硬件设计从0到1之基本工具

硬件设计过程离不开各种辅助设计工具，掌握这些工具是日常工作必备技能。当然此处所说的“工具”，不仅仅是包括了绘制原理图、PCB图的EDA工具，也包括了查找元器件datasheet、制作PCB下单、采购元器件渠道、信号仿真、原理仿真等等。对于初学者来说，市面上能搜索到的各类诸如“合格硬件工程的必备技能”，这些内容中所描述的要求太过于详尽，让初学者望而却步。
笔者当年刚从事硬件设计工作也是对自己能否承担硬件设计深深怀疑。看到那些前辈们列举的长长技能树，表示深深无力感。然而真实情况是：笔者所看到的企业，在日常设计中仅有一部分是必须要掌握，有一部分是特殊项目需要用的时候才去掌握，另外一些是个别要求临时去突破。如：对多片DDR4的信号质量仿真及优化，这类涉及到的热效应、多片高速信号的拓扑及信号完整分析，只有一些特定行业产品会涉及到。目前就笔者所看到的产品，如：智能家居、车载电子、小型工控、电力设备等，大部分都属于中低速硬件设计，很多需要精细考虑的设计要求，其实并没有需要控制到那么严格。当然如果你有机会参与那些极限性能要求的产品会对自身硬件设计水平有很大提升。
以下部分介绍也是针对于刚接触硬件设计或者想要从事硬件设计的初学者。从未知到可以上手进行一些初级硬件设计有一定帮助。
基本工具
日常辅助工具
硬件设计从业目前主流使用两种设计工具：Altium Designer、Cadance。Altium Designer比较容易上手，操作性更强一些。Cadance学习过程稍长一点，专业性比较好，目前很多手机硬件厂商都是用该工具。笔者刚开始学习是从Altium Designer开始，简单易学。
Altium Designer使用

对于Altium Designer，有些同学会有点疑问：Protel、DXP、Altium Designer，到底应该用哪个？其实它们是一脉相承的。主要的发展过程是Protel99SE，DXP2002，DXP2004，Altium Designer 6.0，Altium Designer 09，到最近版本Altium Designer19.其设计理念和操作方式大同小异，只是版本越高软件顺应时代的发展增加了很多新的辅助功能，如：3D查看PCB。在早期的99SE版本就没有。无论你选择哪个版本都可以，软件生成的PCB、原理图文件可以兼容查看。当然笔者建议用最新的，使用方面更加人性化。
对于Altium Designer的使用，此处不做过多介绍，你可以在网络上搜罗到大量非常完备的教程。不过这里也给出一些建议。网络上大量教程介绍比较全面，在前期阶段有很多操作都暂时不需要用上，全面学习这些操作反倒是造成一定学习障碍。对此列举在前期硬件设计必须要掌握的内容：
A：创建PCB工程项目
B：添加原理图并按照设计要求编制原理图文件
C：将原理图转义PCB文件，绘制PCB线路图
D：添加元件库
E：生成gerber文件
F：导出PCB丝印图及钻孔文件
G：了解PCB层叠设计及每个层的含义
针对以上应该掌握的基础内容，后期会针对这部分做详尽讲述。
Cadance使用

Cadance产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计，功能验证，IC综合及布局布线，模拟、混合信号及射频IC设计，全定制集成电路设计，IC物理验证，PCB设计和硬件仿真建模等。其操作的教程也可以在网上找到，在此就不多做描述。需要掌握的内容也是如Altium Designer一样，包含有：
A：创建PCB工程项目
B：添加原理图并按照设计要求编制原理图文件
C：将原理图转义PCB文件，绘制PCB线路图
D：添加元件库
E：生成gerber文件
F：导出PCB丝印图及钻孔文件
G：了解PCB层叠设计及每个层的含义
仿真工具
仿真工具包括两个层面：原理性仿真、信号完整性仿真。笔者常用的两种工具是：Multisim和Allegro SI。

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工你可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，你无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合初学者对设计的电路进仿真验证。通过Multisim，你可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

Allegro SI：可用于信号完整性分析。

高速PCB 的前仿真包括以下几个方面：信号完整性(SI)仿真，时序(TIMING)仿真，电磁兼容性(EMI)仿真，信号完整性(SI)后仿真，电源完整性(PI)后仿真，电磁兼容性(EMI)后仿真。对于这部分技能，如果你设计的板件暂时未涉及到200Mhz以上或者信号的上升下降时间并不会导致硬件问题，那现阶段可以不用学习该工具的使用。当然了，一个完备的硬件设计需要通过设计、仿真、验证的过程，实际工作中因工作时间投入问题，并未能完全按照该过程进行。在有能力把握情况下，通常是按照经验哪一块容易出现问题才进行信号完整性仿真和时序测试。从这个层面来说，硬件设计也是一种资源投入和产出的权衡。
Allegro PCB，能够根据叠层的排序，PCB的介电常数，介质的厚度，信号层所处的位置以及线宽等等来判断某一PCB线条是否属于微带线、带状线、宽带耦合带状线，并且根据不同的计算公式自动计算出信号线的阻抗以及信号线的反射、串扰、电磁干扰等等，从而可以对布线进行约束以保证PCB的信号完整性。在布线时利用Interconnect Designer工具设置各种约束条件，这些约束条件包括了范围广泛的物理和电气性能参数，如常见的PCB线宽，过孔数目，阻抗范围，还有峰值串扰，过冲特性，信号延时，阻抗匹配等，用仿真的结果做出在PCB中对时序、信号完整性、电磁兼容、时间特性及其他相关问题上做出最优化的设计。以上内容对于初学者可能比较难理解，等到你需要进行这部分考虑时候，相信你已经在工作上小有成就，即将应对更高的设计挑战。

查找元件工具
硬件设计不仅是要掌握设计工具，还需要选择元器件。到底该用谁家的什么型号器件来满足产品设计，这就需要找到元器件datasheet（元器件规格书）并且知道从何处购买。刚开始接触硬件设计的同学，对于从何处获得这些信息很陌生。有一些企业有比较标准的硬件设计库和元器件查找仓库，但是很多中小型、微型企业并没有足够的资源来支持这些资料。
如果你是在一家已经有长期供货的供应商或者已经有自建了企业用的选型库，那么在设计时可直接咨询供应商的FAE（技术支持），也可以从企业内部的公共元件库获得资料，并参考以往公司的使用案例进行设计。
如果你所在公司没有以上元件库资源，那需要自己从网络上查找相关资料。推荐几个可用的网站：嘉立创、e络盟。嘉立创提供PCB在线制作、元器件采购、元器件封装库、元器件技术资料等服务。可以满足基础设计需求，对于中小型企业的设计来说，很有帮助。当然还有各大芯片厂商的官网，如：TI、NXP等。可以在官网搜罗到需要的芯片选型资料。你可能因设计成本问题需要选择国内厂商的芯片，也可以在相关国内厂商的官网找到。有一些国内厂商的官网资料提供不是很完备，可以通过采购或者自行联系相关代理商获得技术资料并寻求设计指导。
以上就是关于硬件基本工具的介绍。接下来将会有系列文章介绍整个硬件设计的从0到1过程应该怎样进行。如果你对文章有新的建议，或者在硬件设计上有自己的想法可以通过QQ或者邮件联系我，共同探讨一起进步。
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