前言

????????本章主要介紹嵌入式硬件設(shè)計過程中所設(shè)計的基礎(chǔ)知識，包括嵌入式系統(tǒng)電源分類、電源管理和電子電路設(shè)計中的PCB設(shè)計、電子電路測試基礎(chǔ)知識。

3.1 嵌入式系統(tǒng)電源分類及電源管理

????????一般來說，嵌入式電源的輸入都為交流市電，輸出是常見直流12V、5V、3.3V，是一類二次設(shè)備。

????????交流電源是嵌入式系統(tǒng)較為重要的電能來源之一。嵌入式系統(tǒng)的電能由該類電源直接或間接提供。通常使用市電作為輸入，通過一系列變化、轉(zhuǎn)化將交流高壓電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟姟?/p>

????????穩(wěn)壓器是常見配合交流電源與電池使用的一種元器件，由于嵌入式系統(tǒng)往往需要多種電壓，因此在嵌入式系統(tǒng)中會使用穩(wěn)壓器將電壓降至所需范圍。

1、電源管理

絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都會包含基礎(chǔ)電源管理功能以降低功能

（1）系統(tǒng)上電，上電時通常以較高功率來運行

（2）空閑模式。CMOS電路有效得功耗是在電路時鐘工作得時候產(chǎn)生得，通過關(guān)閉不需要的時鐘來降低功耗

（3）斷電。

（4）電壓與頻率縮放。有效功率與切換頻率成線性比例，但是與電源電壓平方成正比。

3.2 電子電路設(shè)計

3.2.1 電子電路設(shè)計基礎(chǔ)知識

1、電子電路設(shè)計原理

電路設(shè)計主要分三個步驟：設(shè)計電路原理圖、生成網(wǎng)絡(luò)表、設(shè)計印刷電路板

在電路設(shè)計中，基本步驟如下：

（1）充分了解設(shè)計任務(wù)的具體要求

（2）方案選擇

（3）根據(jù)設(shè)計框架進行電路單元設(shè)計

（4）根據(jù)電路工作原理和分析方法，進行參數(shù)的估算與計算

（5）元器件選擇時，元器件的工作、電壓、頻率和功耗等參數(shù)應(yīng)滿足電路指標要求

（6）電路原理圖的繪制

2、電子電路設(shè)計方法及步驟

電子電路設(shè)計的第一步是電路原理圖設(shè)計，設(shè)計電子電路是后續(xù)步驟的基石。

電子電路設(shè)計的過程如圖：

????????在原理圖設(shè)計過程中，首先建立元器件庫，其次是元器件布局和布線連接，然后需要進行電路分析與仿真，進而生成網(wǎng)表，最終得到設(shè)計完整的原理圖。

1）建立元器件中沒有的元器件

????????在進行元器件建庫時需要注意以下標準：

????????【1】元器件引腳序號與封裝庫相應(yīng)元器件序號保持一直；

????????【2】分立元器件要注意元器件的標號與引腳的對應(yīng)關(guān)系

????????【3】二腳有極性，如二極管，默認以1表示正極，2表示負極

????????【4】多腳元器件如晶體管，引腳序號應(yīng)該與封裝的引腳序號保持對應(yīng)關(guān)系，且芯片引腳的序號為逆時針邏輯

????????【5】通常元器件的引線引腳長度為5個單位

2）CAD設(shè)置

????????根據(jù)實際的電路及其復(fù)雜程度選擇相應(yīng)的元器件庫，設(shè)置CAD圖示相關(guān)屬性，配置CAD中設(shè)計規(guī)則，并建立有關(guān)工程

3）放置元器件

????????根據(jù)設(shè)計電路圖的需求，將所使用的元器件有選擇地放置在合適地位置，并進行修改，同時利用CAD自動編號功能為元器件編號，并選擇實際印刷電路所使用地封裝。

4）原理圖連接

????????根據(jù)原理圖需要，將原理圖上的各個元器件按照需求設(shè)計將對應(yīng)引腳通過合適的方法進行連接，即可形成完整的原理圖

5）檢查校對

????????根據(jù)系統(tǒng)需求與電路功能對所設(shè)計的電路圖進行校驗，保證原理圖符合電器規(guī)則，同時布局較為清晰、簡明、美觀。對元器件、導(dǎo)線位置、連接等進行檢查修改。

6）電路分析與仿真

????????利用CAD軟件提供的分析仿真功能或使用專用軟件對檢錄進行分析，分析之后對電路進行仿真，檢查電路是否符合需求設(shè)計與相關(guān)設(shè)計指標。

7）生成網(wǎng)絡(luò)表

????????使用CAD軟件生成原理圖的網(wǎng)格表。

8）保存與輸出

????????將設(shè)計的電路所在工程存儲并提交至版本控制系統(tǒng)中。

3、電子電路設(shè)計可靠性

????????電子設(shè)備的可靠性設(shè)計可以保證在絕大部分情況下電子設(shè)備能夠穩(wěn)定可靠地工作，同時在發(fā)送故障時可以將損失降到最低。在電子電路可靠性設(shè)計中，設(shè)計可靠性定義、故障衡量、可靠性成本、可靠性設(shè)計和設(shè)計故障等概念。

1）可靠性定義

可靠性：在規(guī)定的時間和環(huán)境條件下系統(tǒng)無肆運行的概率。這個概率受三個控制量的影響：

（1）故障的規(guī)定

（2）工作壽命

（3）實際環(huán)境

2）故障衡量

????????在確定時間內(nèi)的故障率的倒數(shù)就是通常所指的平均故障間隔時間 (MTBF)。一般用小時表示，而故障率使用每個小時故障的次數(shù)進行表示。MTBF 通常與運行周期無關(guān)，可以方便地表示可靠性。

3）可靠性成本

4）可靠性設(shè)計

【1】有效的散熱；

【2】盡量減少高敏感元器件的使用

【3】使用最少的元器件設(shè)計最簡單的電路

【4】使用可靠性高、質(zhì)量好的元器件

5）設(shè)計故障

3.2.2 PCB設(shè)計基礎(chǔ)知識

1、PCB設(shè)計原理

（1）PCB印刷：PCB印刷是按照設(shè)計將電路印刷到基板上，然后重復(fù)多次得到多層PCB，最后添加過孔、阻焊層等

（2）PCB由基板、銅層、阻焊層、字符層等組成

（3）印制線路是采用諸如刻蝕之類的方法印制電路，包括導(dǎo)線和焊盤

（4）印制元器件是指通過絲印等手段將元器件符號等文字印刷至電路上

（5）PCB貼片是指使用專用貼片機自動貼片或者使用鋼網(wǎng)手工貼片，然后通過各類加熱方式或者回流焊接方式將元器件焊接的過程

（6）電鍍：通常使用錫或者金對暴露的焊盤進行電鍍處理

2、PCB設(shè)計方法及步驟

????????PCB設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)電路原理圖對PCB進行合理的結(jié)構(gòu)與布線布局設(shè)計，主要過程是依據(jù)網(wǎng)表中的設(shè)計進行布局、布線連接，并通過PCB仿真來判斷設(shè)計是否正確，最終得到PCB輸出。

1）建立封裝庫中沒有的元器件

2）規(guī)劃電路板

3）載入網(wǎng)絡(luò)和元器件封裝

4）布置元器件封裝

3、PCB布局要求

????????PCB元器件的布局遵循先大后小，先難后易的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當優(yōu)先布局。

????????總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號線最短；高壓電、大電流信號與小電流、低電壓的弱信號完全分開；模擬信號與數(shù)字信號分開；高頻信號與低頻辛亥分開；高頻元器件的間隔要充分。

通常元器件布局有如下要求：

（1）元器件的擺放不重疊

（2）元器件的擺放不影響其他元器件的插拔和貼焊

（3）元器件的擺放符號限高要求

（4）有極性元器件的擺放方向要盡可能一直，同一板上最多允許兩種朝向

（5）安裝孔的禁步區(qū)內(nèi)無元器件和走線

4、PCB布線

????????在放置完封裝之后，可以使用 CAD 自動布線或者手動布線。對于自動布線則需要將自動布線失敗或者不滿足需求的地方手工重新布線。

????????布線的優(yōu)先次序一般是：電源、模擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等，關(guān)鍵信號優(yōu)先布線。

????????應(yīng)遵循密度優(yōu)先原則，即從單板上連接關(guān)系最復(fù)雜的元器件著手布線。從單板上連線最密集的區(qū)域開始布線。

????????自動布線在布線質(zhì)量滿足設(shè)計要求的情況下，可使用自動布線器以提高工作效率。

5、設(shè)計規(guī)則檢查

????????按照 PCB 設(shè)計規(guī)則，檢查 PCB 設(shè)計是否合乎規(guī)范。對于元器件、銅線、過孔、覆銅等按照一定規(guī)則檢查。例如，元器件不可以重疊，布線間距不合乎規(guī)范。一般可使用CAD 對電路進行檢查，將不符合規(guī)范的設(shè)計與未連接的部分查找出來。

6、PCB仿真

????????使用CAD軟件對PCB進行藩鎮(zhèn)分析，確定PCB達到需求與設(shè)計目標。

7、保存輸出

????????將設(shè)計工程保存，并且導(dǎo)出相關(guān)文件以便PCB加工。

8、多層PCB設(shè)計的注意事項及布線原則

在多層PCB布線時應(yīng)注意：

（1）高頻信號線一定要短，不可以有尖角，兩根線之間不宜平行、過近，否則可能會產(chǎn)生寄生電容。

（2）如果是兩面板，面的線布成橫線，另面的線布成豎線，盡量不要布成斜線。

9、絲印設(shè)計

????????絲印設(shè)計是 PCB 設(shè)計中容易被忽視但又十分重要的一個環(huán)節(jié)。容易被忽視是由于PCB 并不會因為缺少絲印而不能工作,說其十分重要是因為絲印是PCB 設(shè)計的一個縮影。

????????絲印有效的標記元器件、安裝孔、定位孔等 PCB 上關(guān)鍵的元素。一般絲印設(shè)計要求所有元器件、安裝孔、定位孔都有對應(yīng)的絲印標號，PCB 上的安裝孔絲印可用 H (Hole)，H，··，H，進行標識。同時 PCB 上元器件的標識符必須和BOM 清單中的標識符號一致。

3.3 Cadence PCB系統(tǒng)設(shè)計

????????Cadence 公司的 PCB 系統(tǒng)設(shè)計提供了從原理圖設(shè)計輸入、分析、PCB 設(shè)計、PCB 制造文件輸出等一整套工具，為嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的準確性和高效提供了基礎(chǔ)，其設(shè)計流程如圖所示。

3.3.1 原理圖設(shè)計輸入工具

????????Cadence 公司的 PCB 系統(tǒng)設(shè)計提供了兩種原理圖輸入工具，Concept HDL 和 CaptureCIS，Concept HDL 提供了一個高度集成的規(guī)則驅(qū)動的設(shè)計流程，與約束管理器整合提供了整個設(shè)計流程中管理電器約束的統(tǒng)一環(huán)境，支持團隊設(shè)計、并發(fā)設(shè)計、設(shè)計重用等。Concept HDL 提供了傳統(tǒng)的平面設(shè)計方法和先進的分層次的設(shè)計方法。

1）分層次設(shè)計

Concept HDL支持自頂向下和自底向上兩種設(shè)計方法

2）模塊化設(shè)計 - 設(shè)計重用

3）并行設(shè)計方法

布局時，需要改變連線或者添加元件，可以實現(xiàn)設(shè)計同步

4）導(dǎo)入物理布局和原理圖

可以通過 IFF 接口自動導(dǎo)入安捷倫ADS物理布局和原理圖。

5）功能強大的原理圖輸入方法

【1】參數(shù)化

【2】對上下文敏感的菜單

【3】群組操作

【4】分割元件圖形

6）其他功能和特點

【1】高性能的圖形界面

【2】自動生成BOM

【3】可以進行電器規(guī)則檢查和生成網(wǎng)表報告

【4】歸檔

【5】與 Allegro 整合

3.3.2 PCB設(shè)計系統(tǒng)

????????PCB設(shè)計系統(tǒng)可以實現(xiàn)復(fù)雜、多層電路版圖的創(chuàng)建和編輯，可以方便輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

其特點包括：

（1）靈活的驅(qū)動布局功能

（2）交互式布線編輯器

（3）多種生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)的輸出

（4）豐富的平面操作功能

（5）高級SKILL語言

3.3.3 自動和交互布線工具

????????Cadence 公司的 PCB 系統(tǒng)設(shè)計中的自動布線工具是一流的，針對高密度 PCB 和復(fù)雜IC 封裝的自動和交互式互連線布線工具，具體包含 SPECCTRA 布局編輯器、SPECCTRA交互布線編輯器、SPECCTRA 自動布線器 3 個工具。

3.3.4 庫管理

Cadence 公司的 PCB 系統(tǒng)設(shè)計的庫管理提供 3 個工具,分別是 PCB 庫專家、PCB 庫、庫瀏覽。

1）PCB庫專家

提供了原理圖和PCB庫的創(chuàng)建】封裝和驗證功能。

2）PCB庫

包含手工創(chuàng)建庫的工具

3）庫瀏覽

基于web的檢索和放置元件的工具

3.3.5 約束管理器

????????約束管理是 PCB 系統(tǒng)設(shè)計的核心，提供基于電子數(shù)據(jù)表格式的約束信息，具有實時顯示高速規(guī)則和狀態(tài)的功能，并且可以在設(shè)計流程的任意階段調(diào)用。仿真設(shè)計人員在做仿真之后，形成了高速約束規(guī)則，這些規(guī)則一旦加入約束管理器，就可以用來驅(qū)動布局布線了。約束管理器包括兩個視圖，一個視圖讓設(shè)計者觀察數(shù)據(jù)庫中不同的電子約束集合相關(guān)的約束值；另一個視圖提供系統(tǒng)中不同網(wǎng)絡(luò)以及它們要遵守的約束集名稱，并目實時顯示約束值的分析結(jié)果，通過改變分析結(jié)果的顏色來標明成功和失敗，一目了然。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-828911.html

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