原理图设计
1. 概述
在完成硬件设计方案评审后，接下来可以进行原理图设计。硬件电路原理图设计标志产品设计阶段的开始，也是消耗时间比较长的阶段。
电路原理图可以说是智能硬件产品的构架和灵魂，只有通过不断修改、完善电路原理图，最终确定原理图设计，达到产品的定型，才能为PCB元件布局和布线做好准备工作。
2.EDA简介&常用工具
2.1 EDA简介
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automatic）的简称。是以计算机为工作平台，融合了计算机技术、应用电子技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。
利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。
EDA的概念或范畴很宽，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路原理图设计。
2.2 常用工具
产品在硬件设计阶段的任务主要由硬件工程师完成。就原理图设计工作来说，离不开高效顺手的设计工具，下面简单介绍国内的硬件技术工程师比较常用的三款电路设计软件。
01 Protel/Altium Designer
Altium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件使电路设计的质量和效率大大提高。
之所以在这里列出Protel，是因为Protel 99SE是个非常经典的版本，很多老工程师对Protel情有独钟。但Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，还综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，下图为Altium Designer的启动后界面。
02 Cadence
Cadence软件是一个功能强大的系统工具，包括很多功能模块，如原理图输入，数字、模拟及混合电路仿真，FPGA可编程逻辑器件设计，自动布局、布线，印刷电路板图及生产制造数据输出，MCM电路版图设计，以及针对高速PCB板MCM电路的信号完整性分析等。
从前到后提供了完整的输入、分析、版图编辑和制造的全线EDA辅助设计工具。据统计60%的电脑主板40%的手机主板都是Cadence画的，可见它的市场占有率非常高。下图是Cadence的原理图设计工具Design Entry CIS的启动后界面，可使用此工具进行原理图设计。
03 PADS
PADS软件是MentorGraphics公司的电路原理图和PCB设计工具软件。该软件是国内从事电路设计的工程师和技术人员主要使用的电路设计软件之一，也是PCB设计高端用户最常用的工具软件。
PADS包括PADS Logic、PADS Layout和PADS Router。原理图设计中使用PADS Logic。是个界面友好、操作简便、功能齐全的原理图设计环境。它提供了元器件库管理、多页/层次式原理图设计、原理图符号创建向导、元器件与网络的浏览和检索、物料清单（BOM）输出、PCB设计规则定义及网表输出等全方位的功能。
PADS Logic还可以同PADS的PCB环境紧密集成，实现原理图于PCB的同步设计。下图是PADS Logic原理图设计工具的启动界面。
除了上述介绍，还有其它电路集成设计软件可以选择，网上能够查到相关介绍资料，对于不同的软件工程师们之间也存在功能比较与争论。个人的观点是，对于使用不同原理图设计软件，在能满足设计要求的前提下，建议根据技术人员对软件的熟练程度，或者公司原理图文件存档格式的要求进行选择。
不同软件之间文件可以进行转换，但转换后应仔细检查，注意原理图设计细节不能丢失，要保证原理图的准确性，当然最好使用同一种软件，便于工程师之间设计工作的协同及交接。
3.设计流程
原理图的设计流程一般包括以下几部分：
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3.1关键电路的设计验证
通常硬件原理图设计完成后会进行Layout、PCB打样、元件焊接、电路调试，从而验证电路设计的正确性，但我们知道这个周期较长。为了提高效率，降低硬件电路设计过程中的不确定性，可以在原理图设计前对关键单元电路进行测试验证。
测试验证主要有两种方式：一种是使用电路设计仿真软件，比如Multisim，利用元件模型搭建好电路，再配合软件中的示波器、信号发生器、万用表等工具来验证电路的功能是否符合预期设计；另一种是使用面包板和元件实物搭建待验证的电路，通过实际测量关键参数和波形来验证电路的准确性。这部分涉及的电路验证与测试是可选择的步骤，在对设计电路存在较大不确定性的情况下进行，建议在硬件设计方案确定后，原理图设计前进行。
3.2设置原理图设计环境
创建好项目工程后，就可以新建原理图文件，通常软件系统会自动给出默认的图纸相关参数，但对于多数电子设计工程师，这些默认的参数不符合要求。这时需要重新设置原理图的设计环境，包括但不限于图纸规格、模板，操作界面和栅格等设置，像图纸的大小要根据设计对象的复杂程度重新定义。
对于相对简单的电路，可选择在一张图纸内设计，在设计前应确定好图纸大小。虽然在设计过程中可以更改图纸的大小和属性，但需要重新对元件进行布局，甚至重新走线，良好的设计习惯有助于提高效率。此外，栅格设置包括捕获栅格、可视栅格、电气栅格几种类型，合理设置好参数对放置元件、电气连接等设计操作会带来极大的方便。
补充说明，图纸结构包括平行结构和层次结构，比较复杂的硬件原理图，如果一张图纸不够，就多张图纸绘制，使用网络标号进行不同图纸间的电气连接。这种设计是平行结构，工程复杂会生成多张图纸，这对图纸管理很麻烦。复杂硬件建议采用层次原理图设计，能很好解决这个问题，层次原理图包括自顶向下或自底向上的设计，多个图纸间通过跨图纸接口（off-sheet connectors）实现电气连接。
3.3制作元件库
电子元件的种类非常多，厂家也不断发布新的元件和芯片，虽然可以在原厂的官方网站上下载对应的元件库，但难免还会有元件没有对应的元件库收录的情况，或者已有的元件库不符合设计者的使用习惯。比如一颗比较复杂处理器芯片，像硬件系统使用的主控MCU，管脚数量非常多；或者有的集成芯片由多个相同部分组成，像集成运算放大器，里面包含几个功能完全相同的放大器。
为使原理图中画线清晰和方便布局美观等因素，对于上面提到的情况，设计工程师通常在元件库中将其拆分为几个部分，并标识为Part A、Part B、Part C等，这几部分共同组成一个元件。这时需要设计者重新绘制这些元件的原理图符号，添加到元件库，并最终将其应用于电路原理图的绘制过程之中。
特别说明，一个优秀的硬件设计工程师，要具备制作、积累、整理元件库的习惯，每次完成新项目的硬件设计，都应把新增的元件更新到元件库中，为日后的设计提高效率。
3.4电路图整体构思与布局
原理图绘制首先要在设计图纸中放置项目中使用的元件，不过在摆放元件前，设计人员需要根据电路功能，大致地估计元件的位置和分布。如果元件随意摆放，会给后期方案调整带来一定的困难。比如要更换电源芯片，将LM2596更换为TPS5430，只需调整电源部分原理图，而不必修改电路图其他部分。如果没有提前规划好元件摆放位置，会导致其它元件位置也要调整，重新绘制。
元件布局是绘制原理图最关键的步骤，虽然在相对简单的电路图中，即使没有对元件合理布局，最终也能成功完成元件间的电气连接，但是在设计较为复杂的电路图时，元件布局是否合理，原理图的层次设计是否清晰，将直接影响原理图的绘制效率和原理图的外观是否清晰简洁，较差的设计会降低原理图的可读性，关于这点在设计规范中会有说明。
3.5电气连接与注释
元件布局完成后，要对原理图内放置的元件进行电气连接。这里提到的电气连接可以是引脚间的导线、导线间的结点，或者地址、数据总线及其分支线。通常在比较大型的硬件电路设计中，原理图的走线并不多，更多的时候是使用网络标号来代替直接的线路连接。这样既能实现电路的电气连接，又可以避免使整个原理图由于过多的走线显得杂乱无章。
与软件设计中的代码注释类似，原理图的关键部分同样要放置注释，这样做可以使电路图功能更加清晰，增强可读性，比如拨码开关的不同组合方式，能设置硬件系统的不同启动方式，可以将这个功能以表格的方式放置在启动电路旁进行说明，良好的注释是一个合格的电路设计人员所必须具备的素质之一。
3.6编译与检查
原理图设计的目的是为了后续PCB设计，可以说是底层建筑。在生成网络表导入到PCB前，必须要保证原理图的正确性，所以绘制完原理图后，要进行原理图的编译与检查，避免错误。比如原理图中元件标识位不能相同，要进行元件标识重复检查。
有时候两个网络标号名字相同，但是却没有连接上，这样导入到PCB图时，就不会有线连接；还有不允许有悬浮网络出现等，这些错误检查都可以在工程设置中，错误报告中进行规则设置，设置完成后进行编译，在Message窗口会显示报错内容，双击某项报错，可以跳转到原理图相对应的位置进行检查、校对。
3.7关于规则规划
这里的规则是指PCB布线规则，这个规则既可以在原理图设计完成后，在原理图中设置，也可以在PCB布线环境中设置。包括电源和地线的线宽、差分线走线、信号等长走线等规则。但要注意原理图和PCB中的规则设置应保持一致。
4.设计规范
4.1原理图的可读性
通常提到可读性，常常想到的是代码有可读性的说法，作为硬件设计工程师，原理图也有。因为在很多时候原理图不仅仅是给自己看的，也会给其他同事看，如果可读性差，会带来一系列沟通问题，可读性至少要从以下几个方面考虑。
文件命名
应规范原理图文件的命名规则和公司图纸的设计模板，文件的命名建议包含以下信息：项目名称、版本号、图纸完成日期，如JK01_V1.0_20210124。图纸设计模板建议包含的信息为：项目名称、图纸尺寸、图纸版本、设计人、审核人、完成日期等信息，如果是多张图纸要有图纸的编号信息，也可以加入自己公司的Logo。
元件布局
尽量将各功能电路模块化，以便于相同硬件方案资源共享，可以用线把整张原理图划分好区域，使各功能单元界线清晰，并在各个区域标注功能说明，如：系统电源、功放单元、蓝牙通信、主控MCU最小系统等。
整份原理图布局要合理，元件分布要均衡，避免有些地方很挤，而有些地方又很松。这样能让他人更清晰、更快速地理解整个原理图，同时在调试和维修的时候，也很容易根据问题快速查找对应电路。如果是非常复杂的电路，可参考层次原理图设计的说明。
参数标注
元件库中的元件，应按照元件的datasheet中管脚说明绘制，将所有管脚正确标识出来，不能遗漏或者增加。如果元件有未用的空脚，应使用NC在对应管脚标识，要将全部电源和地管脚显示在元件上，并保证原理图中的元件与封装的引脚编号、数量完全一致，否则后期焊接调试时，封装与元件实物管脚顺序不是一一对应，会导致电路不能正常工作，严重则会烧坏元件。
电源部分应标注输入电压范围、最大输出电流、功率，也可以标注适用的温度范围等，这样能方便别人调试电路的时候，知道输入多大的电压合适，选择多大的负载。对于数字电路中的真值表也建议标注。
常用基本元件的标注，如电阻、电容、电感、磁珠。元件标号应按照标准统一标注，基本原则是使用代表元件的字母+数字编号。代表常用元件的字母，比如电阻使用R、电容使用C、电感和磁珠使用L，还有像二极管、三极管、蜂鸣器、继电器等元件，都能找到标准规定的代表字母，不再一一列举。
元件关键参数标注，比如电阻要标注阻值与精度，电容要标注容量与耐压值，磁珠应标注阻值和对应的频率，每种元件的关键参数不同，要能举一反三。阻值建议直接写成1K，不用102表示；容值建议写成1uF，而不用105表示，减少别人去做这个换算，也能避免非技术人员不会换算。
此外，还要注意标注的一致性，如4.7K欧姆的电阻使用4.7K标注，就不要再采用4K7，4.7k等标注样式。总之，原理图中元件的标注就好像文章的排版一样、字号、样式、颜色、内容都要特别注意。
4.2扩展与调试维修
测试点
测试点通常是圆形的焊盘或者过孔，裸铜的。有几种情况建议增加测试点：像QFP、BGA、QFN这类封装的芯片，引脚很难用万用表或者示波器测量；电路中经常用到的数据通信接口，调试时要实时监控收发数据，验证程序是否按照协议正确执行；另外板内的电源（包括+5V、+3.3V、+1.8V等）与地线这些信号点，也要方便检测维修人员测量排除故障。这时可根据需要在原理图中设置测试点，既方便开发人员调试，也便于产品维修和现场技术人员测量判断。有些调试用的测试点，在产品稳定量产时可以移除。
容错与兼容
在硬件产品设计初期或是产品工期紧急的情况下，有些电路没有足够多的时间去验证接法是否正确，这时可以在设计时预留些电路，来提高整板的容错性。比如主板与外接模块使用串口进行通信，工程师不能确定主板与模块的收发管脚，是RX对RX、TX对TX的接法，还是RX对TX、TX对RX的接法时。这时可以使用四个电阻，通过焊接其中两个电阻进行组合，来实现这两种接法，这样方便调试，避免在电路板上进行飞线。
又如为增加CAN总线通讯的可靠性，总线网络的两个端点通常要加入终端匹配电阻(120Ω)，这时可以在原理图设计中增加针座，通过短路块/跳线帽实现终端电阻的接通与断开。此外，有的原理图中会放置0Ω电阻，这些电阻在调试时可选择焊接与不焊接，能实现不同功能的选择。
防呆
防呆设计简单说是指即使没有相关经验与专业知识，也能直接正确无误地完成操作。通常防呆设计有以下几种思路：
- 如果错误操作就不能执行，比如常见的手机SIM卡设计，它有一个缺角，插反了就插不下去，电脑的内存条也是同样原理，电路中这样的设计有USB座、航空接口。
- 如果错误操作不能正常工作，但不会损坏，比如接口这样定义 GND，+5V，TX，RX，+5V， GND，正、反插都不会造成短路，只是不能正常工作，而且接口数量也会增加；在电路中的电源接口部分，通常会使用防接反二极管，也是为了避免电源接反短路，导致电路板烧毁。
- 无论怎样操作，依然能正常工作，这种我们经常用到的就是手机充电器接口USB Type-C，又称USB-C，有了这种设计，用户不必再区分USB正反面，两个方向都可以插入。
扩展
在很多情况下，产品需求是不断变化的，任何设计如果仅仅针对当前需求，一旦将来需求有改动，又要重新设计，消耗时间和资金。所以在产品设计开始前，很有必要规划预留的引脚、接口电路，方便快速验证原来的设计是否能满足新需求，有新增需求也不必重新改版，直接补焊上元件就能工作。
比如设计中暂时只用到一路串口，为了将来能直接扩展其它设备通信，可以再预留出一路；再比如原设计中采集电路当前只接入五路传感器，可以根据产品规划，额外预留几路接口，有新增信号需要采集时，直接接入新的传感器，只需软件做调整。
模块化设计也是比较好的扩展方式，我们看到很多用于硬件验证的开发板，通常底板设计是通用的，而要验证的核心模块是通过插针或者插槽进行更换的，这样我们只需要一块底板，分别插入不同的模块，就能分别对不同方案进行功能验证。
在硬件的产品设计中，可以使用这种设计思路，将底板、通信模块、读卡模块等功能模块分别设计，可实现自由组合，当对应的方案变更，只需更改相应的硬件，不必修改整个硬件系统。
4.3BOM表归一化
BOM（Bill of Material）表就是物料清单，在原理图设计过程中，尽量减少物料的种类，这样既可以减少采购员工作量，也会在生产上减少很多问题。比如上拉电阻的选择，一个4.7K，一个10K，如果这个阻值影响不大的话，可以考虑都使用10K。
在满足功能设计的前提下，应尽量选择库存中已有的元件，比如要使用的电容为1uF，耐压值是16V，而库存中的电容规格是1uF，耐压值为25V的电容。这时就选择库存中的电容，不必再新增物料。消耗库存原件，降低元件种类，也是降低硬件成本的一种手段。
5.文件输出
5.1原理图设计图纸
不同原理图软件绘制生成的文件格式不同，比如Altium Designer软件绘制的原理图文件扩展名为*.SchDoc，当然也可以转换成PDF格式，前文软件介绍中提到，不同软件间进行原理图转换时，要防止关键信息丢失。
5.2设计图纸BOM清单
列出对应原理图中使用的电子元件、接插件等物料，文件中应至少包含以下信息：元件名称、规格参数、封装、品牌、供应商等信息，如有定制元件要特别注明。
5.3设计更改通知单
如果原理图不是初版，而是在之前版本调试过程中，调整发现的问题，或者进行产品的升级，需要输出此文件进行存档追溯，内容应包括修改原因、修改内容、对于早期版本的处理等信息。
5.4新增元器件清单
如果库存中没有相应元件，需要提交新增元件，并对元件参数、封装、品牌进行描述，提交采购部门联系供应商申请样品或采购少量样品，由设计人员测试验证，通过后可进行批量采购。
本文作者：催爽
发布日期：2021年03月07日
文章版本：V1.0