硬件设计新手入门宝典之第一部

1学硬件设计，关注微信号：超硬工程师硬件设计新手入门宝典之第一部版权所有：微信公众号‘超硬工程师’2学硬件设计，关注微信号：超硬工程师目录前言……………………………………………………………………………………………………………3第一章电路设计常用图例和标识………………………………...............................51,常用图例………………………………………………………………………………………………..62,信号连接标识………………………………………………………………………………………10第二章常用元件之电阻电容和电感………………………………………………………131,电阻及应用………………………………………………………………………………………….132,电容及使用………………………………………………………………………………………….183,电感及使用………………………………………………………………………………………….26第三章二极管三极管和MOS管…………………………………………………………...301,二极管及使用……………………………………………………………………………………..302,三极管及使用……………………………………………………………………………………..333,MOS管及使用…………………………………………………………………………………….38第四章硬件设计功能模块框图……………………………………………………………..451,硬件系统架构简介……………………………………………………………………………..452,硬件设计功能模块框图……………………………………………………………………..503学硬件设计，关注微信号：超硬工程师前言大家都知道，硬件设计行业除了一些教授电路基本原理的书籍之外，没有专门的讲解专业硬件及系统产品开发技术及流程的书籍。对于从事相关行业的朋友，提高更多是通过前人的传授和个人产品研发经验的累积。为给从事硬件设计行业的朋友提供快捷高效的提升个人能力的渠道，微信公众号‘超硬工程师’全面系统地汇总硬件及系统设计知识和经验，并免费分享，从而帮助更多的从业者快速掌握获取相关知识和经验，在硬件设计职业生涯之路上达到全新的高度。‘超硬工程师’微信号平台建立后，不少网友留言对未来觉得迷茫--学生朋友说学校里学不到实用知识，快毕业了还感觉什么都不会；参加工作的年轻朋友觉得在单位一直打下手，又没人指点，不知怎么入门。大家都非常期望能够有人带一带。超硬工程师觉得应当尽绵薄之力，帮助大家学有所成，尽快建立一些基本的设计能力。因此通过连载的形式，发布一系列文章，详细剖解硬件设计基础知识和设计过程。之前发布过精读datasheet系列文章，相信大家看了之后，应该知道如何去阅读元器件的技术文档了。做硬件设计就是把不同元器件连接在一起，结合一些软件以实现产品设计所要达到的功能。所以硬件设计另外一个重要的能力就是去读懂硬件设计电路原理图为将来设计硬件电路打下基础。这个系列的文章就以一份基于X86平台的嵌入式设计为基础，来详细解析一下硬件电路原理图设计，常用电路及基本功能原理。大家跟着这个系列走下去，相信会很快提高你阅读理解硬件电路的能4学硬件设计，关注微信号：超硬工程师力。所有技术分析文章和资料都定期发布在微信号：超硬工程师，欢迎大家在微信上搜索，或扫下面二维码关注微信号：超硬工程师。5学硬件设计，关注微信号：超硬工程师第一章电路设计常用图例和标识一系列连载文章发布以来，“超硬工程师”公众号平台以及论坛上都收到很多朋友的好评和鼓励，在此表示感谢。也有些朋友特别是新人或学生朋友反映说解析的电路图看不明白。所以在这个汇总篇里首先来谈谈这方面的问题，搞明白了才能看懂后面的电路分析内容。这些内容很基础，比较熟悉的朋友可以略过。对于初学者而言，个人觉得最重要的是先要能看懂一份完整的电路图，了解信号的连接及大致的功能和工作原理，然后就可以动手做一些实践性的实验。硬件设计是一个实践动手能力要求很高的工作，平时的设计和调试分析经验的累积对于个人能力的成长很重要。新人应该在这方面多下功夫，以迅速提高自己的工作能力。至于连接芯片之间的总线协议和具体协议工作原理也是要学习的，可以等到把电路图弄明白后再花时间慢慢消化。总线协议的学习和理解需要较长的时间和过程。其实后面分享解析的电路图应该是比较直接明了的，大都是一些总线的信号的连接。初学者不用花过多时间纠结总线的具体原理和协议，只要搞懂该总线的作用，连接那些芯片，以及一些关键的设计注意事项（一般在芯片的设计规范中都会讲到）。如果说这些电路看不懂的话，可能更多是由于不知道电路图一些常用图标和标识的意义。这里我们首先就这些电路设计中常用的图例和标识就来作些解释。为方便讲解，用后面电路分析内容部分分享的一个电路作为例子，如下图所示。6学硬件设计，关注微信号：超硬工程师1，常用图例电路图中经常用到一些图例表示相应的元器件，相信大家应该很熟悉。比如下图就是常见的电阻的图例：7学硬件设计，关注微信号：超硬工程师-R201是电阻的编号。一份复杂的电路图中会用到很多的电阻电容等元件，设计电路图的软件在最后编译的时候会给元器件编号，这样在调试的时候就可以很容易找到相关元件。-49.9ohm是电阻的阻值。1%是电阻的精度，表示该电阻的阻值控制在49.9*（1+/-1%）范围内，也就是49.401~50.399ohm之间。1%精度的电阻一般用在精确控制的场合，比如通过电阻分压产生精确参考电压的情况一般用1%精度的。非精确控制的场合一般用低精度比如5%精度的电阻。1%精度的电阻成本上要远高于5%精度的电阻。-R0402表示电阻的封装尺寸型号。在高速电路板设计中，常用的是贴片焊接的电阻。电阻的封装型号表示不同尺寸大小，其对应关系如下图所示。常用的封装型号有0402，0603，0805等等。8学硬件设计，关注微信号：超硬工程师电容的图例如下图。相关参数的意义大致与电阻类似。-C202表示电容的编号。-0.1uf表示电容容值。16V表示电容所能承受的最高电压。考虑元器件的长期可靠性，一般选择电容的实际工作电压小于其最高耐压的75%。图中的电容，其实际工作电压应小于16*75%=12V。-C0201表示其封装尺寸。与电阻类似，常用封装尺寸有0402，0603等等。9学硬件设计，关注微信号：超硬工程师芯片的图例就是图中间的长方块，往两边伸出很多引脚。该图列是N450CPU芯片的一部分。这样的图例通常由建元器件库的CAD工程师建立，硬件设计工程师可从元件库中调用这些元件图例来完成相关电路设计。-U201A表示该芯片的编号。一个设计中也会有多个不同的芯片，同样设计工具在编译的时候也会给不同的芯片编号，编号通常以U开头。A表示这个图例只是该芯片的一部分。有些功能简单的芯片，只用一个图例就可以包含所有引脚，其编号就是Uxxx。比较复杂的芯片，需要有多个图例才能列出所有引脚，这些同一芯片的不同图例就用A/B/C…来区分。这里的图例是U201A，实际电路图中下一页就是U201B，后面还有U201C，U201D，U201E。这5个图例组合在一起，就是一个完整的N450CPU芯片的图例，包含该芯片的所有引脚。-一般芯片图例两边列出其引脚，如下图。图外的字母及数字比如AH19/AC4等表示引脚的编号；图内的字母表示相关引脚的功能，比如AH19对应的功能表述是DDR_A_MA0，也就说明这个引脚是该CPU内部DDR内存总线A通道的0号地址线（MA表示memoryaddress）。右边AC4对应的功能表述是DDR_A_DQ0，也就说明这个引脚是该CPU内部DDR内存总线A通道的0号数据线。现在弄不明白这些引脚描述所表示的含义没关系，随着学习的深入，会逐步了解的。只要知道芯片外面的内容是引脚编号，内部的是相关引脚功能描述就可以了。10学硬件设计，关注微信号：超硬工程师2，信号连接标识一个复杂的电路图，往往有很多页电路图。很多的信号要跨页连接，也就是要与不同页（有时候是与好几页）的信号/引脚向连接。这在电路图上如何表示呢？有些信号是以总线的形式连接的，如下图。-这是一组DDR内存总线的地址信号线。右边的部分，前面讲过是CPU芯片的图例及引脚。中间的一根根红色的引线把不同引脚连接出来，其上的字母表示该引线的net名字。比如DDR_MA0表示连接AH19引脚的引线名字叫DDR_MA0。电路图最后编译时候，会产生网表，网表中就是用这个net名字来表示芯片引脚之间的连接线。-这一组地址线共有15根，编号从0到14。像这样的名字相同（DDR_MA），编号依次递增的一组信号可汇总11学硬件设计，关注微信号：超硬工程师在一起以总线（左边蓝色的粗线）的形式连接到其他页。图标‘《’就表示信号是连到其他页的。最左边的文字DDR_MA[14:0]是这组总线名，表示这组总线共有15根，各自的net名分别是DDR_MA0,DDR_MA1,…，一直到DDR_MA14。数字‘7’表示这组线连接到电路图第7页的DDR_MA[14:0]总线。总线内的每个线比如DDR_MA0就与第7页中该总线内同名字的连接线相连。有些信号是以单根线的形式连接的，如下图。-图标‘《’就表示信号连到其他页。最左边的数字表示信号连接到的下一个/几个元件所在的页数。这里表示这些信号连接到电路图第7页的电路。-连接线旁边的字母表示该连接线的名字。比如对应芯片AH22引脚的连接线名字是DDR_CS0#(DDR总线的0号片选信号)，连接到第7页同名的连接线。有些信号并不连到其他页，而是连接到同一页的其他元器件或电路，如下图。12学硬件设计，关注微信号：超硬工程师-右上芯片AL28引脚连接线名字是DDR_REF，但该线并没有‘《’，也没有对应其他页的页数，说明该连接线并不连接到其他页，而是和本页的同名连接线相连-左下可以看到连接电阻R201和R202中间的连接线名字也是DDR_REF。虽然这根线并没有延伸连接到上述的右上部的连接线，但它们是同一个net名，就表明它们是同一根连接线，实际上就是连接在一起。-电阻R201上面的小圆圈及下拉的短引线是电源的标识，其上字母VCC_1V8是电源信号名，表示电源电压是1.8V。电路图中所有页中同样电源信号名的电源信号都是连接在一起的。比如图中R201上端的电源和R205左端的电源连接在一起。-电阻R202下端的那个‘倒过来的三’一样的标识表示地。电路图中所有的同标识的地都是连在一起的。比如R202下端的地和C202下端的地是连在一起的。图例和标识的解析就到这里。留一个问题大家思考一下：电阻的参数除了文中解释过的，经常还看到另外一个参数，1/16W或1/8W或1/4W。。。，这个参数表示什么意思呢？了解该问题答案，请继续阅读后续内容。13学硬件设计，关注微信号：超硬工程师第二章常用元件之电阻电容和电感在一份复杂的电路原理图中，除了实现各种功能的芯片器件外，还会看到很多的通用元件比如电阻，电容和电感等等。它们具体会有哪些不同的用途和使用方法呢？这一章就针对这部分内容做些梳理和汇总。电路图常用图例和标识一篇中最后问道一个关于电阻的问题：电阻的参数除了文中解释过的，经常还看到另外一个参数，1/16W或1/8W或1/4W。。。，这个参数表示什么意思呢？。我们就先来说说电阻。1，电阻及使用电阻大家都应该很熟悉了，初中就开始接触了。我们不妨百度一下，看看具体的定义：电阻的英文名称为resistance，通常缩写为R，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。欧姆定律指出电压、电流和电阻三者之间的关系为I=U/R，亦即R=U/I。电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”来表示。通常“电阻”有两重含义，一种是物理学上的“电阻”这个物理量，另一个指的是电阻这种电子元件。电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可