## 1.設計目標
為了完成UART下線量測報告，構建環境測試電路圖，並繪製PCB Layout
對專案晶片進行量測測試。
## 2.PCB所需元件
專案晶片 x1，switch x1，七段顯示器 x1，排針(1x1) x3，排針(1x3) x4，電阻 x9，電容 x12
## 3.創建專案
創建專案有兩種方式: 新建空專案/從模板新建專案，本文介紹如何新建空專案。

開啟KiCad 8.0軟體，點選左上角的 檔案 -> 新建專案。

將專案儲存`Documents\KiCad\8.0\projects`這個路徑底下並命名。例如:專案命名為`123`，就會在`projects`底下建立`123`目錄，及目錄裡面的文件檔，如底下所示。
其中，`kicad_pro`為專案文件檔，`kicad_sch`為原理圖文件檔，`kicad_pcb`為PCB文件檔。
## 4.建立元件/封裝庫
點擊圖中的符號編輯器/封裝編輯器，建立資料庫中所沒有的電子元件。

建立方法共有以下兩種:
* 導入廠商提供的元件
找尋專門提供的電子元件庫廠商網站，從中搜尋需要的元件符號檔案`kicad_sym` 和 封裝符號檔案`kicad_mod`，以下為幾個提供元件庫的廠商 : [SnapEDA](https://www.snapeda.com/)，[Ultralibrarian](https://www.ultralibrarian.com/)，[KiCad Library](https://kicad.github.io/)。
使用`Ultralibrarian`這個網站搜尋元件進行說明，我們以搜尋`OS102011MS2QN1`這個switch為例。進入該網站並進行註冊後，搜尋`OS102011MS2QN1`，點擊後會進入以下視窗。
點選紅框內的`Download Now`後，會出現以下視窗，顯示適用於多種CAD工具的格式。由於使用的軟體為`KiCad 8.0`，勾選紅框內的`KICAD v6+`後，點擊`Download Now`就可以下載壓縮檔。
將壓縮檔解壓縮後，從檔案中找出`kicad_sym`檔後，將其存放在`Documents\KiCad\8.0\symbols`這個路徑底下，專門存放元件符號檔案。參考以下視窗，點擊 配置->管理符號庫。
顯示以下視窗，點擊紅框內的文件標示，選擇存取在`Documents\KiCad\8.0\symbols`底下的`kicad_sym`檔案，就可以將`OS102011MS2QN1`這個switch的元件放入元件符號庫。
打開符號編輯器後，從下圖左側的項目列中點擊這個switch的元件名稱，就可以看到這個元件的模樣。
接著從解壓縮的檔案中，搜尋到`kicad_mod`檔後，首先要在`Documents\KiCad\8.0\footprints`這個路徑底下，創建1個專門存放封裝符號檔案的資料夾，命名為*.pretty(* 為名稱，pretty為副檔名表示這是1個封裝資料庫)，把`kicad_mod`檔存放在裡面。參考以下視窗，點擊 配置->管理封裝庫。
顯示以下視窗，點擊紅框內的文件標示，選擇剛才創建的*.pretty資料夾後，就可以將`OS102011MS2QN1`這個switch的封裝放入封裝符號庫。
打開封裝編輯器後，從下圖左側的項目列中點擊這個switch的封裝名稱，就可以看到這個封裝的模樣。
點選封裝編輯器上方工具列的封裝屬性，確認元件類型為`通孔`或是`表面黏著`。`通孔`表示元件的引腳會穿過PCB電路板的孔洞，並焊接在板的另一側（通常是底層）。如果在元件封裝上看到明顯的通孔腳位（通常為圓形或方形焊盤，帶有內孔的模樣），這就表示是通孔封裝。
類型為`表面黏著`，代表該元件為SMD元件，表示元件直接安裝在PCB表面，焊點位於元件的腳位和PCB電路板表面之間。以下圖中的元件封裝為例，如果封裝中存在藍框標示的部分，也就是與PCB電路板表面接觸的焊盤，證明該元件為表面黏著封裝。

* 符號掛載封裝圖
由於加入的符號圖不會自動匹配封裝圖，需要手動進行掛載：
1. 雙擊符號圖進入視窗
2. 點選紅框處搜尋要掛載的封裝圖

* 封裝圖建立3D模型
自己加入的封裝圖不會自動匹配對應的3D模型，需要手動添加：

1. 將要加入的3D模型檔放在以下路徑：

   C:\Users\ASUS\OneDrive\文件\KiCad\8.0\3dmodels

2. 雙擊封裝圖進入設置視窗
3. 點擊加入或選擇剛導入的3D模型

參考資料:[Kicad如何导入封装库、符号库（元件库）以及3D模型文件？](https://blog.csdn.net/bjbz_cxy/article/details/123115163)

* 繪製元件
沒有合適的元件符號，可以按照需要的元件規格，繪製出自定義的符號。以繪製一個IC晶片符號`UART_IC`為例，進入符號編輯器後，點選左上角的 檔案 -> 新建庫...，並將資料庫設定為`全域`，將檔案存放在`Documents\KiCad\8.0\symbols`這個路徑底下，並進行命名。
選取左上角的 新建符號，創建1個新的符號並進行命名。
點選右方的工具列，使用`繪製矩形`畫出長方形，將晶片符號的外框畫出，再使用`添加接腳`創造出接腳放在符號內部，在以下視窗中，決定接腳名稱，接腳編號，電氣類型和方向，並將預覽中，紅框標示的一端貼齊在符號外側。
點擊上方工具列的`符號屬性`，顯示以下視窗。
`數值`可自由命名，`封裝`依照元件規格前往封裝選擇器挑選`Package_DIP:DIP-24_W7.62mm`。假設在封裝選擇器中找不到適合的封裝，則依照`導入廠商提供的元件`內講述的方式，找尋專門提供的電子元件庫廠商網站並下載。完成後，如下圖所示。

## 5.繪製原理圖
點擊以下視窗的 原理圖編輯器 或 專案檔案中的`*.kicad_sch`檔，便能開始繪製原理圖。
從圖中的右方工具列中點擊符號庫，從中挑選需要的元件並插入。根據電路設計需求，放置各種元件在原理圖中。
使用連線工具，將元件之間的引腳連接起來。以下圖舉例，將元件的接地腳位 `io_vss4` 與標示為 `GND1`的排針符號用連線工具連結，並在連線上標註名稱為 `GND`。由於 `GND1`是來自外部的電源，為了使設計軟體正確識別電源來源，我們需要在該連線上插入一個 `PWR_FLAG`，用以標示 `io_vss4` 是由 `GND1` 這個外部電源驅動的。

點擊電器規則檢查(ERC)，視窗內顯示的錯誤數量為0，代表原理圖中的電路設計可以正常運作。
完成電路設計的繪製後，如下圖所示。

## 6.PCB佈線
開啟PCB編輯器之後，可以依照需求設定圖紙尺寸與電路板詳細資訊
點選圖中上方工具列的電路板設置，選擇雙層板，並調整電路板的厚度為1.6mm
可以按照對PCB電路板的規格需求調整設計規則，例如:按照規格需求，將PCB設計中貫孔（Via）的最小直徑從`0.5`改為`0.6`。
將阻焊層擴充套件設置為0.05mm，確保元件的焊盤自動生成一層阻焊層。
在PCB編輯器中，點擊上方工具列，從原理圖更新PCB的功能，自動根據原理圖生成對應的元件至PCB編輯器中。

原理圖中的電路設計生成相對應的元件封裝，如下圖所示。
規劃元件的擺放位置時，在元件上點擊滑鼠並按`M`來移動元件。
點擊右方工具列中的佈線功能，開始繪製元件之間的佈線。在佈線上按`E`可以檢查目前的佈線屬性。
畫好佈線後，使用佈線功能在上面點擊，便能高亮顯示佈線和所有相連的元件焊盤，檢查佈線和焊盤是否都有正確連接好。
連接GND的佈線時，可以透過增加通孔的方式(在佈線時點擊`V`進行通孔的設置，如紅框內所示)，將佈線連至底層(佈線由紅轉藍，代表為不同層的佈線)，且能避免與同層的佈線相互衝突的可能。
如果在佈線時，同時有多個腳位都是同一個接點，可以使用舖銅工具完成佈線。

若使用的是通孔元件，舖銅後可以在 焊盤連線 的選項選擇防散熱的連線方式，可以避免通孔元件在手焊的時候因為銅的溫度上升速度慢而增加焊接難度。
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進行底層的舖銅時，在鋪銅部分點擊兩下滑鼠選擇該層為GND。
完成後，選定Edge Cuts Layer畫出PCB電路板的範圍(白框部分)，完成後的電路板如下圖所示。

點擊上方工具列的 設計規則檢查，進行Layout的DRC，當視窗內沒有顯示任何錯誤，代表PCB電路板上的電路佈局能夠正常運作。
點擊上方工具列的 3D查看器，可以利用3D檢視檢查實體的PCB電路板。
結束繪製後，點擊 檔案->繪製，才能將Gerber檔匯出，提供機台辨識PCB電路板上的Layout。
調整 繪製格式 為 PDF，將PCB電路板的PDF檔生成出來。
生成以下各層的Gerber檔與PCB電路板的PDF檔案(參考用)，即可提供機台以下檔案並洗出PCB電路板。

1. 飛線的使用方法(V)。
1. 為了同步顯示，訊號線長短盡量一致，因此最好先考慮最長的佈線的來決定元件擺放的位置。
3. 訊號線避免使用飛線，以免導致訊號衰減。
4. 避免訊號線轉折處程90度，以免發生電荷累積過多導致擊穿情形。

Q1:在pcb板上，將訊號從IC晶片傳到七段顯示器，當每個腳位的走線平均長度一致，長度越長或越短會造成什麼影響?
A1:在PCB上，當將訊號從IC晶片傳送到七段顯示器時，每個腳位的走線長度是否一致、以及總長度的長短，確實會對訊號傳輸造成一些影響。

1. 走線長度越長的影響：
訊號延遲增加：長度越長，訊號傳輸的時間就越長，這是由於訊號在走線中的傳播速度有限。因此，過長的走線可能導致顯示器的每個段延遲不一致，特別是在高頻訊號或快速切換的應用中。
訊號衰減：長走線會導致訊號的衰減，尤其是高頻成分，可能導致訊號強度不夠，影響顯示的可靠性。
反射和干擾：走線過長可能會增加訊號反射的風險，尤其在走線阻抗不匹配的情況下。這些反射會干擾訊號的完整性，導致顯示出現錯誤或不穩定。
2. 走線長度越短的影響：
訊號延遲減少：短走線會減少訊號傳輸的延遲，有助於提高系統的響應速度和同步性。
降低訊號衰減和反射：較短的走線可以減少訊號的衰減和反射，保持訊號的完整性，這對於高速訊號尤為重要。
散熱問題：雖然不常見，但如果走線過短且承載較高的電流，可能會導致局部的熱積聚，這需要在設計中進行考慮。
總結：
走線長度的一致性：保持每個腳位的走線長度一致非常重要，特別是在需要同步顯示或對稱控制的情況下。不一致的走線長度可能導致訊號到達時間不同，造成顯示不同步。
適當的走線長度：一般來說，走線應該盡可能短，以減少訊號延遲、衰減和反射。但也要考慮實際佈局的限制，並保持所有訊號線的長度一致，以確保同步性。
綜合來看，適當且一致的走線長度是確保七段顯示器正常運作的關鍵。

Q2:繪製pcb layout時，繪製訊號源的連線可以使用貫孔嗎?
A2:在繪製PCB Layout時，訊號源的連線是否可以使用貫孔（Via）取決於訊號的頻率、應用需求以及設計中的其他考量。一般情況下，使用貫孔是可行的，但需要注意以下幾個重要因素：

1. 訊號完整性：
使用貫孔會改變訊號路徑的阻抗，尤其是在高頻訊號下，這可能導致訊號反射、衰減或失真。因此，設計高頻電路時（如125MHz或更高頻率），貫孔的使用需要謹慎。如果走線中的貫孔太多，可能會影響訊號的完整性。
2. 貫孔電感與電容效應：
貫孔在PCB中引入了額外的寄生電感和寄生電容，這在高頻訊號下會對訊號造成影響。為了減少這些效應，可以：
* 減少貫孔的使用。
* 縮短貫孔的長度（使用較薄的PCB或較小的貫孔）。
* 將多個貫孔並行使用來降低電感。
3. 阻抗控制：
如果你的訊號源要求嚴格的阻抗匹配（如高速訊號或差分訊號），那麼使用貫孔時需要特別注意阻抗變化。貫孔的設計需要配合PCB的層結構來進行調整，確保訊號走線的阻抗保持穩定。

4. 層間連接：
如果訊號需要在不同層之間傳輸，使用貫孔是必須的。這種情況下，貫孔可以讓訊號從一層跳到另一層，但最好避免不必要的層間轉換，以減少訊號的損耗和延遲。

5. 訊號源頻率考量：
對於低頻訊號，使用貫孔的影響較小；但對於中高頻訊號（例如125MHz），貫孔的影響會更顯著。因此，如果訊號源屬於中高頻段，應該最小化貫孔的使用或優化其設計來減少不良效應。

總結：
可以使用貫孔來連接訊號源，尤其是當你需要跨層走線時。
對於高頻訊號（例如125MHz），需要考慮貫孔對訊號完整性、反射、阻抗匹配的影響，並採取措施來減少寄生效應。
如果貫孔無法避免，應盡量使用小尺寸的貫孔、保持走線的連續性，並避免過多的貫孔來減少訊號損耗。

## 補充 -- 選擇SMA射頻（RF）同軸連接器封裝
* 下圖為 SMA同軸連接器。

* SMA射頻（RF）同軸連接器 名稱為 `SMA Jack PCB Mount Right Angle Gold`，其名稱個別的含意如下。
:::spoiler SMA名稱說明

| 名稱 | 用途 |
|:-----------:|:------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------:|
| SMA | 連接器的標準類型（SubMiniature version A），小型、精密的同軸連接器，適用於高頻（最高可達 18 GHz 或更高）的信號傳輸。 |
| Jack | 表示連接器的接口，`Jack` 是「母頭」（female）的連接器，內部有一個中心接觸點（通常是插孔）。與之相對的是 `Plug`（公頭，male），有中心針狀接觸點。 |
| PCB Mount | 表示這個連接器設計可以直接安裝在印刷電路板（PCB）上，且焊腳設計使其可以固定，並與 PCB 的焊盤連接。 |
| Right Angle | 表示連接器的結構為直角型，訊號接點與 PCB 表面成 90 度角，適合於需要從側面連接的應用場景。 |
| Gold | 表示連接器的表面鍍金，通常用於提升耐腐蝕性、增加導電性能並減少接觸電阻。 |

:::

* 在 `digikey` 網站上以 `SMA Jack PCB Mount Right Angle Gold` 搜尋，根據其條件(主要是形狀 及 母頭接口)，找到編號為 `RFPC-SMA27-F` 的元件，點擊 `EDA/CAD 模型`，將模型檔案全數下載，並把其中的`kicad_sym`檔，`kicad_mod`檔 和 `step`檔 分類，方便之後編輯 原理圖 / PCB設計 用到。
* 在量測過程中，SMA同軸連接器主要是作為clk訊號接口，接收來自 訊號產生器(Anritsu MG3642A) 產生的時脈訊號。由於連結 clk訊號接口 與 訊號產生器 之間的傳輸線為 SMA傳輸線，所以才需要 SMA同軸連接器 作為 clk訊號接口。