在学习电路设计的时候，不知道自己学了很多硬件电路理论，也做了基础的操作实践，但是有没有设计不出自己理想的电路的烦恼。 毕竟，我们缺乏的是硬件电路设计的思路和项目的实战经验。
设计硬件电路，必须熟悉元器件的原理、选型、使用等元器件基础理论，学习绘制原理图，用软件完成PCB设计，熟练使用工具技巧，学习电路优化和调试方法等。 完整设计硬件电路设计，以下是我的一些个人经验。
1）总体思路
设计硬件电路，要分清大框架和大框架，但要做到这一点并不容易。 一些大框架，自己的上司、老师已经在想，自己可能只是具体实现了构想； 但是，有时也自己设计框架。 明确实现什么样的功能，寻找是否存在能够实现相同功能或相似功能的参考基板。 (懂得尽量利用别人的成果，越是有经验的工程师越能借鉴别人的成果。
2）理解电路
如果有找到的参考设计，恭喜你。 可以节省很多时间，包括前期设计和后期调试。 马上复制？ NO，还是先读理解，一方面可以提高我们的电路理解能力，而且可以避免设计中的错误。
3）找到参考设计
在开始硬件设计之前，根据自己项目的需要，可以去寻找能够满足硬件功能设计的东西。 有很多相关的参考设计。 没有找到吗？ 没关系。 首先识别大IC芯片，寻找数据表，判断其关键参数是否满足自己的要求，哪些是自己需要的关键参数，以及能否理解这些关键参数，都是硬件工程师能力的体现在此期间，必须善于提问。 自己不明白是因为别人往往一句话就醒了。 特别是硬件设计。
4）硬件电路设计的三个部分：原理图、PCB和物料清单（BOM）表
电路图的设计，其实是把前面的构想转换成电路图，它和我们教科书的电路图很像。 pcb与实际电路板相关联，从电路图转换而来的网表(网表是连接电路图和pcb之间的桥梁)，将具体部件的封装配置(布局)在电路板上，并激励导线(也称为预导线) pcb布局布线结束后，汇总了应该使用哪个部件，所以使用BOM表。
5）选择PCB设计工具
Protel，即Altium (现在入门的童鞋多使用AD )，网络学习教程资料丰富，在国内也很流行，足以应付一般工作，适合刚入门的设计人员。
硬件设计的大部分是必不可少的，主要需要经过以下几个过程。
1 )原理图设计
2 ) PCB设计
3 )制作物料清单表
现在谈谈具体的设计步骤
生成电路图制作网表
1 .原理图库的建立。 若要在线路图中放置新元件，必须建立变更元件的资源库。 库主要定义了新组件的管脚定义及其属性，并以特定的图形格式表示。 常见的是长方形，表示IC BODY，周围有很多短线。 表示集成电路针脚。 protel很容易创建库，很多用户都在使用它，因此很多组件可以很快找到可用的库。 这对用户非常方便。 要分清集成电路盒、集成电路钉、输入钉、输出钉、模拟钉、数字钉、电源钉等。
2 .只要有足够的库，就可以在电路图上画画。 根据datasheet和系统设计要求，在wire上连接相关组件。 在相关的地方添加line和文本注释。 wire和line的区别在于前者有电属性，而后者没有。 wire适合连接到同一网络，而line适合注释图形。 此时，必须明确wire、line、bus、part、footprint等基本概念。
3 .完成此步骤后，可以生成连接原理图和pcb的netlist。 原理图是我们可以识别的形式，电脑要把它转换成pcb，就必须把原理图转换成它识别的形式netlist，然后进行处理再转换成pcb。
收到netlist后，马上画pcb吗？ 别急，请先做ERC。 ERC是电气规则检查的缩写。 可以对原理图的基本设计错误(如多个output已连接)进行故障诊断。 但是，必须仔细检查自己的原理图。 不能太依赖道具。 毕竟，道具不能理解你的系统。 它只是单纯地根据一些基本规则进行故障排除。 ）
我从netlist那里得到了pcb。 会不会被很多密集的元件和数不清的飞丝吓到了？ 哦，别着急，我得慢慢来。
6 .决定板框的尺寸。 在keepout区域(或机构区域)绘制板框。 这样会限制接线的区域。 必要时需要仔细考虑板长、板宽(有时还必须考虑板厚)。 当然，层叠也要进行试验
虑好。(叠层的意思就是，板层有几层，怎么应用，比如板总共4层，顶层走信号，中间第一层铺电源，中间第二层铺地，底层走信号)。
PCB布局布线
先解释一下前面的术语。post-command，例如我们要拷贝一个object(元件)，我们要先选中这个object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V(copy命令发生在选中object之后)。这种操作windows和protel都采用的这种方式。但是concept就是另外一种方式，我们叫做pre-command。同样我们要拷贝一个东西，先按ctrl+C，然后再选中object，再在外面单击(copy命令发生在选中object之前)。
1. 确定完板框之后，就该元件布局(摆放)了，布局这步极为关键。它往往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。但是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。其实自己画了原理图，明白所有元件功能，自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画原理图的人来摆放元件，其结果往往会让你大吃一惊。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可以了。
2. 接下来就是布线。这与布局往往是互动的。有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线成功。如果有些地方难以布线还需要改动布局。对于fpga设计来说往往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很多，对于高速数字部分，因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂，但往往这些问题又是难以定量或即使定量也难以计算的。所以，在信号频率不是很高的情况下，应以布通为第一原则。
3. OK了？别急，用DRC检查检查先，这是一定要检查的。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(可能会导致成本增加)，将出线部分做成泪滴(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，一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不该上，要做到心理有数。对于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。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的料全部焊上，这样不便于排查问题。最好的方法就是，根据bom表自己准备好元件。等到板来了之后，一步步上元件、调试。
电路板调试
1. 拿到板第一步做什么，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做过测试，这一步还是要自己亲自看看，有时候看起来某些步骤挺繁琐，但是可以节约你后面不少时间！)，其实短路与否不光pcb有关，在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题，IO短路一般不会造成灾难性的后果，但是电源短路就......
2. 电源网络没短路？那么好，那就看看电源输出是否是自己理想的值，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，不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况，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(一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况)，还是装配的问题，还是自己设计的问题。关于检查短路还有一些技巧，这在今后登出......
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，还需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?如果超过很离谱，比如到了10%，那么看看分压电阻先，这两个分压电阻一般要用1%的精度，这个你做到了没有，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，如果有条件的话，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情况(至于为什么要看着个，嘿嘿......专业人士还是要看的～)
电源设计
无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定，其他啥都别谈。我想不用balabala述说它究竟有多么重要了。
在电源设计我们用得最多的场合是，从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压。这也就是经常说的DC/DC，其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，我们后面说的线性稳压电源，也是指它)，另一种叫PWM（脉宽调制开关电源，我们在本文也称它开关电源）。我们常常听到PWM的效率高，但是LDO的响应快，这是为什么呢？别着急，先让我们看看它们的原理。
下面会涉及一些理论知识，但是依然非常浅显易懂，如果你不懂，嘿嘿，得检查一下自己的基础了。
一、线性稳压电源的工作原理
如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中，Vo经过两个分压电阻分压得到V+，V+被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)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连接到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。
现在我们来看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，这将导致MOSFET的阻抗变小，这样经过同样的电流，MOSFET的压差将变小，于是将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，经过同样的电流，MOSFET的压差变大，于是抑制Vo变大。
二、开关电源的工作原理
如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下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左端形成了一定占空比的方波电压，电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器，因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V+，误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波，经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。
误差放大器的正端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，因此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。经过处理,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。如下图
当Vo上升时，V+将上升，Va下降，Vpwm占空比下降，经过们逻辑之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，这又导致Vo降低，于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。
三、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作原理之后，我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态响应，但是效率差;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，因此噪声小，而且瞬态响应快(当输出电压变化时，补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，线性稳压一般用在小电流，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很多，且其反馈环路长，因此其噪声性能低于线性稳压电源，且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构，MOSFET处于完全开和完全关两种状态，除了驱动MOSFET，和MOSFET自己内阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的，尽管实际并非如此，但这些消耗的能量很小)。
总而言之，要学好硬件电路设计，首先要弄清楚项目需求，根据功能设计硬件框架，结合参考设计，多借鉴别人的设计成果，复用到自己的硬件项目上面来。
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