前言

次對PCB設(shè)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(shè)計工程師，主要的職責(zé)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(jù)這些客戶的規(guī)格要求，我們自己設(shè)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(jīng)有了若干年的硬件設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計、調(diào)試過的板子已經(jīng)不下50種，但是次(剛加入團(tuán)隊一個月，項目還是其他同事設(shè)計的)跟朗訊(Lucent)的技術(shù)團(tuán)隊面對面地討論還是被驚到了，電路設(shè)計沒提多少，被質(zhì)問多的
是原理圖設(shè)計的規(guī)范性； 系統(tǒng)如何安裝、調(diào)試； 項目的進(jìn)度、流程、產(chǎn)品的可升級、可維護(hù)性； 等等。1小時的會議結(jié)束，我頓感自己的硬件設(shè)計能力幾乎為零，必須從頭開始學(xué)起，回到公司立刻打開老板在我剛?cè)肼殨r發(fā)給我的硬件設(shè)計規(guī)范文檔，逐條逐行地閱讀、學(xué)習(xí)。

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

2006年轉(zhuǎn)行做服務(wù)電子工程師的專業(yè)媒體與非網(wǎng)，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(yè)里更多的硬件設(shè)計人員，尤其是4年前我們硬禾實戰(zhàn)營做硬件實戰(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。通過電子森林微信公眾號和一系列與硬件相關(guān)的微信交流群，我們結(jié)識了上萬的行業(yè)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(dāng)年做硬件研發(fā)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(shè)了30節(jié)PCB設(shè)計的視頻課程，算是對十幾年前工作的一個粗線條的總結(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，因此總希望有時間能再更新一版。

要說起和清華大學(xué)出版社的緣分還是很深的，與非網(wǎng)創(chuàng)辦時的辦公場地就
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)的成長中跟清華大學(xué)出版社有過非常緊密的內(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)計視頻課程又得到了清華大學(xué)出版社
計算機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)的一些體會融合進(jìn)去，從而讓初學(xué)者入門時就能夠?qū)Ξa(chǎn)品化設(shè)計有一些正確的認(rèn)識，盡可能避免未來研發(fā)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(dá)的幾個要點。

1. 硬件工程師的主要職責(zé)： 電路設(shè)計而不是工具的使用

自入行做技術(shù)以來近30年，我的體會就是技術(shù)領(lǐng)域的變革速度越來越快，產(chǎn)品日新月異，設(shè)計工具層出不窮，
令人應(yīng)接不暇，以后的節(jié)奏只會更快。應(yīng)對變化好的方式就是掌握其核心的東西，對于硬件設(shè)計工程師來講，核心的就是電路設(shè)計，不能淪為只會熟練使用工具的器材黨。在技術(shù)交流群里經(jīng)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(shè)計、設(shè)計的規(guī)范化、硬件的設(shè)計流程等更重要的點上。

在變化的世界里我們需要具備的一項能力就是觸類旁通，今天你用哪款設(shè)計工具學(xué)習(xí)PCB設(shè)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(nèi)切換到你不曾用過的新的設(shè)計工具中去。我們必須要有這個能力，而具備這個能力的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(shè)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(nèi)容跟設(shè)計工具無關(guān)，
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(shù)核心點。

2. 好的電路設(shè)計工程師一定要學(xué)好電磁場理論
經(jīng)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(shè)計電路、調(diào)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(jié)合電路中遇到的一些問題再去好好復(fù)習(xí)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(dāng)你把器件安裝到PCB上的時候，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)、信號完整性、EMC等，終你必須放在電磁場的大環(huán)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(chǔ)教程去學(xué)習(xí)和思考，當(dāng)然學(xué)會一些設(shè)計仿真軟件的使用也是非常有幫助的，遇到問題就結(jié)合這些理論來進(jìn)行分析、總結(jié)會讓你的設(shè)計技能更有效地提升。
3. 電路設(shè)計是綜合能力的體現(xiàn)

我們工程師的職責(zé)就是根據(jù)項目的需求來進(jìn)行設(shè)計，終實現(xiàn)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(huán)節(jié)，考驗的是綜合技能，越是靠前的環(huán)節(jié)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(shè)計
從字面上理解起來只是一個具體的執(zhí)行過程，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，這需要我們提高對新產(chǎn)品的敏感度，專業(yè)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(nèi)容占比并不大。是的，這是一項系統(tǒng)工程，我們必須對系統(tǒng)中的各個關(guān)鍵點都高度重視。

4. 規(guī)范化設(shè)計思維的養(yǎng)成
在培訓(xùn)學(xué)員的過程中，我一再強調(diào)： 任何設(shè)計首先是給別人看的，因此設(shè)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(shè)計工具軟件)能看得懂，不產(chǎn)生誤讀； 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(shè)計是個失敗的設(shè)計。

因為在任何一個公司、實驗室，做任何一個產(chǎn)品，大概率都是一個團(tuán)隊一起做，不是你一個人來搞定所有的事情。你負(fù)責(zé)電路設(shè)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(jù)你提供的BOM進(jìn)行元器件的采購、備料； 其他項目組的同事需要參考你的設(shè)計……無論未來你職位的調(diào)整還是項目的變動，你的設(shè)計隨時可能由其他同事接手。

因此規(guī)范化設(shè)計是我們硬件工程師，尤其是能力優(yōu)秀的設(shè)計工程師必須
要做到的基本功。如果堅持用你自己的風(fēng)格，你的設(shè)計只有你自己才能看得懂，無論你的電路設(shè)計能力有多強，在一個團(tuán)隊中你的貢獻(xiàn)可能是負(fù)的。
5. 時間成本

在一個企業(yè)里什么值錢？做過真正產(chǎn)品的工程師一定都會同意是時間。無論企業(yè)投資多大，無論你們的團(tuán)隊多么
努力，無論你們的技術(shù)能力有多強，如果你的產(chǎn)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(yè)開發(fā)產(chǎn)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(chǎn)品。

在我們的研發(fā)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(xiàn)在一點一滴的項目執(zhí)行細(xì)節(jié)中，要有正確合理的開發(fā)流程； 一個新產(chǎn)品從概念到成型，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(mào)易商那里去購買廉價的元器件，買到一個假貨可能導(dǎo)致幾天乃至幾周的調(diào)試?yán)速M； 在學(xué)習(xí)一些有價值的課程方面舍得投資，即便學(xué)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?zāi)�擬、數(shù)字混合系統(tǒng)設(shè)計
說得再多，都是書面的東西，我一直強調(diào)要動手、實戰(zhàn)，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(shè)計了一個綜合性的實戰(zhàn)項目制作一個低成本的DDS任意信號發(fā)生器，并以KiCad為工具帶著大家從項目需求開始到終調(diào)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(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，通過自己的設(shè)計操作讓這些功能模塊都能如期工作起來并達(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)計流程、每個環(huán)節(jié)的要點，更重要的是對硬件系統(tǒng)有了更深刻的理解，真正做到了電路設(shè)計。
蘇公雨