PCB設計基礎：PCB原型設計到PCB完整設計
本文解釋了原型設計和產品開發在PCB設計流程中的重要性。在解釋了兩個階段之間的區別之后，它繼續描述最適合設計流程每個階段的各種工具。
內容介紹
為什么是原型？
PCB設計流程 - 步驟 1 - 部件研究和選擇
PCB設計流程 - 第 2 步 - 原理圖捕獲
PCB設計流程 - 步驟 2b - 仿真
PCB設計流程 - 步驟 3 - 電路板布局
PCB設計流程 - 第 4 步 - 驗證和驗證
下一步
介紹
盡管 PCB設計流程可以通過多種方式拆分，但最好將其視為具有兩個基本階段：原型設計和產品開發。
原型設計發生在設計的最早階段，涉及單個工程師研究如何定義某個系統或應用程序。這個階段的實驗性質是能夠開發滿足規格的硬件的基礎。設計經過驗證后，可以將其傳遞到設計流程的后期階段（即產品開發）。原型設計階段的最終目標是獲得準確、高效且符合規格的成功產品。您希望通過盡可能少的原型迭代來實現這一點，以最大限度地利用時間和資源。
產品開發是讓PCB為最終應用做好準備。原型已經滿足設計規范（濾波、放大、采集、測量等），現在可以采用該設計并使用最佳設計實踐來實施它。大多數公司都有布局專家，并參與產品開發。在此設計階段，您正在為制造進行開發，因此關注提高產品產量和減少制造重復。
圖 1 - 完整的設計流程
了解這種差異很重要，因為有各種工具最適合PCB設計流程的每個階段。盡管可以使用產品開發板布局專家，但研究人員通常是領域專家。領域專家需要能夠快速進行設計，而不必是原理圖捕獲、仿真或布局方面的專家。
例如，對于原型設計，您需要能夠：
快速定義電路原理圖
您需要使用高級分析技術驗證電路行為
輕松地將原理圖轉移到布局
準確驗證設計的行為
對于PCB設計基礎知識，我們將專注于原型設計階段，并幫助您（個人設計師）了解有關開發PCB原型的更多信息。
我們可以將上圖所示的原型設計階段（設計 > 原型 > 驗證）分為四個步驟：部件研究和選擇、原理圖捕獲和仿真、電路板布局以及驗證和驗證。
圖 2 - 設計流程
為什么是原型？
原型有六個主要原因：
盡早失敗且代價低：真正的創新總是包含失敗的風險。通過構建原型，您可以快速剔除無效的方法，專注于有效的方法。
收集更準確的需求：幾乎一半的項目成本都歸因于由于需求不足而導致的返工。通過開發工作原型，您可以演示有助于鞏固最終設計需求的功能。
從技術上理解問題：通過開發功能原型，您可以解決設備設計中可預見和不可預見的技術挑戰。然后，當您轉向最終部署的解決方案時，您可以將這些解決方案應用于更優雅的系統設計。
解決沖突： 利用原型設計平臺，您可以快速執行該功能的幾種不同實現，并對結果性能進行基準測試，以分析每種方法的權衡。這可以節省時間，但也可以確保您做出正確的設計決策。
集會資金支持：通過開發原型來證明您的想法的可行性，您可以降低投資風險，從而增加您的想法獲得資金的可能性。
更容易申請專利：雖然不再需要，但原型仍然是證明“減少實踐”的最佳和最安全的方式。此外，專利申請的關鍵組成部分，例如專利圖紙和發明人的日志，可以通過原型設計過程進行開發。
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PCB設計流程 - 步驟 1 - 部件研究和選擇
在設計之前，工程師需要能夠選擇能夠實現電路功能的組件。有許多半導體制造商，包括模擬器件、國家半導體、恩智浦、羅姆、凌力爾特、On Semi 和德州儀器，都生產滿足不同規格的器件。工程師可以通過多種方式研究零件，包括：
半導體性能數據表（可以在datasheetcatalog.com上找到許多數據表
制造商網頁內容；ADI 公司通過他們的評估硬件和軟件頁面提供了許多產品可供評估。
可以下載并用于評估來自該制造商的組件的仿真工具。
PCB 設計流程 - 第 2 步 - 原理圖捕獲
原理圖捕獲包括對元件（電阻器、電容器、放大器、比較器等）進行符號表示，并將它們連接在一起形成一個可視化圖表，可以輕松查看以了解電路的功能。原理圖的目的是從理論角度查看電路的構建塊。
原理圖由元件符號和連線（也稱為網絡）組成。
圖 3 - 原理圖設計
PCB設計流程 - 步驟 2b - 仿真
SPICE仿真是電路元件仿真的行業標準。仿真可用于評估虛擬環境中真實世界組件的行為，從而允許您在PCB設計流程的早期對設計進行高級分析。通過在原型設計的最早階段可視化電路的行為，可以減少錯誤并提高性能。工程師通常會構建其設計的原理圖，然后對其特性進行仿真和可視化。
除了 SPICE，還有其他語言和參數可以模擬電路，包括 PSpice 和 HSpice。
PCB 設計流程 - 步驟 3 - 電路板布局
完成后的原理圖將轉移到電路板布局。原理圖中的每個符號都與一個焊盤圖案相關聯。焊盤圖案直觀地表示 IC 或半導體封裝的物理尺寸。焊盤圖案將組件（例如運算放大器）的符號轉換為 8 引腳矩形封裝。在電路板布局階段，設計被定義為它最終在原型制作時的樣子。這意味著定義電路板輪廓、放置零件、在銅制零件之間創建連接，然后最終導出進行制造。
圖 4 - 電路板布局
PCB設計流程 - 第 4 步 - 驗證和驗證
電路板制作完成后，工程師需要驗證原型的行為。一旦經過驗證，就可以將其移交給產品開發并為制造做好準備。驗證需要對電路板進行測量并確保實際性能滿足模擬性能（或規格）。
圖 5 - 最終設計
豐樂壹博專業PCB設計、PCB Layout、PCBA一站式生產。
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為什么是原型？
PCB設計流程 - 步驟 1 - 部件研究和選擇
PCB設計流程 - 第 2 步 - 原理圖捕獲
PCB設計流程 - 步驟 2b - 仿真
PCB設計流程 - 步驟 3 - 電路板布局
PCB設計流程 - 第 4 步 - 驗證和驗證
下一步
介紹
盡管 PCB設計流程可以通過多種方式拆分，但最好將其視為具有兩個基本階段：原型設計和產品開發。
原型設計發生在設計的最早階段，涉及單個工程師研究如何定義某個系統或應用程序。這個階段的實驗性質是能夠開發滿足規格的硬件的基礎。設計經過驗證后，可以將其傳遞到設計流程的后期階段（即產品開發）。原型設計階段的最終目標是獲得準確、高效且符合規格的成功產品。您希望通過盡可能少的原型迭代來實現這一點，以最大限度地利用時間和資源。
產品開發是讓PCB為最終應用做好準備。原型已經滿足設計規范（濾波、放大、采集、測量等），現在可以采用該設計并使用最佳設計實踐來實施它。大多數公司都有布局專家，并參與產品開發。在此設計階段，您正在為制造進行開發，因此關注提高產品產量和減少制造重復。
圖 1 - 完整的設計流程
了解這種差異很重要，因為有各種工具最適合PCB設計流程的每個階段。盡管可以使用產品開發板布局專家，但研究人員通常是領域專家。領域專家需要能夠快速進行設計，而不必是原理圖捕獲、仿真或布局方面的專家。
例如，對于原型設計，您需要能夠：
快速定義電路原理圖
您需要使用高級分析技術驗證電路行為
輕松地將原理圖轉移到布局
準確驗證設計的行為
對于PCB設計基礎知識，我們將專注于原型設計階段，并幫助您（個人設計師）了解有關開發PCB原型的更多信息。
我們可以將上圖所示的原型設計階段（設計 > 原型 > 驗證）分為四個步驟：部件研究和選擇、原理圖捕獲和仿真、電路板布局以及驗證和驗證。
圖 2 - 設計流程
為什么是原型？
原型有六個主要原因：
盡早失敗且代價低：真正的創新總是包含失敗的風險。通過構建原型，您可以快速剔除無效的方法，專注于有效的方法。
收集更準確的需求：幾乎一半的項目成本都歸因于由于需求不足而導致的返工。通過開發工作原型，您可以演示有助于鞏固最終設計需求的功能。
從技術上理解問題：通過開發功能原型，您可以解決設備設計中可預見和不可預見的技術挑戰。然后，當您轉向最終部署的解決方案時，您可以將這些解決方案應用于更優雅的系統設計。
解決沖突： 利用原型設計平臺，您可以快速執行該功能的幾種不同實現，并對結果性能進行基準測試，以分析每種方法的權衡。這可以節省時間，但也可以確保您做出正確的設計決策。
集會資金支持：通過開發原型來證明您的想法的可行性，您可以降低投資風險，從而增加您的想法獲得資金的可能性。
更容易申請專利：雖然不再需要，但原型仍然是證明“減少實踐”的最佳和最安全的方式。此外，專利申請的關鍵組成部分，例如專利圖紙和發明人的日志，可以通過原型設計過程進行開發。
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PCB設計流程 - 步驟 1 - 部件研究和選擇
在設計之前，工程師需要能夠選擇能夠實現電路功能的組件。有許多半導體制造商，包括模擬器件、國家半導體、恩智浦、羅姆、凌力爾特、On Semi 和德州儀器，都生產滿足不同規格的器件。工程師可以通過多種方式研究零件，包括：
半導體性能數據表（可以在datasheetcatalog.com上找到許多數據表
制造商網頁內容；ADI 公司通過他們的評估硬件和軟件頁面提供了許多產品可供評估。
可以下載并用于評估來自該制造商的組件的仿真工具。
PCB 設計流程 - 第 2 步 - 原理圖捕獲
原理圖捕獲包括對元件（電阻器、電容器、放大器、比較器等）進行符號表示，并將它們連接在一起形成一個可視化圖表，可以輕松查看以了解電路的功能。原理圖的目的是從理論角度查看電路的構建塊。
原理圖由元件符號和連線（也稱為網絡）組成。
圖 3 - 原理圖設計
PCB設計流程 - 步驟 2b - 仿真
SPICE仿真是電路元件仿真的行業標準。仿真可用于評估虛擬環境中真實世界組件的行為，從而允許您在PCB設計流程的早期對設計進行高級分析。通過在原型設計的最早階段可視化電路的行為，可以減少錯誤并提高性能。工程師通常會構建其設計的原理圖，然后對其特性進行仿真和可視化。
除了 SPICE，還有其他語言和參數可以模擬電路，包括 PSpice 和 HSpice。
PCB 設計流程 - 步驟 3 - 電路板布局
完成后的原理圖將轉移到電路板布局。原理圖中的每個符號都與一個焊盤圖案相關聯。焊盤圖案直觀地表示 IC 或半導體封裝的物理尺寸。焊盤圖案將組件（例如運算放大器）的符號轉換為 8 引腳矩形封裝。在電路板布局階段，設計被定義為它最終在原型制作時的樣子。這意味著定義電路板輪廓、放置零件、在銅制零件之間創建連接，然后最終導出進行制造。
圖 4 - 電路板布局
PCB設計流程 - 第 4 步 - 驗證和驗證
電路板制作完成后，工程師需要驗證原型的行為。一旦經過驗證，就可以將其移交給產品開發并為制造做好準備。驗證需要對電路板進行測量并確保實際性能滿足模擬性能（或規格）。
圖 5 - 最終設計
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