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深圳南山、龍崗、寶安地區如何調試自己的PCB設計板

time : 2021-02-26 09:53       作者:凡億pcb

PCB設計好了,送到制板廠加工好了,拿到手,下一步要做的就是“A”(Assembly,安裝元器件)了,也就是我們常說的焊接、調試的過程。這個過程需要具備比較好的焊接能力、對測試測量儀器的正確使用,以及規范化的調試流程,最后還需要對設計的PCB板進行功能和性能方面的測試,并撰寫一份測試報告。我來逐一分解一下:
焊接是調試電路板的基本功
焊接需要一定的基礎手藝;調試需要一定的技能和步驟,對于一個新的項目,二者是結合在一起的,調試、焊接、調試、焊接、調試…..一步一步,直到最后把所有的元器件都安裝完畢,并且板子上的所有功能都得到了驗證。
所以作為一個設計電路的硬件工程師首先要具備一定的焊接能力、一條清晰的調試思路和流程、分析和解決電路板上各種問題的能力。
有工程師說,我們單位有專業的焊接師傅,我只要負責設計就好了,是不是就不用學習焊接了?要知道對于多數新的設計,硬件工程師不可能讓專業的師傅把所有的元器件一次性安裝上、加上電,一切都Ok了,板子上一定會有各種各樣的問題,研發階段的板子一定是一邊焊接一邊調試,如果自己沒有較好的焊接技能,你的調試工作就會受制于各種因素導致項目的工期延誤,你自己的焊接技術不過硬,也會由于虛焊、短路等不起眼的小問題導致一系列的大麻煩。
所以做一個硬件工程師要十八班武藝樣樣精通 - 焊接、烘烤、吹孔、飛線,技術越全面、越精煉,調試中出問題的概率也就越低,調試的過程也就越順暢。
必備的調試工具 - 測試測量儀器
常規的測量四大件
硬件工程師的主戰場就是實驗臺(也就是我們常說的Lab),任務就是要調試(Debug)電路,除了烙鐵、剝線鉗、焊錫、松香、鑷子等等必要的工具之外,占桌面大片面積的,需要多個電源插座的,就是這看起來很高、大、上的用于常規測試測量的4大件工具。
萬用表:它的主要作用就是測量電路的通斷、阻抗、電壓、電流等“歐姆定律”中的參數以及判斷二極管的方向。在電路板不加電和加電運行的狀態下都可以通過萬用表快速地查找到電路板上的問題,尤其是可以通過多個電路板進行參數對比從而迅速鎖定出問題的地方。
直流穩壓電源: 最常用的就是雙路可跟蹤電源(負電壓可以跟蹤正電壓的調節進行電壓的自動輸出調節)能夠給待測電路提供所需要的電壓/電流,電壓的調節可以從0v到比較高,比如25V,調節精度也比較高,能夠精確控制給電路板的供電,其具有短路保護、過流保護(通過設定限定的電流)等功能,電源的紋波非常低。要注意的是電源的輸出端有+、-和GND(通過電源的機殼連接到地球上的“地”)三個端子,你要調節輸出的電壓是在+/-兩個端子上體現出來的,是個相對的電壓值 - 比如5V,而只有將“GND”和“-”端子進行連接,你在“+”端子上得到的電壓值才是相對于地球大地的+5V。
隨著電子產品的小型化、低功耗化,越來越多的產品是通過USB的5V端口給電路板供電,在電路板上通過開關穩壓、線性穩壓的方式產生電路板上需要的多組電壓,因此隨處可及的USB電源端口 - PC的USB端口、電源插排上的USB充電口、手機的電源適配器、充電寶等都可以作為供電電源來使用,但要注意的是不同適配器其能輸出的電流能力是有很大差別的,要確保適配器輸出的功率能夠滿足待調試的板子的供電功率要求,并有一定的余量,否則會導致系統工作不穩定;在適配器和電路板之間的USB連接線是有阻抗的,在供電電流比較大的情況下會在導線上產生比較大的壓降(歐姆定律V = I * R),一定要確保經過了USB線的壓降到達電路板的電壓滿足你板子上對輸入供電電壓的要求;由于USB適配器是從220V的交流電上通過AC-DC開關變換的方式得到穩壓的5V DC,在輸出的5V直流電壓上會有較大的開關噪聲,因此在具體的應用中要確保你選用的適配器上的噪聲不會對板子的性能有影響,不同質量的USB電源適配器的紋波性能差異也很大。
信號發生器(信號源):被用來對待測的電路(DUT)提供一定幅度范圍、一定頻率范圍的激勵信號,有時還要在輸入的信號中添加各種特性的噪聲用以評估被測電路的某些特性。市場上主流的信號源都是通過DDS合成的任意波形發生器,可以方便地設定激勵信號的波形、頻率和幅度,在模擬電路的調試中常用的測量激勵信號為可調幅度/可調頻率的正弦波,在數字電路的調試中常用的激勵信號為可調重復頻率、可調脈沖寬度的脈沖信號。
示波器:可以堪稱我們工程師的眼睛,通過可視化的方式來觀察電路板上任何電信號的電壓或電流隨時間發生的變化,并能夠對各種參數(比如幅度、頻率、上升沿等)進行精準測量,然后根據這些信號的變化來測定電路特性。要用好示波器,首先要深刻理解示波器的幾個關鍵技術指標 — 模擬帶寬、采樣率、存儲深度,并在測量中正確使用探頭。
除了這常規的4大件之外,還有用于頻域測量的頻譜儀、用于看數字邏輯、時序關系的邏輯分析儀、用于網絡通信中的矢量網絡分析儀等等,這些會根據被測對象的需要配置。
口袋儀器:
配備齊以上的儀器設備不僅費用很高,而且占用較大空間、無法便攜,使用起來不夠靈活方便,最近幾年多功能合一、價格低廉的口袋儀器越老越受到工程師、高校師生的歡迎,比如Digilent(被NI收購)的Analog Discovery II、ADI公司的ADALM2000,它們都在手掌大的盒子里集成了示波器、信號源、電源、萬用表、頻譜儀、邏輯分析儀等功能。
儀器領域也在不斷的演進,為了給我們工程師配備更輕便、更清晰、處理能力更強的“眼睛”。當然要用好這些儀器,需要我們對其原理進行深刻的理解,并結合日常的測試體驗,不斷提升自己觀察問題、分析問題的能力,迅速升級為一個優秀的硬件工程師。
深圳南山PCB設計
PCB板的調試流程
有了焊接的基本技能,下面就要講一下PCB板的調試要遵循的步驟和要注意的要點,首先我們來看下面的流程圖:
從這個圖中我們可以將PCB的調試過程分解為三個大的部分:
1 制定調試計劃
這個步驟可以在你發出Gerber文件之后、沒有從PCB廠拿到加工好的裸板之前就可以做的一步,以便你拿到板子就可以開始下一步的工作。所謂的計劃也就是為實際的操作做足準備,因此你要先想清楚要調試、測試的條目、內容;你在調試和測試中必須用到的以及能幫助你加速整個過程的工具、儀器和設備;調試以及測試的步驟等。
對于一個企業、一個項目組,研發的產品基本上就那幾種類型,因此可以由項目負責人或經驗豐富的老工程師制定一個詳細、合理的標準調試模版,并在每一個PCB板的調試過程中不斷豐富、完善,這樣可以覆蓋所有的細節,避免調試過程中遺漏重要的環節從而走彎路等。
2 裸板測試
從PCB加工廠拿到裸板,先不要著急焊接元器件,先要對裸板進行一些基本的測試,確保PCB的設計沒有明顯的問題、PCB加工廠沒有加工方面的問題(主要是精度、工藝引起)。裸板測試最常用的兩個工具 - 自己的眼睛(有時也可以借助放大鏡、電子顯微鏡等)和萬用表。前者可以從物理上檢查一些比較明顯的問題,比如虛焊、短路、過孔、焊盤的孔徑是否合適,器件的封裝是否畫錯等;借助萬用表可以判斷板子上的各組電源和地是否存在短路現象等,如果存在這些問題,但沒有查看,等器件焊接到板子上以后判斷的難度就更高了。
3 焊接調試
到這一步才開始焊接元器件,不要一股腦將所有的器件全部焊接到板子上,這樣會有太多的問題攪在一起,調試的難度呈幾何級數增加。最好的方式是根據電路的屬性來逐步焊接,比如先搞定電源部分,因為整個板子沒有電源供電,其它的電路也無法正常工作,因此可以先將電源部分的器件焊接好,用儀器測試直到電源電路滿足設計要求,各路輸出正常再往下焊接其它部分的電路。
在多數的電路板上,MCU或FPGA都是電路的核心,因此在電源焊接調試完成以后,可以著手安裝和調試處理器部分的器件,確保其各路電壓正確、紋波符合系統要求、時鐘起振且工作頻率正確、燒寫一個簡單的測試程序能通過LED顯示需要的狀態等。
核心的MCU或FPGA電路安裝調試完畢,可以開始折騰模擬信號鏈路的器件,模擬電路一般都是從小信號到大信號,從模擬再通過ADC變換成數字信號,因此我們需要沿著信號流的方向逐級調試,直到整個信號流的每一級在其幅度和帶寬上都能滿足系統設計的要求。這里面要注意的是阻抗的匹配,如果后一級的電路所有的器件都沒有安裝,前一級電路的工作由于阻抗不滿足要求可能導致性能變差,但并不意味著是你電路的問題,你需要在輸出短臨時接一個等效負載。
經驗豐富的硬件工程師在新的項目中一般都會在關鍵的信號處放置一些測試點,以便調試的時候用儀器進行觀察;同時也會在前后級之間放置一些0歐姆的電阻,就如同水閘一樣,焊接上0歐姆的電阻,前后級是連通的,移除掉這個電阻,前后級斷開,這樣前、后級之間不會影響。待調試、性能測試完畢以后做系統優化再做一版終極版PCB的時候,這些測試點和0歐姆的電阻可以拿掉。
在調試的過程中,尤其是高頻電路、小信號模擬電路等,經常出現的問題不是板子上的問題,而是測試的方法不當引起的,要學會用示波器、學會用示波器的探頭,更要清楚地知道示波器的探頭以及其接地端的正確連接點。