然这是俺的总结，供大家参考：

 

1）总体思路。设计硬件电路，大的框架和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好，自己只是把思路具体实现;但也有些要自己设计框架的，那就要搞清楚要实现什么功能，然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板。

 

2）理解电路。如果你找到了的参考设计，那么恭喜你，你可以节约很多时间了（包括前期设计和后期调试）。马上就copy？NO，还是先看懂理解了再说，一方面能提高我们的电路理解能力，而且能避免设计中的错误。

 

3）没有找到参考设计？没关系。先确定大IC芯片，找datasheet，看其关键参数是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的关键参数，以及能否看懂这些关键参数，都是硬件工程师的能力的体现，这也需要长期地慢慢地积累。这期间，要善于提问，因为自己不懂的东西，别人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件设计。

 

4）硬件电路设计主要是三个部分，原理图、pcb 、物料清单（BOM）表。原理图设计就是将前面的思路转化为电路原理图。

 

pcb涉及到实际的电路板，它根据原理图转化而来的网表（网表是沟通原理图和pcb之间的桥梁），而将具体的元器件的封装放置在电路板上，然后根据飞线连接其电信号。完成了pcb布局布线后，要用到哪些元器件应该有所归纳，所以我们将用到BOM表。

 

5）用什么工具？Protel，也就是altium容易上手，在国内也比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。

 

 

补充一下，其实无论用简单的protel或者复杂的cadence工具，硬件设计大环节是一样的（protel上的操作类似windwos，是post-command型的;而cadence的产品concept & allegro 是pre-command型的，用惯了protel，突然转向cadence的工具，会不习惯就是这个原因）。

 

设计大环节都要有：

 

1）原理图设计。

2）pcb设计。

3）制作BOM表。

 

现在简要谈一下设计流程（步骤）：

 

1）原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上，我们必须得建立改元件的库。应搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等区别。

 

2）有了充足的库之后，就可以在原理图上画图了，按照datasheet和系统设计的要求，通过wire把相关元件连接起来。

 

3）做完这一步，我们就可以生成netlist了，这个netlist是原理图与pcb之间的桥梁。

 

4）得到netlist，马上画pcb？别急，先做ERC先。ERC是电气规则检查的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误进行排查，如多个output接在一起等问题。

 

5）从netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和数不清的飞线是不是让你吓了一跳？呵呵，别急还得慢慢来。

 

6）确定板框大小。在keepout区（或mechanic区）画个板框，这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长，板宽（有时，还得考虑板厚）。

 

确定完板框之后，就该元件布局（摆放）了，布局这步极为关键。它往往决定了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面，哪些元件该摆背面，都要有所考量。

 

但是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。其实自己画了原理图，明白所有元件功能，自然对元件摆放有清楚的认识（如果让一个不是画原理图的人来摆放元件，其结果往往会让你大吃一惊^_^）。对于初入门的，注意模拟元件，数字元件的隔离，以及机械位置的摆放，同时注意电源的拓扑就可以了。

 

接下来就是布线。这与布局往往是互动的。有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线成功。用DRC检查检查先，这是一定要检查的。DRC对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注，按照这个再一一的排查，修正。

 

结下来，要装配pcb，准备bom表吧，一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不该上，要做到心理有数。对于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便。

 

而对于新手而言，第一个版本，不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将bom的料全部焊上，这样不便于排查问题。最好的方法就是，根据bom表自己准备好元件。等到板来了之后，一步步上元件、调试。

 

 

谈谈调试

 

1）拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供电看功能，硬件调试不可能一步调试完成的。先拿万用表看看关键网络是否有不正常，主要是看电源与地之间有否短路（尽管生产厂商已经帮你做过测试，这一步还是要自己亲自看看，有时候看起来某些步骤挺繁琐，但是可以节约你后面不少时间！），其实短路与否不光pcb有关，在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题，IO短路一般不会造成灾难性的后果，但是电源短路就。

 

2）电源网络没短路？那么好，那就看看电源输出是否是自己理想的值，对于初学者，调试的时候最好IC一件件芯片上，第一个要上的就是电源芯片。

 

3）电源网络短路了？这个比较麻烦，不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况，同时结合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的问题（一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况），还是装配的问题，还是自己设计的问题。关于检查短路还有一些技巧，这在今后登出。

 

4）电源芯片没有输出？检查检查你的电源芯片输入是否正常吧，还需要检查的地方有使能信号，分压电阻，反馈网络。

 

5） 电源芯片输出值不在预料范围？如果超过很离谱，比如到了10%，那么看看分压电阻先，这两个分压电阻一般要用1%的精度，这个你做到了没有，同时看看反馈网络吧，这也会影响你的输出电源的范围。

 

6）电源输出正常了，别高兴，如果有条件的话，拿示波器看看吧，看看电源的输出跳变是否正常。也就是抓取开电的瞬间，看看电源从无到有的情况（至于为什么要看着个，嘿嘿。。.专业人士还是要看的～）

 

另外，提醒大家的是，高速看的是信号沿，不是时钟频率。

 

1） 一般而言，时钟频率高的，其信号上升沿快，因此一般我们把它们当成高速信号;但反过来不一定成立，时钟频率低的，如果信号上升沿依然快的，一样要把它当成高速信号来处理。

 

根据信号理论，信号上升沿包含了高频信息（用傅立叶变换，可以找出定量表达式），因此，一旦信号上升沿很陡，我们应该按高速信号来处理，设计不好，很可能出现上升沿过于缓慢，有过冲，下冲，振铃的现象。比如，I2C信号，在超快速模式下，时钟频率为1MHz，但是其规范要求上升时间或下降时间不超过120ns！确实有很多板I2C就过不了关！

 

2）因此，我们更应该关注的是信号带宽。根据经验公式，带宽与上升时间（10%~90%）的关系

 

以上是俺的一些经验分享，希望对大家有些帮助。