如何学习硬件设计,口诀要点小本本记下来

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。


初级实践篇

1、焊接。
首先看一下焊接视频。我当年也是看了他的视频才学会焊接的。
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。
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、电流和电阻。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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RS232、RS485、SPI、IIC、CAN、LIN、zmodem、USB、PCIE、TCP/IP等。

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。
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,

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。

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、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。

5、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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