电路板的设计流程
总览
①确定规格，首先要确定将要设计的电路板的规格，制作电路板元件的构成表。
②元件的采购。
③电路图制作。
④实际的布线样式设计。
⑤设计制作电路图和设计布线样式中所需要的库。
⑥电路板的3D显示。
⑦使用感光板自行制作（使用感光板自行制作时，需要使用感光板进行蚀刻、清除光膜、钻孔等步骤。需要的工具比较多。），
或⑧委托电路板生产公司制作。
⑨元件的安装。
⑩电路板动作测试。
1.电路板规格
电路板名称
基板名称太长了，有可能没法进行丝网印刷，所以尽量选用简短的名称。
电路板的构成
一块FPGA电路板和一块电源电路板。
在一块基板上同时搭载FPGA电路和电源电路，I/O部分的面积将会缩小，导致无法搭载足够的I/O。
将电源电路区分开后，可以单独对电源电路进行测试。
电路板层数
印刷电路板是将走线样式对齐后，各层间通过垂直通孔连接制作起来的。
eg.计算机的主板一般使用的是4层电路板。
除了可以直接看到的两面的表层之外，内侧还夹有两层，一般集中布置电源、GND等。
布局时，基本上正面走信号线，反面配电源线。
元件也仅安装在单面。
FPGA选型
著名的FPGA厂商有赛灵思、Altera等公司，厂家不同，配置电路也不一样。
外围电路的选定
板上的外围电路与FPGA的用户I/O（用户可以自由使用的FPGA引脚）相连接。
实现逻辑电路的方法
- 用通用逻辑芯片的组合
- 通过LSI技术设计专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）实现
- 用像FPGA（Field-Programmable Gate Array）这样可以通过配置更改内部逻辑的IC实现
CLB（Configurable Logic Block）
由LUT（LookUp Table）和寄存器组成的模块。
逻辑电路由组合逻辑电路和时序逻辑电路组成。而CLB则用于组成这些电路，是FPGA的中心元素。
LUT用于实现组合逻辑电路，寄存器用于实现时序逻辑电路。
内部接线：用来将CLB、IOB、DCM以及块RAM等模块输入输出相连的内部布线。
（所有模块连接到开关矩阵，通过配置切换开关矩阵可以实现任意模块之间的布线）
IOB（I/O Bank）：连接到FPGA用户I/O引脚的模块，可用于切换FPGA引脚的输入输出方向、指定逻辑电压电平高低等。
IOB种类：作为通用输入输出I/O的用户I/O、仅作为输入的INPUT、与配置电路共用的DUAL、参考电压的VREF，以及时钟的CLK。
块RAM：可作为内存使用的区域。容量有数千比特到数兆比特不等。
DCM（Digital Clock Manager）：用作调整时钟的电路，即将输入的时钟信号进行变相、分频（将频率进行n倍变换）输出。
配置电路：存储FPGA内部配置信息的模块；FPGA中由静态随机存储器SRAM组成，切断电源后存储内容会丢失。
2.元件选型
FPGA电路板选用贴片式（安装在电路板表面）元件：在电路板表面铜膜上使用焊锡焊接组装。
电源电路板选用插入式（带引脚）元件：引脚弯曲后插入通孔，从反面用焊锡焊接进行安装。
3.电路设计
设计过程
最先设计②USB-串口转换电路。在此需要参考FPGA和USB-串口转换IC的规格书。
外围电路的设计分为②UART、③LED、④七段数码管、⑤开关、⑥复位电路、⑦时钟、⑧VPort几部分进行设计。
接着设计电源电路。电源电路的设计包括①FPGA的电源部分和⑨电源电路。
下载data sheet(规格书)
开关
正逻辑则开关ON时为高电平，OFF时为低电平。
需要对开关输入信号进行防抖处理。
机械接点的开关在接点接触瞬间会出现反复接、断的现象。
因此，在一次开关按下操作中，却得到多次按下的结果，从而造成误操作。
一种防抖方法是在信号值稳定前一直保持输入。我们可以通过电路或者FPGA内部逻辑两种方法来实现。
电路法：利用RC时间常数延迟开关输入信号，并利用施密特触发器的NOT电路对波形进行整形。
时钟
使用晶体振荡器产生时钟。
4.布局设计
布局两个步骤
- 元件的布局：在电路板上确定各个元件安放的具体位置。
- 元件之间的布线：电路板上各个元件间配线的连接。
元件集中安装在正面。信号线也基本上分布在正面。背面基本上仅布置电源线。
信号线布线时会产生交叉，因此将配置电路的一部分信号线安排在电路板背面。
信号线的粗细
信号线的粗细大约为0.5mm的一半，也就是0.25mm左右。
由于布线密度较高时，通过蚀刻去除铜膜会比较困难，因此信号线的粗细定为略细一些的0.2mm左右。
如果委托电路板制作公司OLIMEX进行生产，信号线的粗细必须为8mil（0.2032mm）以上。
因此，我们将信号线粗细确定为0.2032mm。电源线需要比信号线粗一些，我们将其定为0.6mm。
通孔
将通孔分布在2.54mm（0.1inch）的网格上。
为了与制作单层电路板时使用的SUNHAYATO公司的万用板的通孔一致。
通孔上焊盘的直径要尽量大。
但是，如果焊盘大到通孔之间无法走线的话，设计难度反而会加大，所以通孔外径定为1.6mm。
①FPGA和电源部分的布线
②配置电路、USB接口芯片的布线
③VPort接头的布线
④外围/开关电路的布线
仅显示电源预拉线
完成的布局
电源板的布局
FPGA板布局的正面
FPGA板布局的背面
5.制作元件库
1个元件库由3部分构成：电路图中使用的电路符号Symbol（符号）、布局时使用的焊盘Package（封装）以及定义了Symbol与Package二者引脚对应关系的Device（器件）。
6.电路板3D模型
通过制作3D模型，我们可以对成品电路板有个大致的印象。
通过直观地观察，我们可以确认元件之间是否互相影响，是否便于焊接等问题。
【呃呃用嘉立创画板子就好了，到画PCB的时候有3D功能的】
7.制作感光电路板
①制作光罩
用喷墨打印机将Eagle制作的线路印刷到胶片上，即可制成光罩。
手动开孔时，需要将电钻中心对准圆孔中心。
②粘合光罩
将打印出来的光罩与电路板进行粘合。
为了能将两面的光罩正确粘合，可提前将打印出来的两枚光罩粘合。
在打印完的光罩上安装定位板，以给感光板定位。
定位板与光罩用尽量薄的双面胶固定。
制作单层板时，在正面光罩上安装定位板。
制作双面板时，定位板夹在两枚光罩之间。
③曝光
用紫外线照射贴有光罩的感光板进行曝光。
一般使用专用的紫外线灯，建议使用紫外线。
④显像
显像需要使用显像液。显像液有将粉末状溶解后使用，和液态直接使用两种类型。
显像液适宜在25～30℃的温度下使用。使用粉末状显像液时，要先准备200cc、35～40℃的热水，溶解显像剂。
如果有残渣剩余，有可能会导致显像效果不佳，所以请搅拌均匀。
我们使用带卡扣链的塑料袋作为装显像液的容器，这样将感光板装入后左右晃动时显像液也不会洒落出来，非常方便。
另外，显像后需要进行洗净，请准备清水。注意不是流水，而是将水装在容器内。
可以使用PK-11外箱盖作为洗净用的容器。请准备100cc清水装入外箱盖内。
将曝光结束的感光板绿色曝光面朝上装入塑料袋。
感光板全部没入显像液后，封住塑料袋口。然后轻轻摇晃、进行显像。
显像时间大约为30秒～1分钟。感光剂溶解后显像液变为蓝色，感光板上呈现出电路板线路。
电路板线路清晰地显示出来后，显像结束。
用一次性筷子等将感光板从袋子中取出，请注意筷子尖不要碰到电路板上的线路以免造成损伤。
使用尖端带橡胶套的钳子会更加保险一些。
将取出的感光板用水洗净后，显像工作完毕。
制作双层板时，背面的感光剂会较快地显像，所以请将感光板正反两面反复数次进行显像。
使用完毕的显像液呈碱性，不能直接倒掉，需要混合市场上销售的醋，中和之后再倒掉。
⑤蚀刻 【内容比较多，具体请看这里】
用蚀刻液的腐蚀作用腐蚀感光板上的铜膜，最后生成电路线路。
蚀刻液在温度为40～45℃时腐蚀性最强，温度控制对于蚀刻过程非常重要。
控温方法：
- 水浴法：在水桶等容器内装入60℃左右的温水，然后再放入腐蚀液的方法。
- 用SUNHAYATO公司的桌面蚀刻设备。使用该装置易于控制温度，而且使用空气泵进行内部循环，不需要手动晃动电路板。用空气泵进行腐蚀液循环时，蚀刻机内会出现蚀刻不均匀的状况。因此，蚀刻过程中需要经常拿出电路板确认蚀刻状况，有时还要翻转电路板。
- 用SUNHAYATO公司的恒温器。将蚀刻液装入容器后在恒温器上加热。要一直晃动电路板，比较费事。但是蚀刻结果比较会均匀。
蚀刻结束，用水进行冲洗后，表面的感光剂便会脱落。使用助焊剂清洗剂清洗的话，费时较短更为便利。
或者也可以不覆盖光罩再次进行曝光，曝光后的显像液因为显像而自行脱落。
蚀刻液的处理【很重要请点具体内容】
⑥阻焊剂
防止蚀刻后电路板的铜膜裸露在外产生氧化现象，可以在整个电路板上涂抹助焊剂或者阻焊剂。涂抹阻焊剂后，线路不会裸露在外，也能防止意外的短路。
（1）喷涂型助焊剂
喷涂得比较均匀，而且使用方便。喷嘴距离电路板大约15cm。尽量喷涂均匀。
刚喷涂完助焊剂的电路板会比较粘，立刻用手触摸会留下痕迹，干燥一小时后再碰触。
双面板不要同时喷涂两面，可以喷涂完一面后再喷涂另一面。
原因
- 保护电路板线路不被氧化。
- 安装元件时使焊锡更加容易的附着。
- 蚀刻工序中：对整个电路板进行助焊剂喷涂。
- 实际安装元件时：仅对各个接线端子部分进行喷涂。
（2）喷涂型绿色阻焊剂
喷涂了阻焊剂的地方，焊锡将无法附着。所以需要先给元件焊脚部分进行遮罩（打印标签、遮罩胶带以及遮罩胶）。
贴片电阻、贴片电容、贴片LED，需要使用1mm宽的遮罩胶带进行遮罩。
在通风良好的房间或者户外作业，并且周围用旧报纸包围起来，防止阻焊剂四散。
喷嘴与电路板保持15cm左右的距离。
先沿电路板边缘喷涂一圈。边沿喷涂完毕后，与电路板平行移动喷涂。
先喷涂薄薄一层，等待干燥。之后重复数次，这样可以降低喷涂不均匀可能性。
（3）感光性阻焊剂（助焊剂和丝印）
⑦开孔
1.固定电路板所用的3.2mm孔或者3.0mm孔。
2.VPort、电源接头引脚用的1.0mm孔。
3.正反面连通用的0.8mm孔或者0.6mm孔。
电钻/针钻
⑧制作通孔
电路板的正反面线路需要通过通孔进行连接。
通孔不是中空也不影响功能，无需勉强吸除。
⑨飞线
PCB 焊盘脱落怎么办？用铜丝焊接连通即可。
8.使用电路板制造服务
利用电路板CAD软件设计的设计文件进行电路板制造的服务。
电路板制造服务商会对信号线的粗细、间距、通孔大小等参数设立标准（设计规则）。
电路板的设计者可以通过“设计规则检查”（DRC）测试电路板是否符合设计规则。
另外，文件格式也必须转换为电路板制造服务商指定的格式。通常，递交数据格式以Gerber数据为多。
DFM（Design For Manufacture）检查功能：设计时考虑降低生产难度的设计方法。
DFM与DRC从不同角度对设计进行检查。
9.组装电路板
首先安装电源板上的元件，然后安装FPGA板上的元件。
电源板
FPGA板
处理贴片元件
①使用工具套装安装贴片元件
- 用慢硬化型胶黏剂把元件固定在电路板上。
- 等待30分钟后胶黏剂硬化。
- 硬化后，将特种膏状焊锡涂抹在引脚上。
- 接着用烙铁把焊锡融化。
- 焊锡不小心桥接到其他部位时，用焊锡吸附线将焊锡吸出。
②不使用工具套装安装贴片元件
通常使用线状焊锡焊接贴片元件。
锡焊的要点：
- 首先焊接对角线上的引脚以固定位置，然后再焊接其他引脚。
- 不用太在意临时固定引脚的焊接效果或者短路到其他导线上，这一步的作用先是固定。
- 接下来，临时固定引脚的焊接等其他引脚焊接完成后再处理干净。
先把焊锡涂抹在焊盘的一侧。
用镊子夹住贴片元件，先焊接一端。
然后再焊接另一端。
如果烙铁头长时间接触，热传导到另一端使焊锡融化会导致元件脱落，所以尽量快速操作。
10.功能测试
①无法从配置工具中识别FPGA→制作错误
检查电源电压：各个电源与GND之间是否存在短路。
检查FT2232功能：接通电源并通过USB线与计算机连接。无法识别可能是USB芯片的焊锡不良造成的。同时确认芯片的朝向和焊锡的状态是否正确。
检查JTAG信号的连接：检测配置ROM和FPGA的焊接是否存在问题。
检查电阻和电容的参数：别焊错元件啦！
检查布线的连接：蚀刻时间过长可能导致走线被切断。相邻走线间也可能存在短路。用仪表测试走线的两端，检查是否导通。
② 运行诊断程序
全部功能通过测试则说明电路板的制造没有问题。
