电路硬件设计基础

1.1电路硬件设计基础1.1.1电路设计硬件电路设计原理嵌入式系统的硬件设计主要分3个步骤：设计电路原理图、生成网络表、设计印制电路板，如下图所示。原理图(SCH)网络表(NET)印制板(PCB)图1-1硬件设计的3个步骤进行硬件设计开发，首先要进行原理图设计，需要将一个个元器件按一定的逻辑关系连接起来。设计一个原理图的元件来源是“原理图库”，除了元件库外还可以由用户自己增加建立新的元件，用户可以用这些元件来实现所要设计产品的逻辑功能。例如利用Protel中的画线、总线等工具，将电路中具有电气意义的导线、符号和标识根据设计要求连接起来，构成一个完整的原理图。原理图设计完成后要进行网络表输出。网络表是电路原理设计和印制电路板设计中的一个桥梁，它是设计工具软件自动布线的灵魂，可以从原理图中生成，也可以从印制电路板图中提取。常见的原理图输入工具都具有Verilog/VHDL网络表生成功能，这些网络表包含所有的元件及元件之间的网络连接关系。原理图设计完成后就可进行印制电路板设计。进行印制电路板设计时，可以利用Protel提供的包括自动布线、各种设计规则的确定、叠层的设计、布线方式的设计、信号完整性设计等强大的布线功能，完成复杂的印制电路板设计，达到系统的准确性、功能性、可靠性设计。电路设计方法(有效步骤)电路原理图设计不仅是整个电路设计的第一步，也是电路设计的基础。由于以后的设计工作都是以此为基础，因此电路原理图的好坏直接影响到以后的设计工作。电路原理图的具体设计步骤，如图所示。第二章嵌入式处理器与SoC设计技术2建立库中没有的库元件设置图纸属性放置元器件原理图布线检查与校对电路与分析生成网络图原理图保存与输出有错修改图1-2原理图设计流程图（1）建立元件库中没有的库元件元件库中保存的元件只有常用元件。设计者在设计时首先碰到的问题往往就是库中没有原理图中的部分元件。这时设计者只有利用设计软件提供的元件编辑功能建立新的库元件，然后才能进行原理图设计。当采用片上系统的设计方法时，系统电路是针对封装的引脚关系图，与传统的设计方法中采用逻辑关系的库元件不同。（2）设置图纸属性设计者根据实际电路的复杂程度设置图纸大小和类型。图纸属性的设置过程实际上是建立设计平台的过程。设计者只有设置好这个工作平台，才能够在上面设计符合要求的电路图。（3）放置元件在这个阶段，设计者根据原理图的需要，将元件从元件库中取出放置到图纸上，并根据原理图的需要进行调整，修改位置，对元件的编号、封装进行设置等，为下一步的工作打下基础。（4）原理图布线在这个阶段，设计者根据原理图的需要，利用设计软件提供的各种工具和指令进行布线，将工作平面上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。（5）检查与校对在该阶段，设计者利用设计软件提供的各种检测功能对所绘制的原理图进行检查与校对，以保证原理图符合电气规则，同时还应力求做到布局美观。这个过程包括校对元件、导线位置调整以及更改元件的属性等。（6）电路分析与仿真这一步，设计者利用原理图仿真软件或设计软件提供的强大的电路仿真功能，对原理图的性能指标进行仿真，使设计者在原理图中就能对自己设计的电路性能指标进行观察、测试，从而避免前期问题后移，造成不必要的返工。第二章嵌入式处理器与SoC设计技术3（7）生成网络表这一步，设计者利用设计软件提供的网络表生成工具，建立起该原理图的网络表。其实每个电路就是一个网络表，它是由节点、元件和连线组成的。电路原理图的网络表是电路板自动布线的灵魂，也是原理图设计软件与印刷电路设计软件之间的接口。（8）保存与输出这一步是设计者对设计好的原理图进行存盘，输出打印，以供存档。这个过程实际是一个对设计的图形文件输出的管理过程，是一个设置打印参数的过程。1.1.2PCB电路设计PCB设计原理原理图设计完成后就可以进行印制电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)设计了。PCB是电子产品的基石。任何电子产品都是由形形色色的电子元件组成，而这些电子元件的载体和相互连接所依靠的正是印制电路板。不断发展的．PCB技术使电子产品设计和装配走向标准化、规模化、自动化，并使得电子产品体积减小，成本降低，可靠性和稳定性提高，装配、维修简单。可以这样说，没有PCB，就没有现代电子信息产业的高速发展，就没有今天的电子信息技术。PCB是由印制电路加上基板构成的。对于PCB的材料，以及PCB的制作工艺，不是本书关心的部分，读者可以通过工艺方面的参考书获得。下面了解一下PCB相关的概念。印制：采用某种方法，在一个表面上再现图形和符号的工艺，它包括通常意义的印刷。印制线路：采用印制法在基板上制成的导电图形，包括印制导线、焊盘等。印制元件：采用印制法在基板上制成的电路元件符号。印制电路：采用印制法得到的电路。印制电路板：完成了印制电路和印制线路加工的板子。印制电路板组件：安装了元器件或其他部件的印制电路板。对于PCB的分类，有很多种方法。按照PCB的层数来分，一般分为单面板、双面板和多层板；按照机械性能区分，一般分为刚性板、柔性板；按基材材料区分，可分为纸基板、玻璃布基板、复合材料基板和特种材料基板等。一般电子电器、通信雷达和大型通信产品的PCB多是刚性、多层玻璃基材板。一些手机终端或小型电子设备采用柔性板。PCB设计方法(有效步骤)PCB的设计是电子产品物理结构设计的一部分，它的主要任务是根据电路的原理和所需元件的封装形式进行物理结构的布局和布线。具体步骤如下图所示。第二章嵌入式处理器与SoC设计技术4建立封装载入网络表布置元件封装布线存档输出设计规则检查是否正确PCB板仿真是否正确图1-3PCB设计流程图（1）建立封装库中没有的封装封装库里保存的只有一些常用元件的封装，设计者在设计PCB时，通常首先遇到的问题就是在封装库中找不到合适的封装，这时只能先利用设计工具(如Protel99SE)提供的元件封装编辑器新建该元器件的封装。总之，在设计相应的PCB图之前，先要保证所用的元件的封装在封装库中是齐全的。（2）规划电路板在封装库准备好以后，设计PCB的第一步是规划电路板。规划包括以下内容：设置习惯性的环境参数和文档参数，如选择层面、外形标尺大小等。（3）载入网络表和元件封装在规划好电路板以后，就要以载入前面所准备的网络表，将元件封装自动放入电路规划的外形范围内。但这些元件封装是叠放在一起的，设计者必须将它们分开，并放置在适当的位置。（4）布置元件封装元件封装的布置可采用自动布置和手工布置结合的方法，将元件封装放置在适当的位置。这里的“适当”包含两个意思：一是使元件放置在让人满意的位置，将元件布置得整齐美观；二是使元件放置在有利于布线的位置。（5）布线在元件布置完成后，可设置设计规划，开始自动或手工布线了。在采用自动布线时，如果布线没有完全成功，或者有不满意和出现违规错误的地方，就要进行手工调整。（6）设计规则检查设计的PCB板图是由许多图件构成的，如元件、铜箔线、过孔等，在旋转多个图件时，需要顾及到它周围的图件，例如元件不能重叠，网络不可短路，电源网络与其他信号线的间距应足够大等。这些要求称为PCB设计规划。大多数设计软件都提供一种功能，可以对设计完的PCB自动地进行设计规划检查，并给出详细的违规报告。设计者可根据违规报告进行修改。（7）PCB仿真分析PCB仿真分析可使用所用软件自带功能，也可使用其他专用仿真软件。它能保证在物第二章嵌入式处理器与SoC设计技术5理制作之前，对PCB的信号处理进行仿真分析，以便进一步完善、修改。它同设计规划检查的内容是不同的。它主要分析布局布线对各参数的影响。（8）存档输出将设计好的印制板图保存为PCB图或其他类型的文档，以便今后使用、加工。如需要，可利用各种图形输出设备输出，如打印机、绘图仪等。多层PCB设计的注意事项(布线的原则)在多层PCB布线时应注意以下事项：高频信号线一定要短，不可以有尖角(90直角)，两根线之间的距离不宜平行、过近，否则可能会产生寄生电容。如果是两面板，一面的线布成横线，一面的线布成竖线。尽量不要布成斜线。如果使用自动布线无法完成所有布线，建议设计者首先手工将比较复杂的线布好，将布好的线锁定后，再使用自动布线功能，一般就可以完成全部布线。一般来说，线宽一般为0.3mm，间隔也为0.3mm，这个长度约为8～10mil。但是电源线、或者大电流线应该有足够宽度，一般需要60～80mil。焊盘一般应为64mil。如果是单面板，必须考虑焊盘，否则一般来说生产单面板的工艺都很差，所以单面板的焊盘尽量做得大一些，线要尽量粗一些。做好屏蔽。铜膜线的地线应该在电路板的周边，同时将电路上可以利用的空间全部使用铜箔做地线，增强屏蔽能力，并且防止寄生电容。多层板因为内层做为电源层和地线层，一般不会有屏蔽的问题。大面积敷铜应改用网格状，以防止焊接时板子产生气泡和因为热应力作用而弯曲。焊盘的内孔尺寸如下表所示，必须从元件引线直径、公差尺寸、镀层厚度、孔径公差及孔金属化电镀层厚度等方面考虑，通常情况下以金属引脚直径加上0.2mm作为焊盘的内孔直径。例如，电阻的金属引脚直径为0.5mm，则焊盘孔直径为0.7mm，而焊盘外径应该为焊盘孔径加1.2mm，最小应该为焊盘孔径加1.0mm。当焊盘直径为1.5mm时，为了增加焊盘的抗剥离强度，可采用方形焊盘。对于孔直径小于0.4mm的焊盘，焊盘外径/焊盘孔直径为0.5～3mm。对于孔直径2mm的焊盘，焊盘外径/焊盘孔直径为1.5～2mm。焊盘一般应该补成泪滴状，这样线与焊盘的连接强度会大大增强。表1-1常用的焊盘尺寸焊盘孔直径/mm焊盘外径/mm焊盘孔直径/mm焊盘外径/mm0.41.51.02.50.51.51.23.00.62.01.63.50.82.02.04地线的共阻抗干扰。电路图上的地线表示电路中的零电位，并用作电路中其他各点的公共参考点，在实际电路中由于地线(铜膜线)阻抗的存在，必然会带来共阻抗干扰，因此在布线时，不能将具有地线符号的点随便连接在一起，这可能引起有害的耦合而影响电路的正常工作。第二章嵌入式处理器与SoC设计技术6PCB设计中的可靠性知识目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以PCB为主要装配方式。实践证明，即使电路原理图设计正确，PCB设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果PCB两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计PCB的时候，应注意采用正确的方法。（1）地线设计在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：1.正确选择单点接地与多点接地在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和元件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。2.将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。3.尽量加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于PCB的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。4.将接地线构成闭环路设计只由数字电路组成的PCB的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显提高抗噪声能力。其原因在于：PCB上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在接地结构上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。（2）电磁兼容性设计电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协