智能硬件知识体系

先解释一下(2)中的术语。post-command，例如咱们要拷贝一个object(元件)，咱们要先选中这个object，而后按ctrl+C，而后按ctrl+V(copy命令发生在选中object以后)。这种操做windows和protel都采用的这种方式。

 

可是concept就是另一种方式，咱们叫作pre-command。一样咱们要拷贝一个东西，先按ctrl+C，而后再选中object，再在外面单击(copy命令发生在选中object以前)。

 

1)肯定完板框以后，就该元件布局(摆放)了，布局这步极为关键。它每每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。

 

可是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不一样角度考虑摆放位置均可以不同。其实本身画了原理图，明白全部元件功能，天然对元件摆放有清楚的认识(若是让一个不是画原理图的人来摆放元件，其结果每每会让你大吃一惊^_^)。

 

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能够了。

 

2)接下来就是布线。这与布局每每是互动的。有经验的人每每在开始就能看出哪些地方能布线成功。若是有些地方难以布线还须要改动布局。

 

对于fpga设计来讲每每还要改动原理图来使布线更加顺畅。布线和布局问题涉及的因素不少，对于高速数字部分，由于牵扯到信号完整性问题而变得复杂，但每每这些问题又是难以定量或即便定量也难以计算的。因此，在信号频率不是很高的状况下，应以布通为第一原则。

 

3)OK了?别急，用DRC检查检查先。这是必定要检查的。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。

 

4)有些PCB还要加上敷铜(可能会致使成本增长)，将出线部分作成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的PCB文件转成gerber文件就可交付PCB生产了。(有些直接给PCB也成，工厂会帮你转gerber)。

 

5)要装配PCB，准备bom表吧，通常能直接从原理图中导出。可是须要注意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不应上，要作到心理有数。

 

对于小批量或研究板而言，用excel本身管理倒也方便(大公司每每要专业软件来管理)。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的料所有焊上，这样不便于排查问题。最好的方法就是，根据bom表本身准备好元件。等到板来了以后，一步步上元件、调试。

 

谈谈调试

 

1)拿到板第一步作什么，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作过测试，这一步仍是要本身亲自看看，有时候看起来某些步骤挺繁琐，可是能够节约你后面很多时间!)

 

其实短路与否不光pcb有关，在生产制做的任何一个环节可能致使这个问题，IO短路通常不会形成灾难性的后果，可是电源短路就......

 

2)电源网络没短路?那么好，那就看看电源输出是不是本身理想的值，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，不过要仔细看看本身原理图是否有可能这样的状况，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(通常比较烂的PCB厂就可能出现这种状况)，仍是装配的问题，仍是本身设计的问题。

 

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，还须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?若是超过很离谱，好比到了10%，那么看看分压电阻先，这两个分压电阻通常要用1%的精度，这个你作到了没有，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，若是有条件的话，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状况(至于为何要看着个，嘿嘿......专业人士仍是要看的～)

 

谈谈电源

 

无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定，其余啥都别谈。我想不用balabala述说它究竟有多么重要了智能硬件嵌入式企鹅要妖气呜呜吧久零就要。

 

在电源设计咱们用得最多的场合是，从一个稳定的“高”电压获得一个稳定的“低”电压。

 

这也就是常常说的DC-DC(直流-直流)，而直流-直流中用得最多的电源稳压芯片有两种，一种叫LDO(低压差线性稳压器，咱们后面说的线性稳压电源，也是指它)，另外一种叫PWM(脉宽调制开关电源，咱们在本文也称它开关电源)。

 

咱们经常听到PWM的效率高，可是LDO的响应快，这是为何呢?别着急，先让咱们看看它们的原理。

 

下面会涉及一些理论知识，可是依然很是浅显易懂，若是你不懂，嘿嘿，得检查一下本身的基础了。

 

线性稳压电源的工做原理

 

如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。

 

咱们的目的是从高电压Vs获得低电压Vo。在图中，Vo通过两个分压电阻分压获得V+，V+被送入放大器(咱们把这个放大器叫作偏差放大器)的正端，而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平(这个参考电平是恒定的)。

 

放大器的输出Va链接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时，MOSFET的阻抗变大;Va变小时，MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。

 

如今咱们来看Vo是怎么稳定的，假设Vo变小，那么V+将变小，放大器的输出Va也将变小，这将致使MOSFET的阻抗变小，这样通过一样的电流，MOSFET的压差将变小，因而将Vo上抬来抑制Vo的变小。

 

同理，Vo变大，V+变大，Va变大，MOSFET的阻抗变大，通过一样的电流，MOSFET的压差变大，因而抑制Vo变大。

 

开关电源的工做原理

 

如上图，为了从高电压Vs获得Vo，开关电源采用了用必定占空比的方波Vg1，Vg2推进上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低;上MOS管打开时，下MOS管关闭;下MOS管打开时，上MOS管关闭。

 

由此在L左端造成了必定占空比的方波电压，电感L和电容C咱们能够看做是低通滤波器，所以方波电压通过滤波后就获得了滤波后的稳定电压Vo。

 

Vo通过R一、R2分压后送入第一个放大器(偏差放大器)的负端V+，偏差放大器的输出Va 作为第二个放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有必定占空比的方波，通过门逻辑电路处理获得两个反相的方波Vg一、Vg2来控制MOSFET的开关。

 

偏差放大器的正端Vref是一恒定的电压，而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号，一旦Va比三角波大时，Vpwm为高;Va比三角波小时，Vpwm为低，所以Va与三角波的关系，决定了方波信号 Vpwm的占空比;Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。

 

通过处理，Vg1与Vpwm同相，Vg2与 Vpwm反相;最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。以下图。

 

当Vo上升时，V+将上升，Va降低，Vpwm占空比降低，通过们逻辑以后，Vg1的占空比降低，Vg2的占空比上升，Vp占空比降低，这又致使Vo下降，因而Vo的上升将被抑制。反之亦然。

 

线性稳压电源和开关电源的比较

懂得了线性稳压电源和开关电源的工做原理以后，咱们就能够明白为何线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态响应，可是效率差;而开关电源噪声较大，瞬态响应较慢，但效率高了。

 

线性稳压电源内部结构简单，反馈环路短，所以噪声小，并且瞬态响应快(当输出电压变化时，补偿快)。可是由于输入和输出的压差所有落在了MOSFET上，因此它的效率低。所以，线性稳压通常用在小电流，对电压精度要求高的应用上。

 

而开关电源，内部结构复杂，影响输出电压噪声性能的因数不少，且其反馈环路长，所以其噪声性能低于线性稳压电源，且瞬态响应慢。

 

可是根据开关电源的结构，MOSFET处于彻底开和彻底关两种状态，除了驱动MOSFET，和MOSFET本身内阻消耗的能量以外，其余能量被所有用在了输出(理论上L、C 是不耗能量的，尽管实际并不是如此，但这些消耗的能量很小)。

 

这一部分澄清高速信号认识的一些误区。

 

高速看的是信号沿，不是时钟频率

 

通常而言，时钟频率高的，其信号上升沿快，所以通常咱们把它们当成高速信号;但反过来不必定成立，时钟频率低的，若是信号上升沿依然快的，同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，能够找出定量表达式)，所以，一旦信号上升沿很陡，咱们应该按高速信号来处理，设计很差，极可能出现上升沿过于缓慢，有过冲，下冲，振铃的现象。

 

好比，I2C信号，在超快速模式下，时钟频率为1MHz，可是其规范要求上升时间或降低时间不超过120ns!确实有不少板I2C就过不了关!

 

所以，咱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%)的关系为 Fw * Tr = 3.5

示波器选择

不少人注意到了示波器的采样率，没有注意到示波器的带宽。但每每示波器带宽是一个更重要的参数。一些人觉得只要示波器采样率知足超过信号时钟频率的两倍就好了，这是大错特错。

 

错误的缘由是错误的理解了采样定理。采样定理1说明了当采样频率大于信号最大带宽的两倍，就能完美地恢复原信号。

 

可是，采样定理指的信号是带限信号(带宽是有限的)，与现实中的信号严重不符。咱们通常的数字信号，除了时钟以外，都不是周期的，从长时间来看，其频谱是无限宽的;要能捕获到高速信号，就不能对其高频份量太多的失真。

 

示波器带宽指标与此息息相关。所以，真正要注意的依然是用示波器捕获的信号的上升沿失真在咱们可接受的范围。

 

那么选多高带宽的示波器才合适呢?理论上5倍于信号带宽的示波器捕获的信号比原信号损失不到3%。若是要求损失更宽松，那就能够选择更低端的示波器。用到3倍于信号带宽的示波器应该能知足大多数要求。可是不要忘了你探头的带宽!