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硬件工程师养成之硬件设计的实践路线

2018-02-19 10:02    技术小白
关键词: 硬件 , 工程师 , 硬件设计
实际操作这个的东西,很难用文字来表达。那只能把最关键的口诀写下来,让大家在实践中体会了。

那么,一般缺乏经验的工程师或者学生,拿着一个项目任务书,或者一个成品的电路板的时候,往往会感觉到,根本无从下手。主要原因是,知识储备不足,少实践少动手。

但也不用着急,这是需要慢慢积累的。同样,不用担心东西太多,不知道学到什么时候才能独当一面,因为很多东西都是相通的。

下面介绍硬件设计的实践路线。

一、初级实践篇。

1、焊接。
首先看一下杜洋前辈的焊接视频。我当年也是看了他的视频才学会焊接的。

关键的地方视频中也会提到,这里大概地说一下(洞洞板的焊接就不说了)。

拖焊的时候,先对齐芯片,再上锡固定一个角,然后在另一侧加满锡,最后整个芯片都加满锡。把板子拿起来,倾斜30度左右,再用烙铁加热,把变成液体的锡吸起来,甩掉,直到把所有锡都吸走为止。烙铁的温度要调好,我一般用350摄氏度。重点要体会,锡变成液体的时候,会像水一样受重力作用向下流,还有,烙铁头表面是有吸力的,所以在整个焊接过程中,都不要用力刮锡的。如果焊的时候,操作起来不顺手,可以转动板子。

关于BGA的焊接,一般是不建议手工操作的,因为成功率不高,推荐用返修台。这里说一下BGA手工植球的操作流程。

先用万能植锡钢网(这是最落后的工具,除此之外还有植锡台,不过挺贵的),跟BGA对齐,再用胶布把BGA和钢网粘住固定好。先加锡膏,再用风枪吹一会(风枪的风速和温度可以调低一点),锡变亮的时候,再用手术刀,把多余的锡刮走。如果锡球不均匀的话,再重复上一步,直接锡球均匀为止。撕掉胶布,用手术刀把BGA撬起来。

2、仪器仪表的使用。

a、万用表。为什么起这个名字?因为对于高手来说,万用表是几乎是万能的。一般也是用它来测电压电流电阻

b、示波器。现在都用数字示波器,一个auto键,可以轻松搞定,而且还带FFT的功能,可以使用频域分析法,是硬件工程师必须掌握的神兵利器。示波器还有个小众的功能,就是李沙育图(测相位差和测频率用的)。此外,还要学会用示波器测开关电源纹波。

c、数字电桥,也叫LCR、LCZ测试仪。用它可以测电感值、电容值、电阻值、Q值、D值等,精度比一般的万用表要高。

d、信号发生器,也叫函数信号发生器。可以输出正弦波、方波、三角波、已调信号。用法比较简单,但是射频信号发生器,就要注意了,在输出信号之前,一定要做好阻抗匹配,不然信号反射的话,有可能会损坏信号发生器。

f、频率计。用法比较简单,不再多说了,有的信号发生器还增加了频率计的功能。

g、矢量网络分析仪,也叫网分仪。用于测量射频电路的S参数矩阵,还可以显示史密斯圆图。每次使用之前都要校正一下频率点。

h、频谱仪。也就看一下频谱,也有示波器的功能。

还有一些小众仪器就不说了,像漏电流测试仪、电表等。

3、维修。
首先肉眼观察一下板子,看有没有虚焊、短路或者缺少元件。有就修,没有就下一步。

然后用万用表测一下各组电源,看有没有短路。有就修,没有就下一步。

给板子上电,看各组电源电压是否正常。有就修,没有就下一步。

到了这一步,你必须对板子的整体设计有一定的认识,或者你得背下前辈们的经验(背经验的往往觉得硬件很神秘,这是我不推荐的做法),不然没法修好。先对板子的各个功能分好模块,从现象判断哪个模块出问题,断开可疑的模块,来排除可疑点(像侦探一样)。有一块好板的话,就很好办,直接对照着测各元件的电压(或者对地的电阻值)就能解决了。用万用表只能解决一些简单的问题,要想彻底修好,手上一定要有示波器,因为像晶振受到干扰之类的,用万用表是测不出来的。

4、调试。
调试,一般是自主设计的电路,没经过验证,需要自己去验证,这是非常需要扎实的理论基础。调试也是硬件工程师最容易累积经验、含金量最高的技能之一。如果前期遇到棘手的问题,可以暂时先放下,等后来水平再高一层,就会解决的了,所以千万不要钻牛角尖,这只会浪费更多的时间。调试的技巧需要长时间的积累,放在前面,是让大家有所重视。

调试方法,多种多样,视情况而定,不能一概而论,笔者总结了以下几个方法:

a、示波器测量。当然,首先你得清楚你设计出来的电路,会出什么样的波形,才知道测出来对不对,也就是说,理论不行的,根本无法调试。

b、对照验证过的电路。如果手上有一块好板,而需要调试的电路里面刚好有好板的电路,可以拿好板来飞几根线验证一下,排除可疑点,这里跟维修的方法一样。

c、仿真。其实在设计电路的时候,能仿真就先仿真了,如果实物做出来,还是有问题,也可以仿真一下。如运放电路的参数、不确定的电阻串并联等等。

d、镊子短路。在你怀疑时钟是不是干扰到其它信号的时候,可以用镊子把时钟引脚跟地短路(只要是弱信号,跟地短接一会都不会烧板子的,放心),以排除可疑点。还有复位的问题,也可以用这个方法。

e、信号发生。比如一个运放电路,输入和输出均受干扰了,那么你就可以用信号发生器或者开发板,来输出一路干净的信号,这样可以排除可疑点。

f、软件调试。如果板子上,有CPU就可以用串口调试,有FPGA就可以用嵌入式逻辑分析仪,这样可以确定是芯片内部还是外部的问题。

g、观察现象。信号都在板子上跑了,直接观察是观察不出来的,这个时候,可以引出信号线,接在可观察的设备上。如:调试音频放大器的时候,就可以接一路信号,到一个现成完好的功放上面,通过听声音来观察现象。当然,你可不要只想到功放,还有其它可观察的设备或者元件,像LED灯、显示器,甚至是收音机,只要能派得上用场的都可以。

二、中级实践篇。

1、仿真软件的使用。
常用的仿真软件也就那几个,proteus、multisim、labview、pspice、ADS、saber等,其中大多数是用spice仿真模型。

a、proteus。这个软件很适合仿真单片机,元件库也挺多的,但是有个致命的缺点,就是太智能了。单片机不接电源、不接晶振也能正常工作,这跟实际有很大出入,所以笔者建议学单片机,还是用开发板吧。

b、multisim。这个软件很适合仿真模拟电路,其实它本质是spice仿真,只是界面做得简单很多,适合初学者使用。虽然有8051的库,但是,不适合仿真单片机,仿真起来很慢。元件库其实并不多,像0805的三极管,它都没有,这时候只能用其它的三极管(2N2222等)代替一下,要不,就自己做这个元件库。multisim还可以跟ultiboard配合使用,实际板级仿真(连同PCB,一起仿真)。

c、labview。这个软件功能非常强大,可以仿真模拟、数字电路、也可以做上位机(如:虚拟仪器等)。最具特色的,就是图形化输入,鼠标施几个东西就 可以仿真了。

d、pspice。这个软件是cadence或者叫SPB开发套件中的一个软件,一般是在capture中调出来的。使用capture就可以不用输入spice的点命令,非常方便。其中,pspice的图表要比multisim的要好看一些,比如,测几个节点的电压,在pspice一张图就看得很清晰了。

e、ADS。这个ADS是指Agilent的Advanced.Design.System,而不是指ARM编译器ADS1.2。ADS可是电路仿真的神器啊,功能非常强大,一般是仿真高频、射频、微波电路用的,当然,集总参数电路也照样可以仿真,但是不太适合初学者。

f、saber。这个软件是专门仿真电源电路用的,笔者暂时没用过,不做评价。

2、电路设计软件的使用。

主流的电路设计软件有三个:altium designer、PADSCadence,当然还有些小众的,像eagle。这里只介绍主流的三款软件。

altium designer(简称AD),以前的版本是protel 99se,protel DXP,用法都大同小异,很适合初学者使用,3D渲染效果最好,同时也是学校里教得最多的软件。但是,很多公司反而不用这软件,因为用它画多层板的话,电脑会很卡,而且公司里面用的人多的话,可能会收到altium的律师函。可以用它来做FPGA开发,并进行板级仿真。适用于小规模的PCB。

PADS,以前的版本是power PCB,分成三个组件:logic(原理图)、layout(布局和设置规则)、route(布线),最具特色的功能是:使用极坐标放置元件和自动布线(这个自动布线可没有AD那么烂)。适用于中小规模的PCB,但是logic相当不好用,所以有些人用orcad+PADS来弥补这个缺点。适用于中小规模的PCB。

Cadence(也叫SPB)是个系统级的套件,除了画原理图、PCB之外,还可以画版图、仿真电路、仿真SI/PI等。Cadence公司收购了orcad,目前画原理图的是用capture(也叫orcad),画PCB是用allegro,仿真电路的是pspice(从capture里面调出来的),仿真SI/PI的是Sigrity(需要另外安装)。用capture画原理图是非常爽的,比如,画个芯片的原理图库,你可以用excel写好(引脚号和部分引脚名,像D0~D7,鼠标拖一下就出来了),然后copy到capture里面,再做少量的调整就可以了。但是用allegro画封装就比较烦琐,需要事先画好焊盘,才可以画封装。适用于中大规模的PCB。

3、其它软件的使用。

画板框用的autoCAD、画3D封装的solidworks或者pro-e、科学计算的MATLAB。

autoCAD的基本用法还是比较简单的,在有人教的情况下,半小时可以入门,对于硬件工程师来说就画一下板框,保存为DXF格式,再导入到PCB设计软件。同时,DXF也是硬件工程师与结构工程师交互的文件格式。

相对于pro-e来说,solidworks更加易学易用。用这两个软件都可以画元器件的3D封装,再把PCB导出为stp格式放到solidworks当中,这样,还没打板就可以看到整机的效果图了。学3D软件还有个好处,让你更清楚板子安装的情况,像定位孔、插座、接线等,这样设计出来的PCB不容易因为结构问题而无法安装,这是很多硬件工程师容易忽略的地方。

MATLAB,任何的计算,都可以用它。简单的计算,像电阻分压、滤波器的截止频率等,复杂一点,像定向耦合器的参数计算、复杂运放电路的建模等,用MATLAB都可以轻松解决。这里还推荐一个网页版的计算工具。

三、进阶中级实践篇。

1、基本电路单元的计算、仿真与验证。
诚然,不管一块电路板有多复杂,都可以按照功能来划分为若干个模块,而这些模块还可以再划分为众多的电路单元。所以,首先要掌握最基本的电路单元的设计。这些电路单元,都可以在数电、模电、电力电子技术、高频电子线路、单片机、电子测量技术当中学到,先搞懂教课书上经典电路的计算、仿真与验证。不要以为书上的公式简单,但是实际操作起来,又是另一回事。比如,书上的反相放大电路,是双电源的,用单电源就要加偏置,还得考虑带宽增益积、摆率等。这里主张先计算,再仿真,后实物的操作流程,同时,这也是一个需要长期累积的过程。

2、掌握单片机。
3、芯片的使用与互连。
在理论篇里面没有写到电子专业英语,在这里就要用到专业英语了,你可以看英语教材,也可以用翻译软件。这里必须提到的一点是:英语不好导致无法阅读datasheet的,都无法做电路设计。因为你总得会用到一块陌生的芯片,总会遇到没中文资料的情况。基本上能看懂datasheet的,都能把芯片用起来,其实也是抄datasheet上面的参考电路的,剩下的,就是芯片互连。

芯片互连,就是接口技术,也是单片机里面会讲到的。5V的ADC跟3.3V的单片机互连,这就要看电平、和信号的传输速率了。3.3V单片机跟12V开启电压的MOS管互连,加个三极管,做电平转换就可以了。两块3.3V单片机IO口推挽输出互连,串个100R电阻,防止代码操作不当而烧坏IO口。

此外,还要掌握常用的总线协议。比如RS233、RS485、SPI、IIC、CAN、LIN、zmodem、USB、PCIE、TCP/IP等。

四、高级实践篇。

在这里,相信你已经把一些基本电路,熟捻于心,也会分析一些简单的电路。但是,你总会遇到一些奇葩的现象。没错,你是时候要考虑SI、PI、EMC、EMI了。不要被这些貌似很高端的名词吓倒,分析起来,也是前面学到的电路原理,只是考虑问题的角度不同罢了。

1、SI,信号完整性。这部分的内容对PCB的布局、布线影响较大。
a、使用阻抗匹配减弱过冲、下冲、振铃的影响(某些射频电路也对阻抗有要求,如:天线等)。
b、差分线应该尽量靠近以减少差模干扰。
c、去耦电容要尽量靠近芯片的电源管脚。
d、继电器等大功率器件应该远离晶振等易被干扰的元件。
e、对重要的信号线,包地。
f、尽量远离时钟线(时钟也可能成为干扰源)。
g、信号线的返回路径应该尽量短。
信号完整性要注意的地方,还是挺多的,具体可以参考王剑宇的《高速电路设计实践》。

2、PI,电源完整性。要保证电源的完整,就是防止电源电压的波动,具体可以参考本博客的《去耦电容的作用》。

3、EMC/EMI,电磁兼容性和电磁干扰。这两个名词看起来有点高大上,其实就是不干扰别人和防止被别人干扰的问题。EMC/EMI的问题可以归结为SI的问题,但是EMC有一套验证的标准,所以还是起了不同的名字。

推荐《Cadence高速电路设计:Allegro Sigrity SI/PI/EMC设计指南》。

五、最后总结。
1、千万不要以为把某些口诀当秘笈地记下来,就以为练成了神功,这都是不现实的。前期的学习都必须以理论为核心,少量的实践以帮助理解理论,后面就可以逐渐增加实践,理论和实践是相辅相成,缺一不可的。

2、当硬件电路出了问题,工程师每一步的操作,都是以理论作为指导思想的。

3、千万不要害怕出错而不敢做板。硬件工程师都是不断地犯错、改正、总结,才慢慢地成熟起来,减少犯错的概率。不知道错的话,也意味着不能积累经验。

4、这里没有提及生产、测试方面的问题,如:线材、PCBA、BOM、拼板、测试夹具等。

5、因为大多数的电路功能都依靠于芯片来实现,画原理图几乎都是抄datasheet的,所以硬件工程师最具含金量的技能是PCB和调试能力。

6、因为硬件工程师也常常需要和软件工程师交流,所以,为了方便交流,你还得学习ARM、FPGA、DSP等相关知识,只是侧重点有所不同而已,不然会给工作上带来一定的麻烦。
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