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印刷电路板设计中的最佳做法

概览
当今，作为消费设备以及工业机器存在的电子产品毫无疑问已经成为我们日常生活中密不可分的一部分。从工厂中的复杂机器到计算机，工程师们已经借助包括小型的、坚固的、价格低廉的、可靠的印刷电路板（PCB）在内的多种技术将他们的思想转化为此类设备的理念。
设计工程师在设计此类设备时，要面对许多困难。其中最显著的问题是在传统的设计流程中，在元件选择、设计以及验证之间，每个阶段是相互分离的。
NI提供了完整的印刷电路板设计平台，其中包括NI Multisim用于原理图设计与仿真的易用性和强大功能，以及集成NI Ultiboard布局和布线环境。NI提供的完整印刷电路板解决方案基于一个平台构建，这个平台利用直观的SPICE分析与可扩展测量接口简化了板级仿真过程。这个印刷电路板解决方案还提供了将印刷电路板设计流程与实际测量整合在一起的独特功能。
在这篇文章中，将要讨论是设计与测量的统一（这个概念也可以称为整合设计与测试），这个方式提供了更好地解决印刷电路板设计、验证以及生产中遇到问题的基础。本文就设计流程进行了概述，并对使用NI Multisim、NIUltiboard以及NI LabVIEW将原理图设计、仿真、布局过渡到制造过程中的最佳做法进行了叙述。

引言
在印刷电路板设计流程中，工程师会经历一系列步骤。这些步骤对于全世界所有的印刷电路板设计、验证以及制造而言都是相同的。
在分析整个印刷电路板设计流程之后，就可以发现影响生产能力的最大障碍在于各个设计步骤之间缺乏整合。传送数据、重复工作、无法有效利用过去的数据等繁琐的任务拖延了时间，降低了电路制作的效率。
有人会提问设计流程中有哪些步骤，步骤之间缺乏整合是如何影响工程师的？我们先来看一下如图1所示的传统流程。

图1：传统设计流程

在印刷电路板设计流程中，实际上共有四个阶段：
1. 元件调查与选择
2. 原理图设计与仿真
3. 板卡布局
4. 检验与验证
图1中所示的砖头墙壁代表在传统设计流程中，阶段之间是相互隔离的。所谓隔离，其含义是在印刷电路板的设计流程中，必须使用不同的应用程序，或是需要为下一阶段手动操纵数据。
过去，步骤2（原理图开发与仿真）与步骤3（板卡布局）是整合在一起的，通常是作为单一企业工具链的一部分。然而，每个印刷电路板设计流程都从元件调查开发，结束于原型验证。这两个阶段是各自分离的，并且与核心设计步骤互不相连。由于在整个印刷电路板的设计中，本身包含大量阶段迭代，因此对于许多工程师而言形成了困扰。缺乏整合就意味着“迭代设计”会变得更为困难，也更加费时。因此，我们的目标是去除这些“砖头墙壁”的隔离，将元件调查于设计以及原型验证阶段连接起来，从而将印刷电路板设计流程整合在一起（见下图2所示）。

图2：整合的设计流程

在本文中，我们将讨论如图2所示的整合的设计流程。您将了解到通过这种方式将传统上隔离的步骤整合在一起，就可以构成最优做法的基础。

元件调查与选择
设计中最为基本的构成部分是物理元件（例如电阻、运算放大器、晶体管以及数字元件）。元件调查与选择要求对元件进行评估，了解各个元件作为设计拓扑中的一部分将如何工作。
关于设备性能的信息可以在许多包含元件数据表的在线资源中获取。数据表包含的信息包括工作点、开关特性、设计注意事项等等。
能够得到数据表的网站包括（但并不局限于以下列表）：
1. DatsheetC
2. 美国模拟器件公司
3. 美国德州仪器公司
4. 安森美半导体公司
大部分元件制造商还在各自的网站上提供数据表。

图3：数据表范例

许多工程师除了数据表上提供的信息之外，希望能够更多地了解元件是如何工作的。第一个也是十分费时的一个方法是购买多种元件，实际构成一个电路原型，研究并分析设备。这个方法需要购买多个设备，并在设计过程的最初阶段进行面包板电路设计。
第二个相对更好的方法是开始将传统印刷电路板设计流程中互相分离的部分整合在一起。可以使用原理图设计与仿真环境，选择设备并对其总体行为进行仿真。这样，无需购买并搭建实际电路，即可评估元件的性能。
举例而言，在NI Multisim中，可以从元件数据库中选择元件，每个元件都带有仿真模型，能够对其工作方式进行可视化。在原理图设计与仿真环境中，可以快速地建立一种设计，进行仿真查看设备的整体工作情况。由于无需搭建实际电路，因此元件选择过程就所需的时间就缩短了。
查看在NI Multisim中可以使用的元件

原理图设计中的最佳方法
原理图设计是设计流程中的根本。原理图设计环境是一个类似CAD的设计界面，可以在环境中放置电路元件（例如运算放大器、电阻、晶体管、处理器等等）的图形标志，将它们连接起来构成设计的拓扑结构（如图4所示）。

图4：原理图设计 

在原理图中，电路设计用标志（使用ASCII标准以及DIN标准的形式表示，并且用导线连接在一起（成为网络）。网络是原理图中第二个最为基本的元素（第一个最为基本的元素是元件），将独立的元件连接起来构成一个实际的设计。
在原理图设计中，首先要选择并放置元件。因此，工程师首先要完成的任务是搜索原理图工具的元件数据库，找到特定的元件。许多传统EDA工具中的数据库组织的比较差，很难方便地进行浏览。在这些工具中，元件选择就会成为设计流程中的障碍。在Multisim中，所有主数据库中的17000个元件都按照逻辑关系进行组织，能够方便地以小组为单位进行浏览。分组反应了设备的类型和功能，因此二极管等元件构成一个分组，而运算放大器则构成另一个不同的模拟元件分组。这种逻辑组织方式与大多数制造商对其元件库分组的方式类似，从而为工程师提供了在过去已经熟悉的直观界面。
在设计流程中，工程师需要不断地浏览数据库，从中搜索并选取元件，并将它们连接在一起放置到设计图中，这样的步骤本质上是比较复杂的。在许多传统的EDA工具中，工程师们很快就会发现：要将元件连接在一起需要频繁地在放置模式与连线模式之间进行切换，以便将新的元件与连接导线放置到合适的位置。在Multisim（图5）中，无模式的操作环境避免了这些繁琐的切换，当鼠标标志靠近管脚或其他接头的时候，就自动允许放置连接导线。这种无需在放置模式之间进行切换就可以快速进行连接的能力大大提高了原理图设计的效率。

图5：NI Multisim原理图设计环境

重要资源
以下资源提供了在NI Multisim中进行原理图设计的更多信息：
1. 高级原理图设计
2. 在NI Multisim中重复常见电路：层次模块
3. 在NI Multisim中自动连接无源元件
4. 在NI Multisim中建立总线向量
5. 如何在NI Multisim中使用滤波器向导

仿真中的最佳做法
在原理图设计中，电路设计者可以利用SPICE和XSPICE等形式的仿真来预测电路的行为，以及分析设计中不同元件和信号的作用。这在现代设计流程中是一个十分重要的步骤，因为它使得在搭建实际物理电路之前，对设备性能进行评估成为可能。可以立刻对一个拓扑设计进行测试，了解是否有必要继续进行修改。因此，进行仿真能够节省时间和金钱。在进行昂贵的原型开发之前，仿真可以帮助更快地发现即便是不常见的问题。
但是，究竟什么是仿真？仿真即数学模型，例如晶体管的数学模型，它能够近似在特定条件下大致接近实际世界中元件的工作情况，对于某些温度或工作状态而言，它是准确的。
1.  通过SPICE仿真基础页面学习更多内容 
2. 了解更多关于在NI Multisim中进行协仿真的信息
模型的精度决定了在仿真环境中得到的结果能够多么接近实际世界的结果，因此会影响工程师对设计的分析。有些双极结晶体管（BJT）、场效应管（FET）以及运算放大器的模型能够精确地预测设备的行为，从而能够有效地反应实际物理世界的表现。这些模型还考虑了多种寄生效应与复杂行为。
传统的EDA工具要求工程师具备关于SPICE（或是它的一种变体）的中级知识，以便有效地对电路行为进行仿真。SPICE是一个基于文本的语言，因此工程师有时需要编写多行代码对设备进行仿真。这点可能要花许多时间，并且也具有相当难度。NI Multisim的图形化特性消除了使用SPICE的困难，为从初学者直至专家级别的工程师提供了简单的仿真接口。
在NI Multisim的原理图设计阶段中，将标准符号（ASCII或DIN）与网络连接在一起。设计中的符号图会立刻在后台建立SPICE代码。这是因为Multisim中的每个符号都与SPICE模型（实际的仿真代码）联系在一起，从而定义了用于仿真的网络列表。网络列表是传递给仿真引擎模拟电路行为的工具。
最有效的仿真方法是迭代式的。将交互式的SPICE仿真与分析结合在一起（如图6所示），工程师就可以系统性地研究设计，探索能够改善电路的修正与改进。

图6：仿真的迭代特性

传统的迭代仿真方法中的最佳做法是：
1. 建立电路原理图。
2. 利用交互式仿真和基于SPICE的仪器驱动电路，并对电路行为进行测量和研究。例如交流电压源、函数发生器、示波器等SPICE仿真仪器能够驱动电路，并将瞬态电路特性进行可视化。
3. 反馈设计流程中电路原理图的修改与改进。
4. 利用交流分析、蒙特卡罗分析以及最坏情形分析等SPICE分析方法，完成高级电路行为的研究。
5. 反馈设计流程中电路原理图的修改与改进。
6. 建立并验证原型电路。
了解更多关于NI Multisim中迭代仿真仪器的信息。
在设计流程中仿真阶段所使用的迭代方法确保工程师能够系统性地发现问题，验证设计行为。如前所述，仿真是一种最佳做法，因为仿真能够使工程师更早地发现设计中的缺陷——在建立实际的原型系统之前。实际原型开发是设计流程中重要而且必须的步骤，这是仅用仿真所无法替代的。但是，仿真确实能够找出通常只能在物理原型开发阶段中才能找出的常见缺陷，从而减少印刷电路板设计的迭代次数。
因此，利用仿真仪器和分析方法，就能够减少错误。

虚拟原型开发
使用NI Multisim以及NI LabVIEW，就能够在一个确保仿真结果与分析有效性的环境中进行设计。仿真最终受到模型是否考虑周全的限制。用于晶体管、开关模式电源以及场效应晶体管（MOSFET）的模型比较复杂，能够在定义的工作区域中，相当精确地模拟电路行为。在迭代仿真和SPICE分析方法中，这些模型使工程师能够根据电路将要使用的工作环境的数学模型对设计行为进行预测。
诸如方波等传统的SPICE源并不一定能够较好地表示为原型系统供电的设备。对于大部分应用而言，电路的激励将不是传统的信号，无法用传统的SPICE周期波形（图7）进行描述。举例而言，函数发生器发生的实际正弦波形可能会含有噪声，从而改变电路响应的方式。因此，如果不在设计流程的后期阶段实际地将设计的原型电路接入到实际的函数发生器或电源中，工程师就无法了解使用实际电源的效果。

图7：仿真信号与实际信号之间的差别

实际效果会对最终设计性能产生很大影响，而这些影响在后期的原型开发阶段之间是无法了解的。这就意味着工程师必须在设计流程中加入更多迭代步骤，以便解决这些问题——这样既费时又费钱。
虚拟原型开发是进行电子设计的高级方法，将采集来自实际信号源的信号存储到测量文件中，并作为电路的激励成为际结果SPICE仿真的一部分。

图8：建立虚拟原型

虚拟原型开发原则使工程师能够基于实际输入的激励，对设计进行仿真，从而建立能够更好的接近电路行为的模型。这种方法有效地将实际的函数发生器或电源，接入到SPICE仿真引擎中去，为工程师提供了进行实际验证，以及更好地理解实际的电路性能的方式。

重要资源
以下资源提供了在NI Multisim中进行仿真的更多信息：
1. 虚拟原型开发：在迭代仿真流程中进行实际验证的高级方法 
2. 在NI Multisim中自定义SPICE仿真选项
3. 在NI Multisim 10中的模拟行为模型源
4. 在NI Multisim中使用测量探针暂停仿真
5. 高级分析技巧：在分析中保存仿真数据
6. 任意SPICE模块元件
7. 使用交互式仪器的Multisim作图器
8.  
布局的最佳做法
在有效地利用原理图设计工具进行设计，并用仿真验证其性能之后，就需要建立实际原型，在其最终将要使用的环境中，对设计的实际性能进行测试。布局通常在CAD环境中完成，在原理图设计中用符号形式表示的元件就会以实际元件物理尺寸的形式进行显示。布局应用程序的最终设计形式将以Gerber格式进行导出，它能够被板卡制造商用于实际板卡表示中。
在布局阶段，实际的集成电路（IC）和元件被放置到板卡上，通过能够导通电流的导线管进行连接，称为铜布线（或者铜导线）。最终必须进行的步骤是定义印刷电路板的板卡外形尺寸（板卡尺寸十分重要，因为这样才能确保板卡能够被机箱、系统或是它将被最终放置以及工作的实际环境所容纳）。
布局流程已经得到EDA行业的增强，包括大量可以自动为工程师对板卡进行布线和布局的高级工具。尽管这些工具得到了改进，工程师还必须使用适当的衡量准则，来决定何时以及如何使用这些自动化工具。特别重要的设备和元素需要更加慎重地对待，这种手动的布局与布线过程对于确保性能而言是十分重要的。因此，作为一个最佳做法，必须利用手动工具确保该部分设计是高效的。自动化工具（例如autorouter）可以将设计中相对不那么关键的部分进行连接。

重要资源
以下资源提供了在NI Ultiboard中进行布局的更多信息：
1. 在NI Ultiboard中重复常见电路
2. 以三维方式查看印刷电路板设计
3. 决定SMD板的数量
4. 布线的最佳做法
5. 从NI Ultiboard中导出Gerber文件

原型开发测试中的最佳做法
原型开发和制造测试是印刷电路板验证中的最后一步。原型测试对于验证设计能否满足最初的规范而言十分重要，而制造测试对于确保每个送给客户的设备都能够满足适当的测试标准而言十分重要。
在原理图设计与设计仿真中，有一些操作被视为能够尽可能降低最终设计成品的缺陷数量的最佳操作。如果在最终设计步骤中，找出了能够在仿真阶段找到的常见错误，那么就花费了不必花费的时间和金钱。这样就需要更多（没有必要的）迭代步骤，以便重新进行设计流程改进发现的缺陷。
原型测试分析印刷电路板的实际行为，将其与设计规范进行比较，并对这些结果进行基准测试。从高层次的角度来看，这个阶段需要测试工程师使用设计者的设计规范，对印刷电路板的性能进行评价（从而对设计是否成功进行评价）。根据这些分析，测试工程师需要与设计者进行沟通，了解是否有必要对板卡进行设计修改，或是是否能够生产板卡投入市场。
一直以来都缺乏设计阶段与测试阶段之间的整合，形成了在整个印刷电路板设计流程中限制生产力和效率的障碍。使用NI Multisim，就可以利用NI LabVIEW这一独立而强大的工具，将过去分离的两个阶段联系在一起。
NI LabVIEW是图形化编程以及虚拟仪器的行业标准，使用这个软件就可以将计算机作为数据采集的测量设备。
将NIMultisim与NI LabVIEW集成在一起意味着能够在PC上，在两个设计阶段之间将测量数据（仿真数据或实际数据）方便地进行传送。为了完成比较的目的，由于能够以本地的文件格式（LVM）将仿真的Multisim数据导出到LabVIEW中去，这种整合就变得十分重要。电路设计的性能（通过仿真获得的结果）可以与实际测量数据绘制在一张图上，从而立刻就能够将实际数据与仿真数据进行比较（参见图9）。LabVIEW能够增量式地加入算法，更有效地查看实际数据与仿真数据，分析比较数据集。

图9：LabVIEW与Multisim整合

通过这种整合，测试工程师能够清楚地回答以下问题：“电路设计是否成功？”。
现在，在设计流程中找出的任何缺陷都可以有效地以迭代方式重新进行设计，从而改进印刷电路板。

重要资源
以下资源提供了关于使用虚拟仪器对设计进行验证的更多信息：
1. 将仿真数据导出到NI LabVIEW
2. Multisim与LabVIEW整合：对LVM数据进行本地读写