一個硬件工程師到底需要做什么？

時光飛逝，離俺最初畫第一塊電路已有3年。剛剛開始接觸電路板的時候，與大家一樣，俺充滿了疑惑同時又帶著些興奮。

在網(wǎng)上許多關(guān)于硬件電路的經(jīng)驗、知識讓人目不暇接。像信號完整性、EMI、PS設(shè)計準(zhǔn)會把你搞暈。

別急，一切要慢慢來。一個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)計硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點還真不容易。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現(xiàn);但也有些要自己設(shè)計框架的，那就要搞清楚要實現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實現(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，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時間了（包括前期設(shè)計和后期調(diào)試）。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避免設(shè)計中的錯誤。

3）沒有找到參考設(shè)計？沒關(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)，這也需要長期地慢慢地積累。這期間，要善于提問，因為自己不懂的東西，別人往往一句話就能點醒你，尤其是硬件設(shè)計。

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

pcb涉及到實際的電路板，它根據(jù)原理圖轉(zhuǎn)化而來的網(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。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，適合初入門的設(shè)計者使用。

補充一下，其實無論用簡單的protel或者復(fù)雜的cadence工具，硬件設(shè)計大環(huán)節(jié)是一樣的（protel上的操作類似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，會不習(xí)慣就是這個原因）。設(shè)計大環(huán)節(jié)都要有：1）原理圖設(shè)計。2）pcb設(shè)計。3）制作BOM表。現(xiàn)在簡要談一下設(shè)計流程（步驟）：

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

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

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

4）得到netlist，馬上畫pcb？別急，先做ERC先。ERC是電氣規(guī)則檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設(shè)計錯誤進(jìn)行排查，如多個output接在一起等問題。

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。

6）確定板框大小。在keepout區(qū)（或mechanic區(qū)）畫個板框，這將限制了你布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求好考慮板長，板寬（有時，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。

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

接下來就是布線。這與布局往往是互動的。有經(jīng)驗的人往往在開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對于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會有所標(biāo)注，按照這個再一一的排查，修正。

結(jié)下來，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)。對于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便。

而對于新手而言，第一個版本，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)幫你做過測試，這一步還是要自己親自看看，有時候看起來某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)約你后面不少時間?。?，其實短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個問題，IO短路一般不會造成災(zāi)難性的后果，但是電源短路就。

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

3）電源網(wǎng)絡(luò)短路了？這個比較麻煩，不過要仔細(xì)看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時結(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），還是裝配的問題，還是自己設(shè)計的問題。關(guān)于檢查短路還有一些技巧，這在今后登出。

3）電源芯片沒有輸出？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，分壓電阻，反饋網(wǎng)絡(luò)。

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

5）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。也就是抓取開電的瞬間，看看電源從無到有的情況（至于為什么要看著個，嘿嘿。。.專業(yè)人士還是要看的～）

另外，提醒大家的是，高速看的是信號沿，不是時鐘頻率。

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

根據(jù)信號理論，信號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，一旦信號上升沿很陡，我們應(yīng)該按高速信號來處理，設(shè)計不好，很可能出現(xiàn)上升沿過于緩慢，有過沖，下沖，振鈴的現(xiàn)象。比如，I2C信號，在超快速模式下，時鐘頻率為1MHz，但是其規(guī)范要求上升時間或下降時間不超過120ns！確實有很多板I2C就過不了關(guān)！

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

以上是俺的一些經(jīng)驗分享，希望對大家有些幫助。