前言

次對(duì)PCB設(shè)計(jì)心生敬畏是在2000年年底，我加入了硅谷的一家寬帶通信芯片公司Centillum Communications，
作為一名硬件設(shè)計(jì)工程師，主要的職責(zé)是支持大客戶(hù)(Lucent、Cisco、NEC以及后來(lái)
的華為、中興、UTStarcom等公司)，所謂支持
就是根據(jù)這些客戶(hù)的規(guī)格要求，我們自己設(shè)計(jì)好能安裝在他們的機(jī)箱里就可以直接工作的Turnkey(俗稱(chēng)交鑰匙)解決方案。雖然在此之前我已經(jīng)有了若干年的硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)的板子已經(jīng)不下50種，但是次(剛加入團(tuán)隊(duì)一個(gè)月，項(xiàng)目還是其他同事設(shè)計(jì)的)跟朗訊(Lucent)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)面對(duì)面地討論還是被驚到了，電路設(shè)計(jì)沒(méi)提多少，被質(zhì)問(wèn)多的
是原理圖設(shè)計(jì)的規(guī)范性； 系統(tǒng)如何安裝、調(diào)試； 項(xiàng)目的進(jìn)度、流程、產(chǎn)品的可升級(jí)、可維護(hù)性； 等等。1小時(shí)的會(huì)議結(jié)束，我頓感自己的硬件設(shè)計(jì)能力幾乎為零，必須從頭開(kāi)始學(xué)起，回到公司立刻打開(kāi)老板在我剛?cè)肼殨r(shí)發(fā)給我的硬件設(shè)計(jì)規(guī)范文檔，逐條逐行地閱讀、學(xué)習(xí)。

后來(lái)三年的硬件設(shè)計(jì)都是在跟大客戶(hù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的過(guò)程中度過(guò)的，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品中的PCB設(shè)計(jì)(僅原理圖電路設(shè)計(jì))也積累了很多心得和感悟。

2006年轉(zhuǎn)行做服務(wù)電子工程師的專(zhuān)業(yè)媒體與非網(wǎng)，雖然徹底告別了自己動(dòng)手畫(huà)PCB原理圖的工作，但卻從更多的層面接觸到了行業(yè)里更多的硬件設(shè)計(jì)人員，尤其是4年前我們硬禾實(shí)戰(zhàn)營(yíng)做硬件實(shí)戰(zhàn)培訓(xùn)，陸陸續(xù)續(xù)有300多名學(xué)員跟著我們學(xué)習(xí)PCB設(shè)計(jì)和FPGA編程，他們有在校的學(xué)生、研究生，也有工作了幾年的工程師、高校教師。通過(guò)電子森林微信公眾號(hào)和一系列與硬件相關(guān)的微信交流群，我們結(jié)識(shí)了上萬(wàn)的行業(yè)工程師朋友，跟他們的交流讓我更深刻地感覺(jué)到有必要把我當(dāng)年做硬件研發(fā)時(shí)期的心得和感悟分享出來(lái)。

2018年下半年，我們?cè)谀�爾吧在線視頻平臺(tái)上開(kāi)設(shè)了30節(jié)PCB設(shè)計(jì)的視頻課程，算是對(duì)十幾年前工作的一個(gè)粗線條的總結(jié)
，雖然課程本身獲得了很多工程師的認(rèn)可，但總覺(jué)得次的視頻課程做得太粗糙，也不夠系統(tǒng)，有些地方不夠準(zhǔn)確，因此總希望有時(shí)間能再更新一版。

要說(shuō)起和清華大學(xué)出版社的緣分還是很深的，與非網(wǎng)創(chuàng)辦時(shí)的辦公場(chǎng)地就
和清華大學(xué)出版社在同一棟樓上清華科技園的學(xué)研大廈，在與非網(wǎng)的成長(zhǎng)中跟清華大學(xué)出版社有過(guò)非常緊密的內(nèi)容合作，得到了清華大學(xué)出版社的大力支持。這次的PCB設(shè)計(jì)視頻課程又得到了清華大學(xué)出版社
計(jì)算機(jī)分社的策劃編輯楊迪娜女士的認(rèn)可，她建議我可以出版一本針對(duì)PCB初學(xué)者的指導(dǎo)性教程，將我當(dāng)年做產(chǎn)品研發(fā)的一些體會(huì)融合進(jìn)去，從而讓初學(xué)者入門(mén)時(shí)就能夠?qū)Ξa(chǎn)品化設(shè)計(jì)有一些正確的認(rèn)識(shí)，盡可能避免未來(lái)研發(fā)中走彎路。
本書(shū)的由來(lái)就是如此。
下面再來(lái)說(shuō)說(shuō)本書(shū)的定位以及在本書(shū)中試圖傳達(dá)的幾個(gè)要點(diǎn)。

1. 硬件工程師的主要職責(zé)： 電路設(shè)計(jì)而不是工具的使用

自入行做技術(shù)以來(lái)近30年，我的體會(huì)就是技術(shù)領(lǐng)域的變革速度越來(lái)越快，產(chǎn)品日新月異，設(shè)計(jì)工具層出不窮，
令人應(yīng)接不暇，以后的節(jié)奏只會(huì)更快。應(yīng)對(duì)變化好的方式就是掌握其核心的東西，對(duì)于硬件設(shè)計(jì)工程師來(lái)講，核心的就是電路設(shè)計(jì)，不能淪為只會(huì)熟練使用工具的器材黨。在技術(shù)交流群里經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到有人講： 我只會(huì)用PADS畫(huà)板子AD
（Altium Designer）的快捷鍵我用得多快等。我個(gè)人覺(jué)得這都是一些表面技能，沾沾自喜于這些技能的工程師一般都把注意力放在了工具的操作上，而忽略了核心的電路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)的規(guī)范化、硬件的設(shè)計(jì)流程等更重要的點(diǎn)上。

在變化的世界里我們需要具備的一項(xiàng)能力就是觸類(lèi)旁通，今天你用哪款設(shè)計(jì)工具學(xué)習(xí)PCB設(shè)計(jì)
不重要，在未來(lái)的工作中大概率會(huì)用其他的工具，你要做到在2小時(shí)甚至更短的時(shí)間內(nèi)切換到你不曾用過(guò)的新的設(shè)計(jì)工具中去。我們必須要有這個(gè)能力，而具備這個(gè)能力的方式就是淡化針對(duì)某項(xiàng)工具的掌握。

因此在這本書(shū)中，除了用開(kāi)源的設(shè)計(jì)工具KiCad為例做一些功能的介紹以外，盡可能做到所講解的內(nèi)容跟設(shè)計(jì)工具無(wú)關(guān)，
即我們講述的這些要點(diǎn)在任何一個(gè)工具中(AD、PADS等)使用都是一樣的，這些是獨(dú)立于工具之外的技術(shù)核心點(diǎn)。

2. 好的電路設(shè)計(jì)工程師一定要學(xué)好電磁場(chǎng)理論
經(jīng)常有人問(wèn)： 我怎樣才能成為一個(gè)好的硬件工程師？怎么別人設(shè)計(jì)電路、調(diào)試板子這么輕松，而我就死活不入門(mén)？問(wèn)題出在哪里？對(duì)于這些朋友我一般建議他們結(jié)合電路中遇到的一些問(wèn)題再去好好復(fù)習(xí)一下電磁場(chǎng)理論。原理圖上的電路都是基于元器件特性的理想化的電氣連接，而當(dāng)你把器件安裝到PCB上的時(shí)候，出現(xiàn)的稀奇古怪的各種現(xiàn)象幾乎都是電、磁和它們的相互作用在作怪了，例如干擾、噪聲、交調(diào)、信號(hào)完整性、EMC等，終你必須放在電磁場(chǎng)的大環(huán)境下來(lái)分析才能解決問(wèn)題。

作為一本入門(mén)級(jí)的教程，對(duì)于PCB上電路性能的分析可能不夠深入，需要工程師朋友們自己去翻看電路原理、電磁場(chǎng)理論方面的基礎(chǔ)教程去學(xué)習(xí)和思考，當(dāng)然學(xué)會(huì)一些設(shè)計(jì)仿真軟件的使用也是非常有幫助的，遇到問(wèn)題就結(jié)合這些理論來(lái)進(jìn)行分析、總結(jié)會(huì)讓你的設(shè)計(jì)技能更有效地提升。
3. 電路設(shè)計(jì)是綜合能力的體現(xiàn)

我們工程師的職責(zé)就是根據(jù)項(xiàng)目的需求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的所有功能、性能以及成本等方面的需求。這涉及很多環(huán)節(jié)，考驗(yàn)的是綜合技能，越是靠前的環(huán)節(jié)影響越大，因?yàn)榍懊娴臎Q策一旦出差錯(cuò)，后面的所有工作都是白做。PCB設(shè)計(jì)
從字面上理解起來(lái)只是一個(gè)具體的執(zhí)行過(guò)程，而前期的決策和方案制訂、器件選型、器件關(guān)鍵信息的提取等也是尤其重要的，這需要我們提高對(duì)新產(chǎn)品的敏感度，專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)的閱讀能力，有效信息的快速提取，社會(huì)資源的整合能力等。因此本教程花了大量的篇幅介紹這些部分，反而原理圖的繪制、PCB的布局布線等內(nèi)容占比并不大。是的，這是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，我們必須對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)都高度重視。

4. 規(guī)范化設(shè)計(jì)思維的養(yǎng)成
在培訓(xùn)學(xué)員的過(guò)程中，我一再?gòu)?qiáng)調(diào)： 任何設(shè)計(jì)首先是給別人看的，因此設(shè)計(jì)出來(lái)的元器件庫(kù)、原理圖、布局、布線都要先讓別人憑著直覺(jué)就能看得懂； 其次是讓機(jī)器(設(shè)計(jì)工具軟件)能看得懂，不產(chǎn)生誤讀； 后是自己將來(lái)隨時(shí)
隨地都能看得懂。不能讓別人憑直覺(jué)一下子就能看懂的設(shè)計(jì)是個(gè)失敗的設(shè)計(jì)。

因?yàn)樵谌魏我粋�(gè)公司、實(shí)驗(yàn)室，做任何一個(gè)產(chǎn)品，大概率都是一個(gè)團(tuán)隊(duì)一起做，不是你一個(gè)人來(lái)搞定所有的事情。你負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)，操作工具熟練的Layout工程師幫你布局、布線； 焊接工程師按照你的原理圖和物料清單（BOM）幫你焊接元器件； 軟件工程師基于你提供的原理圖編寫(xiě)操作GPIO的程序； 采購(gòu)人員要根據(jù)你提供的BOM進(jìn)行元器件的采購(gòu)、備料； 其他項(xiàng)目組的同事需要參考你的設(shè)計(jì)……無(wú)論未來(lái)你職位的調(diào)整還是項(xiàng)目的變動(dòng)，你的設(shè)計(jì)隨時(shí)可能由其他同事接手。

因此規(guī)范化設(shè)計(jì)是我們硬件工程師，尤其是能力優(yōu)秀的設(shè)計(jì)工程師必須
要做到的基本功。如果堅(jiān)持用你自己的風(fēng)格，你的設(shè)計(jì)只有你自己才能看得懂，無(wú)論你的電路設(shè)計(jì)能力有多強(qiáng)，在一個(gè)團(tuán)隊(duì)中你的貢獻(xiàn)可能是負(fù)的。
5. 時(shí)間成本

在一個(gè)企業(yè)里什么值錢(qián)？做過(guò)真正產(chǎn)品的工程師一定都會(huì)同意是時(shí)間。無(wú)論企業(yè)投資多大，無(wú)論你們的團(tuán)隊(duì)多么
努力，無(wú)論你們的技術(shù)能力有多強(qiáng)，如果你的產(chǎn)品上市時(shí)間晚于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手哪怕一天，這一切的無(wú)論都變得沒(méi)有意義。對(duì)于企業(yè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品來(lái)講，就是要不惜一切代價(jià)搶在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手前面推出有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

在我們的研發(fā)過(guò)程中，要時(shí)刻記住時(shí)間的重要性，有時(shí)不惜花費(fèi)一切代價(jià)也要換取時(shí)間，這體現(xiàn)在一點(diǎn)一滴的項(xiàng)目執(zhí)行細(xì)節(jié)中，要有正確合理的開(kāi)發(fā)流程； 一個(gè)新產(chǎn)品從概念到成型，多不能超過(guò)三次打板； 不要貪圖幾百塊錢(qián)的便宜到淘寶或者不明來(lái)歷的貿(mào)易商那里去購(gòu)買(mǎi)廉價(jià)的元器件，買(mǎi)到一個(gè)假貨可能導(dǎo)致幾天乃至幾周的調(diào)試?yán)速M(fèi)； 在學(xué)習(xí)一些有價(jià)值的課程方面舍得投資，即便學(xué)到一個(gè)有用的知識(shí)點(diǎn)，就可能避免你項(xiàng)目中的一個(gè)大坑，從而避免多打一次板的時(shí)間浪費(fèi)。

6. 通過(guò)實(shí)際的項(xiàng)目體驗(yàn)?zāi)�擬、數(shù)字混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)
說(shuō)得再多，都是書(shū)面的東西，我一直強(qiáng)調(diào)要?jiǎng)邮�、�?shí)戰(zhàn)，只有在實(shí)際的項(xiàng)目中才能充分體會(huì)到書(shū)本上所有的知識(shí)和技能點(diǎn)。在本書(shū)中我特意為讀者設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合性的實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目制作一個(gè)低成本的DDS任意信號(hào)發(fā)生器，并以KiCad為工具帶著大家從項(xiàng)目需求開(kāi)始到終調(diào)試、測(cè)試完成整個(gè)流程。雖然看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但涉及模擬電路、數(shù)字電路、電源變換、接口協(xié)議、控制邏輯、軟硬件協(xié)同等領(lǐng)域，通過(guò)自己的設(shè)計(jì)操作讓這些功能模塊都能如期工作起來(lái)并達(dá)到設(shè)定的性能指標(biāo)。這樣不僅可以熟練掌握PCB的設(shè)計(jì)流程、每個(gè)環(huán)節(jié)的要點(diǎn)，更重要的是對(duì)硬件系統(tǒng)有了更深刻的理解，真正做到了電路設(shè)計(jì)。
蘇公雨