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PCB設計流程、規范和技巧──用KiCad設計DDS信號發生器

( 簡體 字)
作者:陳強,蘇公雨類別:1. -> 電子工程 -> 電路設計 -> 其它
譯者:
出版社:清華大學出版社PCB設計流程、規范和技巧──用KiCad設計DDS信號發生器 3dWoo書號: 55381
詢問書籍請說出此書號!

缺書
NT售價: 295

出版日:9/1/2021
頁數:174
光碟數:0
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印刷:黑白印刷語系: ( 簡體 版 )
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(請先登入會員)
ISBN:9787302589372
作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 
(簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證)
作者序:

譯者序:

前言:

第一次對PCB設計心生敬畏是在2000年年底,我加入了硅谷的一家寬帶通信芯片公司——Centillum Communications,
作為一名硬件設計工程師,主要的職責是支持大客戶(Lucent、Cisco、NEC以及后來
的華為、中興、UTStarcom等公司),所謂支持
就是根據這些客戶的規格要求,我們自己設計好能安裝在他們的機箱里就可以直接工作的Turnkey(俗稱“交鑰匙”)解決方案。雖然在此之前我已經有了若干年的硬件設計經驗,設計、調試過的板子已經不下50種,但是第一次(剛加入團隊一個月,項目還是其他同事設計的)跟朗訊(Lucent)的技術團隊面對面地討論還是被驚到了,電路設計沒提多少,被質問最多的
是原理圖設計的規范性; 系統如何安裝、調試; 項目的進度、流程、產品的可升級、可維護性; 等等。1小時的會議結束,我頓感自己的硬件設計能力幾乎為零,必須從頭開始學起,回到公司立刻打開老板在我剛入職時發給我的硬件設計規范文檔,逐條逐行地閱讀、學習。

后來三年的硬件設計都是在跟大客戶聯合開發產品的過程中度過的,對實際產品中的PCB設計(僅原理圖電路設計)也積累了很多心得和感悟。

2006年轉行做服務電子工程師的專業媒體“與非網”,雖然徹底告別了自己動手畫PCB原理圖的工作,但卻從更多的層面接觸到了行業里更多的硬件設計人員,尤其是4年前我們“硬禾實戰營”做硬件實戰培訓,陸陸續續有300多名學員跟著我們學習PCB設計和FPGA編程,他們有在校的學生、研究生,也有工作了幾年的工程師、高校教師。通過“電子森林”微信公眾號和一系列與硬件相關的微信交流群,我們結識了上萬的行業工程師朋友,跟他們的交流讓我更深刻地感覺到有必要把我當年做硬件研發時期的心得和感悟分享出來。

2018年下半年,我們在摩爾吧在線視頻平臺上開設了30節PCB設計的視頻課程,算是對十幾年前工作的一個粗線條的總結
,雖然課程本身獲得了很多工程師的認可,但總覺得第一次的視頻課程做得太粗糙,也不夠系統,有些地方不夠準確,因此總希望有時間能再更新一版。

要說起和清華大學出版社的緣分還是很深的,與非網創辦時的辦公場地就
和清華大學出版社在同一棟樓上——清華科技園的學研大廈,在與非網的成長中跟清華大學出版社有過非常緊密的內容合作,得到了清華大學出版社的大力支持。這次的PCB設計視頻課程又得到了清華大學出版社
計算機分社的策劃編輯楊迪娜女士的認可,她建議我可以出版一本針對PCB初學者的指導性教程,將我當年做產品研發的一些體會融合進去,從而讓初學者入門時就能夠對產品化設計有一些正確的認識,盡可能避免未來研發中走彎路。
本書的由來就是如此。
下面再來說說本書的定位以及在本書中試圖傳達的幾個要點。

1. 硬件工程師的主要職責: 電路設計而不是工具的使用

自入行做技術以來近30年,我最大的體會就是技術領域的變革速度越來越快,產品日新月異,設計工具層出不窮,
令人應接不暇,以后的節奏只會更快。應對變化最好的方式就是掌握其最核心的東西,對于硬件設計工程師來講,最核心的就是電路設計,絕對不能淪為只會熟練使用工具的“器材黨”。在技術交流群里經常會聽到有人講: “我只會用PADS畫板子”“AD
(Altium Designer)的快捷鍵我用得多快”等。我個人覺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計、設計的規范化、硬件的設計流程等更重要的點上。

在變化的世界里我們最需要具備的一項能力就是“觸類旁通”,今天你用哪款設計工具學習PCB設計
不重要,在未來的工作中大概率會用其他的工具,你要做到在2小時甚至更短的時間內切換到你不曾用過的新的設計工具中去。我們必須要有這個能力,而具備這個能力的最佳方式就是淡化針對某項“工具”的掌握。

因此在這本書中,除了用開源的設計工具KiCad為例做一些功能的介紹以外,盡可能做到所講解的內容跟設計工具無關,
即我們講述的這些要點在任何一個工具中(AD、PADS等)使用都是一樣的,這些是獨立于工具之外的技術核心點。






2. 好的電路設計工程師一定要學好電磁場理論
經常有人問: “我怎樣才能成為一個好的硬件工程師?”“怎么別人設計電路、調試板子這么輕松,而我就死活不入門?問題出在哪里?”對于這些朋友我一般建議他們結合電路中遇到的一些問題再去好好復習一下電磁場理論。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,而當你把器件安裝到PCB上的時候,出現的稀奇古怪的各種現象幾乎都是電、磁和它們的相互作用在作怪了,例如干擾、噪聲、交調、信號完整性、EMC等,最終你必須放在電磁場的大環境下來分析才能解決問題。

作為一本入門級的教程,對于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、電磁場理論方面的基礎教程去學習和思考,當然學會一些設計仿真軟件的使用也是非常有幫助的,遇到問題就結合這些理論來進行分析、總結會讓你的設計技能更有效地提升。
3. 電路設計是綜合能力的體現

我們工程師的職責就是根據項目的需求來進行設計,最終實現項目的所有功能、性能以及成本等方面的需求。這涉及很多環節,考驗的是綜合技能,越是靠前的環節影響越大,因為前面的決策一旦出差錯,后面的所有工作都是白做。PCB設計
從字面上理解起來只是一個具體的執行過程,而前期的決策和方案制訂、器件選型、器件關鍵信息的提取等也是尤其重要的,這需要我們提高對新產品的敏感度,專業英語的閱讀能力,有效信息的快速提取,社會資源的整合能力等。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的布局布線等內容占比并不大。是的,這是一項系統工程,我們必須對系統中的各個關鍵點都高度重視。

4. 規范化設計思維的養成
在培訓學員的過程中,我一再強調: 任何設計首先是給別人看的,因此設計出來的元器件庫、原理圖、布局、布線都要先讓別人憑著直覺就能看得懂; 其次是讓機器(設計工具軟件)能看得懂,不產生誤讀; 最后是自己將來隨時
隨地都能看得懂。不能讓別人憑直覺一下子就能看懂的設計是個失敗的設計。

因為在任何一個公司、實驗室,做任何一個產品,大概率都是一個團隊一起做,不是你一個人來搞定所有的事情。你負責電路設計,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操作GPIO的程序; 采購人員要根據你提供的BOM進行元器件的采購、備料; 其他項目組的同事需要參考你的設計……無論未來你職位的調整還是項目的變動,你的設計隨時可能由其他同事接手。

因此“規范化”設計是我們硬件工程師,尤其是能力優秀的設計工程師必須
要做到的基本功。如果堅持用你自己的風格,你的設計只有你自己才能看得懂,無論你的電路設計能力有多強,在一個團隊中你的貢獻可能是負的。
5. 時間成本最高

在一個企業里什么最值錢?做過真正產品的工程師一定都會同意是“時間”。無論企業投資多大,無論你們的團隊多么
努力,無論你們的技術能力有多強,如果你的產品上市時間晚于競爭對手哪怕一天,這一切的“無論”都變得沒有意義。對于企業開發產品來講,就是要不惜一切代價搶在競爭對手前面推出有競爭力的產品。

在我們的研發過程中,要時刻記住“時間”的重要性,有時不惜花費一切代價也要換取時間,這體現在一點一滴的項目執行細節中,要有正確合理的開發流程; 一個新產品從概念到成型,最多不能超過三次打板; 不要貪圖幾百塊錢的便宜到淘寶或者不明來歷的貿易商那里去購買廉價的元器件,買到一個假貨可能導致幾天乃至幾周的調試浪費; 在學習一些有價值的課程方面舍得投資,即便學到一個有用的知識點,就可能避免你項目中的一個大坑,從而避免多打一次板的時間浪費。

6. 通過實際的項目體驗模擬、數字混合系統設計
說得再多,都是書面的東西,我一直強調要動手、實戰,只有在實際的項目中才能充分體會到書本上所有的知識和技能點。在本書中我特意為讀者設計了一個綜合性的實戰項目——制作一個低成本的DDS任意信號發生器,并以KiCad為工具帶著大家從項目需求開始到最終調試、測試完成整個流程。雖然看起來比較簡單,但涉及模擬電路、數字電路、電源變換、接口協議、控制邏輯、軟硬件協同等領域,通過自己的設計操作讓這些功能模塊都能如期工作起來并達到設定的性能指標。這樣不僅可以熟練掌握PCB的設計流程、每個環節的要點,更重要的是對硬件系統有了更深刻的理解,真正做到了“電路設計”。
蘇公雨
內容簡介:

本書重點講述了PCB 工程設計流程及各個環節的設計要點和設計規范。 以 KiCad 這款免費、 開源, 并
且資源生態日趨強大的 PCB 設計工具為例, 通過一個實際的設計案例制作一款簡易的 DDS 任意信號發生
器, 結合完整的 PCB 設計流程, 以理論結合實際項目的方式, 對 PCB 設計的各個環節作了具體的講述。

書中提到的所有知識和技能要點, 不止針對 KiCad 這一款工具軟件, 對于任何一款PCB 設計工具同樣
適用。 本書詳細講述了如何高效地閱讀數據手冊, 掌握基本的調試技巧, 考慮電磁兼容方面的問題。 此
外, 書中還列舉了一些與 PCB 設計相關的網絡資源和元器件模型庫。

本書適合從事硬件設計的相關技術人員閱讀, 也可以作為電子、 電氣、 自動化設計等相關專業人員的
學習和參考用書, 還可供參加電子設計類競賽或喜歡動手電子制作的學生和技術人員參考。
目錄:

第1章PCB是什么
1.1PCB是做什么用的
1.2PCB上有什么
1.3焊接一塊PCB來體驗一下
1.3.1PCB焊接前的準備
1.3.2PCB的手工焊接流程及基本要求
1.4總結
第2章PCB是怎樣設計出來的
2.1讓計算機來輔助你設計
2.2選哪款設計工具合適
2.2.1選用的一般原則
2.2.2常用的幾款PCB設計工具
2.3掌握一些設計資源會助你事半功倍
2.4安裝一款工具,體驗一下流程
2.4.1KiCad的下載和安裝
2.4.2KiCad的主要功能
2.4.3KiCad的設計流程
2.5總結
第3章設計的核心——電路構成及器件選用
3.1抓住系統構成的核心要點
3.2基本電路理論和公式
3.3系統構成及各部分的工作原理
3.3.1電源
3.3.2傳感器部分——將被測的物理量轉換為電信號,對物理世界
用電信號來表征
3.3.3模擬信號調理
3.3.4數據轉換ADC和DAC
3.3.5數字信號/邏輯處理
3.3.6微控制器/微處理器——智能硬件和物聯網產品的核心
3.3.7網絡通信——物與物之間的連接
3.4元器件的選用原則
3.5元器件選用渠道
3.5.1通過網站平臺,根據型號或關鍵詞進行搜索
3.5.2專業媒體的新產品介紹
3.5.3其他渠道
3.6總結
3.7實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”的制作


第4章電子產品設計流程
4.1從創意到方案設計
4.1.1頭腦風暴
4.1.2方案評估
4.1.3方案設計及器件選型
4.2輔助的設計/驗證工具
4.3PCB的設計
4.3.1邏輯設計——原理圖
4.3.2物理實現——PCB布局、布線
4.4總結
4.5實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”的方案分析及器件選型
第5章會高效閱讀英文數據手冊很重要
5.1數據手冊一定要看英文、正確的版本
5.2英文數據手冊的重要組成
5.2.1首頁都是關鍵信息匯總頁
5.2.2引腳定義信息頁面
5.2.3極限工作條件和推薦工作條件頁面
5.2.4元器件的關鍵性能和各參數之間的關系曲線
5.2.5元器件應用中需要特別注意的地方
5.2.6元器件的封裝信息
5.2.7元器件之間連接的時序圖
5.2.8參考設計的參考
5.3實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”中的元器件數據手冊閱讀要點
第6章每一個器件都由其“庫”來表征
6.1三個環節分別需要的“庫”信息
6.2原理圖“符號”的構成要素
6.3元器件“封裝”的構成要素
6.4元器件“器件信息”的構成要素
6.5元器件庫的幾種構建方式
6.6總結
6.7實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”中的元器件庫的構建
第7章用原理圖來構建電路連接
7.1原理圖是用來干什么的
7.2原理圖構成
7.3什么才是一個好的原理圖
7.4原理圖的繪制流程及要點
7.5總結
7.6實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”的原理圖說明
第8章布局——實際排列位置很重要
8.1元器件布局的核心要點
8.2元器件布局的步驟
8.3總結
8.4實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”的元器件布局
第9章布線
9.1了解PCB制造廠商的制造規范
9.2確定板子的層數并定義各層的功能
9.3設定布線的規則
9.4換層走線及過孔的使用及設置
9.5關鍵信號線走線
9.6布線的一般規則
9.7鋪地/電源
9.8使用PCB散熱
9.9檢查
9.10調整絲印
9.11實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”的PCB布線要點
第10章打板
10.1PCB和PCBA
10.2PCB制板工序
10.3需要提供的文件
10.4PCB制板要考慮的因素
10.5工藝參數參考
10.6建議可以PCB打樣的主要廠商
10.7在線估價和下單
10.8實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”的Gerber文件生成
第11章巧婦難為無米之炊——備料
11.1產生BOM和備料的時間點
11.2怎樣才是一個好的BOM
11.3采購流程和原則
11.4采購貨源渠道
11.5實戰項目:“低成本DDS任意信號發生器”中的元器件備料
第12章見證奇跡的時刻——調試
12.1焊接是調試電路板的基本功
12.1.1用熱風槍進行器件的拆卸和安裝
12.1.2使用回流爐
12.2必備的調試工具——測試測量儀器
12.2.1常規的測量四大件
12.2.2口袋儀器
12.3PCB的調試流程
12.3.1制訂調試計劃
12.3.2裸板測試
12.3.3焊接測試
12.4PCB的測試及報告
第13章電磁帶來的“困擾”及對策
13.1“地”的處理
13.1.1設備接“大地”
13.1.2內部信號的模擬地和數字地
13.1.3常見的一些接地方法
13.1.4PCB設計中對地的處理
13.2去耦電容的選用
13.2.1去耦電容的作用
13.2.2去耦電容的選擇
13.2.3電容位置的擺放
13.3多層板的設計要點
13.4高速信號的設計要點
第14章設計資源參考
14.1電子工程師常用資源參考網站
14.2主要元器件制造廠商
14.3PCB設計工具
14.4PCB設計庫資源
14.5電路仿真工具
14.6項目參考網站
14.7開源平臺及提供商
第15章元器件常用原理圖符號和PCB封裝
15.1電阻
15.2電容
15.3電感
15.4按鍵/開關
15.5電源
15.6二極管
15.7三極管
15.8數字邏輯門
15.9集成電路(IC)
15.10獨特的IC:運算放大器和穩壓器
15.11晶體和諧振器
15.12接頭和連接器
15.13電機、變壓器、揚聲器和繼電器
15.14熔絲和PTC
15.15非元器件符號
第16章實戰項目:低成本DDS任意信號發生器
16.1項目需求
16.2項目方案
16.3元器件庫的獲取和構建
16.4原理圖繪制
16.5元器件的布局
16.6PCB布線
16.7生產文件Gerber的生成及檢查
16.8BOM的生成
序: