Lei Feng Fab Academy 2025第 6 周：电子设计
本文档内容由我向 Claude 3.7 Sonnet 提供课程大纲内容，以及本课程视频会议课程的字幕后，由 AI 提炼生成。
课程概要
本节课介绍电子设计的基础知识和工具，重点讲解了常用电子元器件、电路设计软件（EDA工具）以及测试设备的使用。课程分为两大部分：首先介绍常见电子元器件及其功能；其次详细讲解使用EDA工具设计电路板的流程。本周任务是设计一个基于微控制器的开发板，为后续的电子制作课程做准备。
详细的课程内容介绍
一、课程导入
两周前我们学习了嵌入式编程，本周我们将学习电子设计，两周后我们将进行电子生产。本课程的重点是学习电子元器件与电路设计工具，最终目标是设计一个围绕微控制器的开发板，并在两周后制作它。
二、设计灵感
首先，我们来看一些优秀的设计案例：
- Adrián Torres 的 fab xiao：一个功能丰富的开发板，具有多种接口协议，可连接到各种设备。
- Ani Liu 艺术化的电路设计：电路板设计不仅仅是功能性的，也可以是艺术性的。例如一位学生将讲师的头像设计成了电路板。
- Kai Zhang 编程辅助设计：一位编程能力强的学生编写了自己的软件来辅助设计，创造出美观的电路。
这些例子说明电路设计既可以是功能性的，也可以是创造性和艺术性的。
三、电子元器件介绍
1. 导线（Wire）
- 使用排线（ribbon cable）更加方便，既可以保持多根线一起走线，也可以单独拆分使用
- 导线规格用AWG表示，根据电流大小选择合适粗细的导线
2. 连接器（Connectors）
- 连接器用于可拆卸的连接，区别于固定连接
- IDC（绝缘位移连接器）允许同时连接多根线，无需单独处理每一根
- 使用时将排线放入连接器，挤压使尖角穿透绝缘层接触导线
3. 按钮与开关（Buttons & Switches）
- 按钮：通常为常开型，按下时连接两侧
- 开关：可以固定在某个位置，用于开/关或配置
- 这些都是表面贴装（SMD）元件，而非通孔元件
4. 电阻器（Resistor）
- 欧姆定律：I = V/R
- 类比为水流中的狭窄通道，限制流量
- 常用于限流，如LED电路中
- 规格说明：
- 封装大小（如1206，表示12/1000 × 6/1000英寸）
- 功率等级（如1/4瓦）
- 电阻值和精度
- 使用1206封装主要是为了方便在使用1/64英寸铣刀加工电路板时能够在电阻下方走线
5. 电容器（Capacitor）
- 电容定律：C = Q/V，电流I = C·dV/dt
- 类比为水库储水
- 功能：
- 用作滤波器
- 设定响应时间
- 大电容（超级电容）可用于短期能量存储，替代电池
- 用于滤波不稳定的电源
6. 晶振（Crystal）
- 用于精确计时
- 结构类似带有特殊材料的电容器
- 当施加电压时，材料弯曲并产生电压，可以非常精确地重复
- 在复杂处理器中需要晶振，但一些微控制器（如 XIAO）已内置
7. 电感器（Inductor）
- 与电容器相反，电压与电流变化率成正比
- 用作高频滤波器，只允许低频通过
8. 二极管（Diode）
- 结构：阳极(Anode)和阴极(Cathode)
- 电流只能从阳极流向阴极
- 用途：
- 保护电路不受反向连接电池的损害
- 整流
- 特殊类型：
- 齐纳二极管（用于精确电压参考）
- LED（发光二极管，需要限流电阻）
9. 晶体管（Transistor）
- 两种类型：
- 双极型（一般不使用）
- MOSFET（主要使用）
- MOSFET特点：
- 分为N型（电流汇）和P型（电流源）
- 有栅极(Gate)、源极(Source)和漏极(Drain)
- 可控制电阻，用于开关负载
- RDS（漏源电阻）越小越好，减少功耗和发热
- 选择逻辑电平晶体管便于控制
10. 稳压器（Regulator）
- 将高电压（如9V电池）转换为稳定的低电压（如3.3V）
- 需要输出电容作为缓冲
- 简单稳压器效率低，也可使用DC-DC转换器提高效率
11. 放大器（Amplifier）
- 用于测量敏感信号或产生功率信号
- 应用：麦克风信号放大、扬声器驱动
- 现代微控制器和模块通常集成了放大器功能
12. 微控制器（Microcontroller）
- 包含各种功能引脚：
- 电源和地
- 模拟引脚（读取电压）
- 数字引脚（输出或读取逻辑信号）
- 通信协议：I2C, UART, SPI等
- 选择合适的微控制器：
- RP 2040：功能强大，可定制处理器
- ESP32：适合无线通信（WiFi、蓝牙）
- ARM：支持USB通信
- AVR：小型低成本处理器
四、电路设计基础
1. 电路基本原理
- 电流（安培）和电压（伏特）
- 功率：P = I²R = IV
- 基尔霍夫定律：
- 电流定律：节点电流之和为零
- 电压定律：回路电压之和为零
2. 电子设计自动化（EDA）工具
EDA工具学习曲线陡峭，但对复杂电路设计必不可少。主要流程包括：
- 在纸上或平板上草图设计
- 输入原理图（连接元件）
- 元件放置（在PCB上）
- 布线（连接导线）
- 仿真（可选）
- 制造
需要考虑的因素：
- 层数（单层、双层等）
- 电源层与地线层
- 元件封装（Footprint）
- 3D模型（便于机械设计）
- 设计规则（线宽、间距等）
3. 主要EDA工具介绍
KiCad
- 免费开源、跨平台
- 功能强大，但各模块之间集成度较低
- 特点：
- 最近发布KiCad 9，性能大幅更新
- 有丰富的库资源
- 支持推挤布线、自动布线辅助
使用流程演示：
- 创建项目
- 设计原理图
- 元件放置
- PCB布线
- 设置边界
- 3D查看
- 导出制造文件
Eagle（集成在Fusion 360中）
- 商业软件
- 与Fusion 360完全集成，电子设计和机械设计可以无缝切换
- 适合已经在使用Fusion 360的用户
其他工具
4. 库资源（Libraries）
- 元件库是EDA工具的重要组成部分
- 包含：原理图符号、PCB封装、3D模型
- 资源推荐：
- Fab库（由Chris维护，包含课程用到的大部分元件）
- Component Search Engine
- Ultra Librarian
- SnapEDA
5. 硬件描述语言
- 用于程序化描述电路
- 对于非常复杂的电路（如十亿晶体管处理器）必不可少
- 类型：
- 可以描述元件之间的关系，而不是点击拖拽
6. 电路仿真
- 在实际制作前验证设计
- 仿真类型：
- 数字仿真（Wokwi）
- 模拟仿真（Falstad）
- 混合信号仿真
- SPICE框架：
- LTspice、ngspice
- KiCad和Eagle都有SPICE接口
五、测试设备
当电路设计完成并制作后，通常需要测试和调试。常用测试工具包括：
- 台式电源
- 可调节电压和电流
- 对电机控制等应用非常有用
- 万用表
- 测量电压、电流、电阻
- 首先用于检查电路中的电压是否正常
- 示波器
- 显示随时间变化的信号
- 查看信号波形而非仅仅平均值
- 逻辑分析仪
- 不仅显示信号，还能解释信号含义
- 用于调试通信协议（如I2C）
- 混合信号分析仪
- 结合了示波器和逻辑分析仪功能
- 可监测多路信号并解码协议
六、设计建议
- 先从简单电路开始，熟悉工具
- 使用现有库资源，避免重复造轮子
- 布线时将其视为一个有趣的拼图挑战
- 在复杂的项目中使用仿真验证设计
- 学会使用测试设备调试电路问题
作业要求
小组作业
使用实验室中的测试设备观察微控制器电路板的工作情况：
- 使用数字万用表检测电路板上的电压
- 使用示波器查看电源噪声
- 使用逻辑分析仪解码通信协议（如USB命令）
个人作业
使用EDA工具设计一个开发板：
- 选择一款微控制器（如RP2040、ESP32、ARM或AVR系列）
- 设计围绕此微控制器的开发板
- 考虑将来需要连接的输入/输出设备接口
- 设计通信方式（如USB、WiFi等，取决于所选微控制器）
加分项目
- 仿真验证设计
- 尝试不同的设计工作流程并比较
- 为开发板设计外壳（需要将电子设计导出到CAD环境中）