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1,硬件设计技术基础,第二章原理图设计,2,课程内容,基本任务和概念元件和元件库常规元件和标准库原理图绘制常用原理图设计知识原理图后期工作数据手册的阅读,3,第一节基本任务和概念,4,基本任务,初级的原理图设计:将电路设计用电原理图的形式，在计算机辅助设计软件中，表现为设计图纸和相关文件，以便进一步进行检查和设计PCB。完成简单的设计部分需考虑PCB设计的需求，例如安装孔等。,5,原理图组成,主要成分:元件和连接元件(Component):电路中的各种功能实体例如:电阻、电容、二极管、IC、连接器、组件(模块，module)等安装孔、测试点、定位点等初级原则:一切电路中的独立功能实体，均应作为元件表现在原理图中元件的引脚,6,连接,连接(Connection):原理图中的一些连线，表现元件引脚之间的电气连接关系，在PCB实现中成为金属导线。可能具有一些面向PCB的特征和要求，如阻抗、电流通过能力等,7,原理图,将元件和连接画在一起，就成为原理图。例子:简单的图:BCD略大一些的图:tutor2实际的设计:IAG,8,原理图绘制,原理图基本操作元件库和元件的选择放置连线移动删除和修改保存工程(project)、设计(design)和原理图,9,设计软件基本操作,10,原理图的一般属性,大小，公制/英制，图号栅格，显示和打印颜色、线性等选择方式标题栏不同的设置方式和菜单选项设计模板,11,美观的原则,设计的原理图要美观体现优良的设计风格代表高的设计水平和设计质量如何做到美观:排列整齐、疏密得当元件大小合适连接关系清晰名称适当，注释、标题完整,12,元件和元件库,13,元件库,绘制原理图要使用的元件存放在元件库中。使用时，从库中调出，放置在原理图中。元件库一般是计算机中的二进制文件。标准/通用元件库，及其中的元件。特殊的/新的元件，需新建立元件。存放在已有库中，或另建立新的元件库。例子,14,新建元件,新建元件的步骤:命名类别确定或调整其大小添加引脚添加外框或图形保存例子元件的主要内容是其引脚，体现其电气连接的数量和属性。,15,引脚的属性,名称号码电气特性形状、位置,16,引脚名称,传统的:如电阻、电容，二极管、三极管特殊的，自行命名名称可以相同反相(低有效)的表示电源管脚，名称要小心NC和其他约定,17,引脚号码,一般用于标识每个管脚，也用于与PCB具体元件形状的对应。一般是数字(BGA封装的是行列的字母加数字)一般不可重复可以不连续有的管脚号码不显示用于PCB设计时，必须有引脚号码；用于其他应用(如功能仿真)，可以没有号码。,18,引脚电气特性,无源(passive)、输入(in)、输出(out)、三态(3state)、双向(bi-dir)、OC/OD、电源(power)等电气规则检查的依据电源管脚及其命名不可见选项,19,引脚的图示,形状:长、短、低有效、时钟等位置一般位于元件两侧特殊的，如3态控制，有时放在上面大型元件，上下可以放置引脚输入/输出左右放置(简单元件)或按功能分组放置(复杂元件),20,完成元件,命名:尽量准确，使用厂家型号，必要时添加厂家前缀。类别:集成电路(U/IC)，电阻(R)，电容(C)，二极管(D)，三极管/场效应管(Q)，发光二极管(L/D)，接插件(J)，等大小外框和图形保存,21,元件的操作,复制、修改、改名、删除新建元件的方法:复制和修改已有的类似元件。,22,具有多个相同功能部分的元件,例如74LS00等制作方法各功能部分形式相同各部分引脚号码的设置全局性的引脚使用和指定,23,复杂的大型元件,引脚数过多，不便全部放在同一个方框上。良好的设计风格分部分建立，各部分不同。按照功能划分。使用和指定。,24,常规元件和标准库,25,常规元件,来源:软件自带常规元件种类:分立元件(discrete)中小规模集成电路接插件(连接器)电源模块用于原理图绘制的特殊符号,26,分立元件,电阻:阻值、功率精度，E24,E96等电容:容量、极性、材质二/三极管/FET:种类很多，注意伏安特性LED:亮度和电流按键、拨动开关和跳线电阻排LED排,27,中小规模IC,74系列:工艺不同，LS/HC/F/LVC/ALVC等注意速度、电源、输入输出电平、功耗等参数3态/驱动器:125，244/245，16244/16245寄存器:74/374/16374时钟驱动器，锁相频率合成元件电平变换器,28,电源模块,电源模块:220VAC到12VDC和5VDC，-48VDC到5VDC等线性稳压块/LDO，5V/3.3V/2.5V/1.8V/1.5V等，linear开关电源芯片和模块功率和效率，散热问题,29,接插件(连接器),种类很多，排针(单、双)和扁平电缆，D型头，RJ45，插槽和金手指，大型板间连接器根据需要的信号数量、形状、阻抗和工作速率、电流等情况选择注意直/弯脚、针式/孔式(阳性/阴性)等情况注意引脚编号方式接插件引脚一般设为无源(passive)类型,30,特殊符号,电源/地符号页间连接符端口符号NC其他用于仿真的信号源、电压计等,31,元件库的组织,软件公司/项目的基础库或标准库新建元件的库使用时，遵守各种规则使用软件自带或网络获取的元件库应注意:检查电源一般原则:有限地使用软件自带的元件库，尽可能减少使用的库文件的数量，一组相关设计只使用一个新元件库,32,原理图绘制,33,美观的原则,设计的原理图要美观体现优良的设计风格代表高的设计水平和设计质量如何做到美观:排列整齐、疏密得当元件大小合适连接关系清晰名称适当，注释、标题完整,34,连线和标号,连接的两种方式:连线和标号使用的原则:连接关系清晰易读连线:顺畅有序标号放置:避免歧义热点不可放置在交叉点上避免放置在线的端点,35,总线和元件,总线名称和分线的标号总线的分支问题总线接入点的放置，避免交叉元件摆放对齐,36,大型原理图的组织,多张原理图的组织:平铺和层次平铺图页间连接器(offpageconnector)，多头连接标明来源或去向避免同名的标号电源和全局连接,37,层次图,框图式组织，自顶向下的大型设计例子图间连接:sheet和portport属性的一致性相对复杂的修改标号是局部的电源和全局连接,38,更复杂的原理图,混合的组织:层次图的各级原理图可以是多张平铺的。原理图和sheet的重用修改等情况尽量避免,39,原理图中的元件,元件在原理图中:cache图中修改尽量避免原则:修改库元件，更新原理图cache，保持原理图与元件库的一致,40,注释和其他,注释文字和图形:优良的设计简单的功能和设计说明PCB设计和其他注意事项电源/地符号NC,41,常用原理图设计知识,42,常识,一些简单的电路和设计知识，初级原理图设计者应该掌握和应用,43,上电复位电路,简单的低有效复位电路及波形复位IC:保证时间和波形按键设计注意:有效电平和时间问题:高有效如何设计?,44,复位电路,45,指示灯,不可忽视电源指示灯和限流电阻其他电平指示:高有效和低有效的区别高速数据信号的指示:单稳,46,指示灯,47,电源变换,线性稳压电路的使用注意功率和散热可调输出模块,48,电源滤波和退耦,意义总滤波局部滤波和退耦特殊的电源处置:数据手册,49,接地,各种地:信号地，机壳地，数字地，模拟地，等数字地和模拟地机壳地和信号地BNC的地,50,OC/OD门,OC/OD和线与上拉电阻波形,51,时钟,时钟信号的特点:对波形和同步的要求高，负载多，分布广泛时钟的驱动匹配时钟一般拓扑时钟的变换,52,驱动能力,一般驱动能力，扇出系数地址/数据总线，CPU模块等需要增加驱动能力总线驱动器3态和双向信号,53,不使用的输入和总线保持,不允许悬空的输入CMOS输入结构和特性TTL和关门电阻总线的保持和上/下拉,54,工作电压和匹配,各种工作电压产生的输入/输出电平不同，可能不能直接互相连接多种电平:CMOS/TTL/LVTTL/ECL/PECL电平转换器件,55,原理图后期工作,56,后期工作,annotateDRCbomnet其他辅助文件,57,annotate,元件号码标注，是元件的唯一性标识增量标注和重标标注可以不连续,58,DRC,设计规则检查检查矩阵不可轻易修改原则:不能有错误和不合理的警告；每个警告需单独核实DRC报告是重要的设计文档注意选项设置,59,BOM,元件表:元件采购、焊接安装的必要信息不同使用，格式不同,60,net,网表:是输出进行PCB设计的基本文件，一般是文本文件元件名称和封装形式两部分:元件和连接，有的软件，使用两个独立文件例子遇到问题时检查，但不能手工修改,61,FPGA配置电路,62,概念和种类,概念配置芯片(PROM/FLASH)专用信号线下载电缆和JTAG,63,PROM/FLASH配置,方式很多串行/并行，主/从，多芯片混合随公司和芯片而不同关键是理解其过程和各信号的意义，并灵活运用以下以ALTERACYCLONEII为例与XILINX不同，与ALTERA的其他芯片也有差别,64,单芯片串行主方式配置电路,65,配置过程,配置过程PORRESETSTAGECONFIGSTAGEINITSTAGEUSERMODE,66,专用配置引脚,67,68,69,70,71,时序图,72,出错情况,nSTATUS指示CONFIG-DONEINIT-DONE,73,模式选择,74,多芯片主方式配置电路,75,单芯片从方式,76,多芯片从方式,77,从方式时序图,78,JTAG简介,一种测试技术IEEE1149.1信号TDITDOTMSTCKFPGA配置是JTAG的一种应用，广泛使用在FPGA调试阶段,79,80,单芯片JTAG配置电路,81,JTAG配置时，专用配置信号接法,82,多芯片JTAG配置,83,配置芯片配置与JTAG配置的关系,84,附加功能,手动/自动编程DONE的指示,85,配置芯片本身的编程(主方式),86,从方式(配置芯片本身有JTAG接口),87,数据手册的阅读,88,数据手册,为什么要读数据手册(datasheet)?芯片资料:datasheetapplicationnote(应用注释)referencedesign(参考设计)errata(改错)来源:芯片厂家网站，技术支持,89,datasheet的内容,feature(特征)diagram(功能框图)pindiagram和pindescription(引脚图和引脚说明)description(功能说明)operationmode(工作模式)registerdescription(寄存器说明),90,datasheet的内容(续),functionaltiming(功能时序)typicalapplication(典型应用)electricalcharacteristics(电气特性)orderinginformation(订货信息)packageinformation(封装信息)pcblayout(pcb设计说明),91,feature,功能和性能的主要特性的列表快速判断芯片是否基本符合要求注意:功能和性能符合的标准时钟速度工作电压、功耗和管脚兼容性引脚数、封装,92,93,diagram和pin,diagram:了解芯片的基本工作原理pindiagram和description具体管脚的功能和设计使用方式设计元件的信息来源注意管脚的电平注意各种电源及作用范围,94,95,96,97,description和register,description:实际设计的依据，正确的原理图设计和调试的基础register:主要是软件设计的信息。有时，在description等信息不完全明确时，可以参考。functionaltiming:比较复杂的功能和信号间关系，需要用时序图方式说明,98,Functionaltiming例子,99,typicalapplication,典型的用法和配置电路，对设计有重要的参考价值,100,electricalcharacteristics,AbsoluteMaximumRatingsRecommendedOperationConditionsD.C.CharacteristicsA.C.TimingCharacteristics,101,AbsoluteMaximumRatings,Maximumratingsaretheworst-caselimitsthatthedevicecanwithstandwithoutsustainingpermanentdamage.Theyarenotindicativeofnormalmodeoperationconditions.,102,RecommendedOperationConditions,Electricalparametersareguaranteedonlyovertherecommendedoperatingtemperaturerange.注意注释,103,D.C.Characteristics,主要是输入/输出电压、电流、引脚电容等注意各项参数的注释、有效条件和有效范围,104,A.C.TimingCharacteristics,各种信号之间的时序关系，主要是建立时间和保持时间复杂、设计的必备信息有时序图和大量的注释信息与管脚说明等结合,105,时序图,106,107,orderinginformation,厂家的元件型号表达:芯片种类封装形式速度等级温度等级包装方式有可能需要自行组合,108,orderinginformation例子,109,packageinformation,元件外形和机械尺寸信息，是设计PCB的必要信息,110,pcblayout,如何设计PCB的要求和说明，对成功的电路设计有重要意义,111,Applicationnote,针对一些具体功能和应用的说明和例子，包括:一些特定的要求和元器件组合使用的注意事项和经验例子ApplicationNote1401DP83848Single10/100Mb/sEthernetTransceiverEnergyDetectModeApplicationNote1402DP83848-Single10/100Mb/sEthernetTransceiverInitializationDuring