硬件工程師到底需要做什么，這五大方面不可不知

時(shí)光飛逝，離俺最初畫(huà)第一塊電路已有3年。剛剛開(kāi)始接觸電路板的時(shí)候，與大家一樣，俺充滿(mǎn)了疑惑同時(shí)又帶著些興奮。

在網(wǎng)上許多關(guān)于硬件電路的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)讓人目不暇接。像信號(hào)完整性、EMI、PS設(shè)計(jì)準(zhǔn)會(huì)把你搞暈。

別急，一切要慢慢來(lái)。一個(gè)硬件工程師到底需要做什么，讀完這篇文章，相信你就懂了。

其實(shí)搞硬件主要體現(xiàn)在這幾方面，當(dāng)然這是俺的總結(jié)，供大家參考：

1）總體思路。設(shè)計(jì)硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點(diǎn)還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實(shí)現(xiàn);但也有些要自己設(shè)計(jì)框架的，那就要搞清楚要實(shí)現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實(shí)現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板。

2）理解電路。如果你找到了的參考設(shè)計(jì)，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時(shí)間了（包括前期設(shè)計(jì)和后期調(diào)試）。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說(shuō)，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避免設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。

3）沒(méi)有找到參考設(shè)計(jì)？沒(méi)關(guān)系。先確定大IC芯片，找datasheet，看其關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關(guān)鍵參數(shù)，以及能否看懂這些關(guān)鍵參數(shù)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)，這也需要長(zhǎng)期地慢慢地積累。這期間，要善于提問(wèn)，因?yàn)樽约翰欢臇|西，別人往往一句話就能點(diǎn)醒你，尤其是硬件設(shè)計(jì)。

4）硬件電路設(shè)計(jì)主要是三個(gè)部分，原理圖、pcb 、物料清單（BOM）表。原理圖設(shè)計(jì)就是將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖。

pcb涉及到實(shí)際的電路板，它根據(jù)原理圖轉(zhuǎn)化而來(lái)的網(wǎng)表（網(wǎng)表是溝通原理圖和pcb之間的橋梁），而將具體的元器件的封裝放置在電路板上，然后根據(jù)飛線連接其電信號(hào)。完成了pcb布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)該有所歸納，所以我們將用到BOM表。

5）用什么工具？Protel，也就是altium容易上手，在國(guó)內(nèi)也比較流行，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門(mén)的設(shè)計(jì)者使用。

補(bǔ)充一下，其實(shí)無(wú)論用簡(jiǎn)單的protel或者復(fù)雜的cadence工具，硬件設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)是一樣的（protel上的操作類(lèi)似windwos，是post-command型的;而cadence的產(chǎn)品concept & allegro 是pre-command型的，用慣了protel，突然轉(zhuǎn)向cadence的工具，會(huì)不習(xí)慣就是這個(gè)原因）。

設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)都要有：

1）原理圖設(shè)計(jì)。

2）pcb設(shè)計(jì)。

3）制作BOM表。

現(xiàn)在簡(jiǎn)要談一下設(shè)計(jì)流程（步驟）：

1）原理圖庫(kù)建立。要將一個(gè)新元件擺放在原理圖上，我們必須得建立改元件的庫(kù)。應(yīng)搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等區(qū)別。

2）有了充足的庫(kù)之后，就可以在原理圖上畫(huà)圖了，按照datasheet和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)wire把相關(guān)元件連接起來(lái)。

3）做完這一步，我們就可以生成netlist了，這個(gè)netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。

4）得到netlist，馬上畫(huà)pcb？別急，先做ERC先。ERC是電氣規(guī)則檢查的縮寫(xiě)。它能對(duì)一些原理圖基本的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行排查，如多個(gè)output接在一起等問(wèn)題。

5）從netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和數(shù)不清的飛線是不是讓你嚇了一跳？呵呵，別急還得慢慢來(lái)。

6）確定板框大小。在keepout區(qū)（或mechanic區(qū)）畫(huà)個(gè)板框，這將限制了你布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求好考慮板長(zhǎng)，板寬（有時(shí)，還得考慮板厚）。

確定完板框之后，就該元件布局（擺放）了，布局這步極為關(guān)鍵。它往往決定了后期布線的難易。哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面，都要有所考量。

但是這些都是一個(gè)仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智的問(wèn)題;從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實(shí)自己畫(huà)了原理圖，明白所有元件功能，自然對(duì)元件擺放有清楚的認(rèn)識(shí)（如果讓一個(gè)不是畫(huà)原理圖的人來(lái)擺放元件，其結(jié)果往往會(huì)讓你大吃一驚^_^）。對(duì)于初入門(mén)的，注意模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機(jī)械位置的擺放，同時(shí)注意電源的拓?fù)渚涂梢粤恕?/p>

接下來(lái)就是布線。這與布局往往是互動(dòng)的。有經(jīng)驗(yàn)的人往往在開(kāi)始就能看出哪些地方能布線成功。用DRC檢查檢查先，這是一定要檢查的。DRC對(duì)于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會(huì)有所標(biāo)注，按照這個(gè)再一一的排查，修正。

結(jié)下來(lái)，要裝配pcb，準(zhǔn)備bom表吧，一般能直接從原理圖中導(dǎo)出。但是需要注意的是，原理圖中哪些部分元件該上，哪些部分元件不該上，要做到心理有數(shù)。對(duì)于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便。

而對(duì)于新手而言，第一個(gè)版本，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料全部焊上，這樣不便于排查問(wèn)題。最好的方法就是，根據(jù)bom表自己準(zhǔn)備好元件。等到板來(lái)了之后，一步步上元件、調(diào)試。

談?wù)務(wù){(diào)試

1）拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能，硬件調(diào)試不可能一步調(diào)試完成的。先拿萬(wàn)用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路（盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)幫你做過(guò)測(cè)試，這一步還是要自己親自看看，有時(shí)候看起來(lái)某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)約你后面不少時(shí)間?。?，其實(shí)短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個(gè)環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題，IO短路一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果，但是電源短路就。

2）電源網(wǎng)絡(luò)沒(méi)短路？那么好，那就看看電源輸出是否是自己理想的值，對(duì)于初學(xué)者，調(diào)試的時(shí)候最好IC一件件芯片上，第一個(gè)要上的就是電源芯片。

3）電源網(wǎng)絡(luò)短路了？這個(gè)比較麻煩，不過(guò)要仔細(xì)看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時(shí)結(jié)合割線的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的問(wèn)題（一般比較爛的pcb廠就可能出現(xiàn)這種情況），還是裝配的問(wèn)題，還是自己設(shè)計(jì)的問(wèn)題。關(guān)于檢查短路還有一些技巧，這在今后登出。

4）電源芯片沒(méi)有輸出？檢查檢查你的電源芯片輸入是否正常吧，還需要檢查的地方有使能信號(hào)，分壓電阻，反饋網(wǎng)絡(luò)。

5） 電源芯片輸出值不在預(yù)料范圍？如果超過(guò)很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個(gè)分壓電阻一般要用1%的精度，這個(gè)你做到了沒(méi)有，同時(shí)看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧，這也會(huì)影響你的輸出電源的范圍。

6）電源輸出正常了，別高興，如果有條件的話，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。也就是抓取開(kāi)電的瞬間，看看電源從無(wú)到有的情況（至于為什么要看著個(gè)，嘿嘿。。.專(zhuān)業(yè)人士還是要看的～）

另外，提醒大家的是，高速看的是信號(hào)沿，不是時(shí)鐘頻率。

1） 一般而言，時(shí)鐘頻率高的，其信號(hào)上升沿快，因此一般我們把它們當(dāng)成高速信號(hào);但反過(guò)來(lái)不一定成立，時(shí)鐘頻率低的，如果信號(hào)上升沿依然快的，一樣要把它當(dāng)成高速信號(hào)來(lái)處理。

根據(jù)信號(hào)理論，信號(hào)上升沿包含了高頻信息（用傅立葉變換，可以找出定量表達(dá)式），因此，一旦信號(hào)上升沿很陡，我們應(yīng)該按高速信號(hào)來(lái)處理，設(shè)計(jì)不好，很可能出現(xiàn)上升沿過(guò)于緩慢，有過(guò)沖，下沖，振鈴的現(xiàn)象。比如，I2C信號(hào)，在超快速模式下，時(shí)鐘頻率為1MHz，但是其規(guī)范要求上升時(shí)間或下降時(shí)間不超過(guò)120ns！確實(shí)有很多板I2C就過(guò)不了關(guān)！

2）因此，我們更應(yīng)該關(guān)注的是信號(hào)帶寬。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，帶寬與上升時(shí)間（10%~90%）的關(guān)系

以上是俺的一些經(jīng)驗(yàn)分享，希望對(duì)大家有些幫助。