由于微型無(wú)源器件泛使用，以及電路工作頻率達(dá)到千兆赫茲 (GHz) 范圍，從投入PCB之前創(chuàng)建和評(píng)估電路設(shè)計(jì)，再到接近最終的原型，這是個(gè)越來(lái)越難且常常令人沮喪的挑戰(zhàn)。試驗(yàn)板套件和技術(shù)曾經(jīng)適用于引線器件和雙列直插式封裝(DIP) IC，但并不兼容現(xiàn)在的高密度IC封裝、封裝下的引線墊和幾乎看不見的表面貼裝技術(shù)(SMT) 器件，以及整個(gè)RF模塊或處理器模塊。

然而好消息是，基于工作臺(tái)的開發(fā)工具可用于創(chuàng)建基本的試驗(yàn)板，同時(shí)可連接獨(dú)立的子電路模塊。通過這些試驗(yàn)板系統(tǒng)，業(yè)余愛好者、創(chuàng)客、自助設(shè)計(jì) (DIY) 愛好者和工程專業(yè)人士可以構(gòu)建、測(cè)試并集成整個(gè)產(chǎn)品的各個(gè)子部分，組成一個(gè)完整的功能單元。

本文將研究使用現(xiàn)代電子元器件制作試驗(yàn)板的基本相關(guān)問題。接著會(huì)探討如何基于Aries Electronics、Schmartboard, Inc.、Adafruit Industries LLC、Global Specialties和PhaseDock, Inc. 等供應(yīng)商的適配器和試驗(yàn)板套件進(jìn)行更接近最終產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)。

最后，本文還介紹這些產(chǎn)品是如何簡(jiǎn)化構(gòu)建有用且可靠的試驗(yàn)板，以便能夠用于驗(yàn)證電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接口，按需連接到獨(dú)立模塊和評(píng)估板，并最終實(shí)現(xiàn)有意義的原型。

電子試驗(yàn)板來(lái)自何處?

用“試驗(yàn)板”(breadboard) 一詞描述看起來(lái)粗糙甚至簡(jiǎn)陋的電路，可能有點(diǎn)令人不解，但其詞源明確，且有據(jù)可查。在電子學(xué)的初期(在這個(gè)詞被用于今天的語(yǔ)境之前)，DIY實(shí)驗(yàn)者和創(chuàng)客會(huì)通過自供電晶體收音機(jī)，甚至是基本的真空管收音機(jī)，真的是在一塊面包板(用于切面包的木板)上構(gòu)建電路。他們用大頭針或釘子作為連接點(diǎn)，將電線纏繞其上，有時(shí)甚至將這些連接焊接起來(lái)。

“試驗(yàn)板”(breadboard) 一詞來(lái)源于使用木質(zhì)砧板作為DIY電子電路的基板，例如這個(gè)三管收音機(jī)。

當(dāng)然，這些木質(zhì)試驗(yàn)板作為使用現(xiàn)代元器件的電路平臺(tái)已經(jīng)過時(shí)了。盡管如此，“試驗(yàn)板”和“試驗(yàn)板布局”已成為與粗略構(gòu)建演示電路或子電路有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。然而，從真空管到分立引線晶體管和無(wú)源元器件、DIPIC，到現(xiàn)在幾乎看不見的表面貼裝器件，電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)試驗(yàn)板布局技術(shù)和平臺(tái)產(chǎn)生了重大影響。

試驗(yàn)板和原型有何區(qū)別

一個(gè)明顯的問題是關(guān)于試驗(yàn)板和原型的區(qū)別。兩者之間沒有正式的分界線，而且這兩個(gè)詞有時(shí)可以互換。然而，大多數(shù)工程師使用試驗(yàn)板一詞來(lái)表示粗略布局的電路或子電路，這些電路需要支持初步設(shè)計(jì)階段，包括：

檢查基本電路概念、功能或設(shè)計(jì)方法的可行性。

開發(fā)和驗(yàn)證軟件驅(qū)動(dòng)程序。

確保子電路之間或電路與傳感器或負(fù)載之間接口的兼容性。

制定數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和格式。

開發(fā)和驗(yàn)證推定的模型。

評(píng)估電路和功能性能。

從上述各項(xiàng)，不難看出試驗(yàn)板在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所扮演的諸多重要角色，盡管試驗(yàn)板并非完整的系統(tǒng)、缺少最終產(chǎn)品的封裝和許多“花里胡哨”的功能。例如，試驗(yàn)板通常依賴于外部電源，而非發(fā)貨產(chǎn)品的內(nèi)部電源。由于其寬廣開放的布局，試驗(yàn)板通?？捎糜谔綔y(cè)、調(diào)整，甚至是更換元器件。然而，由于布局和元器件的寄生效應(yīng)和相互作用，這種分散布局的物理現(xiàn)實(shí)意味著某些性能不可用，尤其是較高頻工作相關(guān)的性能。 相比之下，原型更接近最終產(chǎn)品，并使用相同的元器件、封裝、外形尺寸和用戶I/O。除了功能完整，原型通常用于檢查制造相關(guān)問題，如實(shí)際間隙和裝配問題、熱路徑、用戶交互以及視覺吸引力和外觀。

從基本適配器開始

如今的試驗(yàn)板布局需要能連接并使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)中常用的微型IC。例如，雖然能將六引線SOT-23IC焊接到較大PCB上，但由于尺寸小、引線間距窄，因此與該器件的連接會(huì)很困難，尤其是改變連接的情況。當(dāng)IC只有底部焊球墊時(shí)，情況就更具挑戰(zhàn)性。 一種解決方案是使用一些器件，如Aries Electronics的LCQT-SOT23-6插座適配器。該產(chǎn)品能將SOT-23轉(zhuǎn)換為六引線DIP外殼。一旦SOT-23器件看上去像引線間距0.1 in.的DIP，即可用于專為較大DIP器件設(shè)計(jì)的試驗(yàn)板布局解決方案之一。

LCQT-SOT23-6插座適配器將難以處理的微型六引線SOT-23封裝轉(zhuǎn)換為更易管理的DIP器件，這種器件具有標(biāo)準(zhǔn)的DIP引線間距。

許多設(shè)計(jì)采用一系列不同封裝尺寸和引腳配置的SMT元器件。對(duì)于這些情況，多個(gè)單IC插座適配器可能會(huì)變得難以處理和互連。Schmartboard的202-0042-01 QFN適配器板可以最大限度減少潛在的困惑。這塊2 × 2 in.電路板最多可容納五種不同的IC，包括間距0.5mm的16和28引腳，間距0.65mm的20引腳，以及間距0.8mm的12和16引腳(用于QFN器件)。

202-0042-01-QFN等適配器板可容納多個(gè)SMTIC封裝的板載焊接和連接分線。

202-0042-01-QFN采用專利技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)快速簡(jiǎn)便地手動(dòng)焊接這些微型表面貼裝元器件，也不會(huì)產(chǎn)生問題。此外，與每個(gè)IC引腳相關(guān)的多個(gè)電鍍通孔便于駐留元器件在需要時(shí)相互連接，還可與其他設(shè)備和電路板連接。 有時(shí)，試驗(yàn)板布局的挑戰(zhàn)并非在于連接IC，而是訪問和監(jiān)測(cè)電纜或外設(shè)連接器的引腳。例如，當(dāng)25引腳RS-232連接器還是主要通信接口時(shí)，帶開關(guān)和跳線端子(用于大多數(shù)引腳)的“分線盒”就跟萬(wàn)用表一樣常見。

對(duì)于之前廣泛使用的連接器和標(biāo)準(zhǔn)的25引腳電纜，這種RS-232分線盒是監(jiān)測(cè)和重新配置電纜接線的必要元素。

雖然現(xiàn)在很少用到這些RS-232分線盒，但諸如Micro SD卡等外設(shè)仍有類似的需求，需要具備分線功能。針對(duì)這種功能，一款有用的適配器是Adafruit Industries的254 Micro SD卡分線板，設(shè)計(jì)人員可通過該板連接、測(cè)試和驗(yàn)證這些廣泛使用的存儲(chǔ)卡的硬件接口連接和驅(qū)動(dòng)軟件。

使用Adafruit的254 Micro SD卡分線板，設(shè)計(jì)人員可以輕松地連接、訪問和監(jiān)控系統(tǒng)處理器與此外圍存儲(chǔ)設(shè)備之間的信號(hào)。

該電路板包括一個(gè)超低壓差穩(wěn)壓器，可將3.3 - 6V之間的電壓轉(zhuǎn)換為MicroSD卡適用的3.3V，還有一個(gè)電平位移器，可將接口邏輯(3.3- 5V)轉(zhuǎn)換為3.3V，因此該板可連接3.3V或5V微控制器。獨(dú)立的針座可焊接到適配器，以連接間距0.1 in.的引腳。

轉(zhuǎn)到適配器以外的內(nèi)容

適配器可解決連接單個(gè)元器件的問題，但這些不過是最終設(shè)計(jì)的構(gòu)件。現(xiàn)在可訪問的元器件需要連接到其他有源和無(wú)源元器件，支持輸入/輸出 (I/O) 接口，實(shí)現(xiàn)元器件更換，并提供正式的測(cè)試點(diǎn)，甚至是非預(yù)期的探測(cè)。 最早的試驗(yàn)板之一是20世紀(jì)60年代開發(fā)的無(wú)焊試驗(yàn)板，該板可以方便地直接容納雙列直插式封裝(DIP) 器件，以及分立引線元器件，并且至今仍在廣泛使用。這種試驗(yàn)板方便易得、容易使用，并支持合理的元器件密度。 Global Specialties的PB-104M外部供電無(wú)焊試驗(yàn)板組件便是一個(gè)例子，非常適合低頻電路的原型開發(fā)。該組件安裝在21 × 24 cm的框架內(nèi) (9.45in.× 8.27in.)，包括3220個(gè)連接點(diǎn)，四個(gè)用于連接電源的接線柱，支持28個(gè)16引腳IC;使用末端剝開的0.4mm至0.7mm直徑導(dǎo)線作為跳線。該試驗(yàn)板功能眾多的關(guān)鍵在于，孔間距0.1in.，可容納除電線引線外的標(biāo)準(zhǔn)DIP元器件以及適配器和針座的引腳。

Global Specialties的PB-104M無(wú)焊試驗(yàn)板組件可容納多個(gè)DIP IC、DIP封裝適配器、帶導(dǎo)線的分立元器件和單獨(dú)的導(dǎo)線跳線。

在使用時(shí)，無(wú)焊試驗(yàn)板是一個(gè)可連接的平臺(tái)，其中DIP IC和其他元器件可借助短實(shí)心導(dǎo)線插入孔中來(lái)連接，這些孔也會(huì)與元器件引線相連接。兩條沿側(cè)邊的外軌通常預(yù)留用于電源和地線，并通過短饋線為有源元器件供電。

無(wú)焊試驗(yàn)板中，兩條沿側(cè)邊的外軌通常預(yù)留用于電源和地線。短饋線將軌道與有源元器件連接起來(lái)。

使用無(wú)焊試驗(yàn)板時(shí)，遵守一些規(guī)范很重要。例如，使用顏色編碼來(lái)幫助識(shí)別電線是個(gè)好主意，如紅色代表正軌，黑色代表負(fù)軌，綠色代表接地。另外，用戶需要注意將跳線平鋪在電路板上，以盡量減少雜亂，將互連跳線布置在IC周圍，而非其上方，這樣就可以最小的干擾探測(cè)甚至更換IC。否則，無(wú)焊試驗(yàn)板就會(huì)像其他許多“臨時(shí)”實(shí)施方案一樣“一團(tuán)糟”，并且難以調(diào)試或追蹤。

安裝任何跳線都需謹(jǐn)慎并遵守規(guī)范，哪怕是無(wú)焊試驗(yàn)板中最小的項(xiàng)目;否則，就會(huì)出現(xiàn)難以辨認(rèn)的電線迷宮。

適合當(dāng)今設(shè)計(jì)的試驗(yàn)板組合

無(wú)焊試驗(yàn)板由于其便利性、靈活性和通用性，至今仍被廣泛使用，但對(duì)于高時(shí)鐘速率和頻率下工作的現(xiàn)代設(shè)計(jì)而言具有嚴(yán)重的局限性，而現(xiàn)代設(shè)計(jì)通常結(jié)合了預(yù)裝配的計(jì)算機(jī)電路板、RF電路和模塊以及電源模塊。為了適應(yīng)這些要求，需要一個(gè)系統(tǒng)將多個(gè)試驗(yàn)板、原型平臺(tái)和子組件整合到一個(gè)支持全套系統(tǒng)功能的更大單元中。 這樣的試驗(yàn)板之一是Phase Dock的10104安裝原型開發(fā)系統(tǒng)(圖9)。其核心系統(tǒng)包括一個(gè)10 × 7英寸的基座矩陣，其中工作臺(tái)為54平方英寸，五個(gè)用來(lái)安裝電子器件的“Click(卡座)”(提供兩種尺寸)，以及用來(lái)安裝Arduino、Raspberry Pi或類似模塊的“Slide(滑座)”;系統(tǒng)還包括螺絲等小五金件，例如能讓工程師組裝卡座/滑座組合，在滑座上安裝電子器件，直接在卡座上安裝電子器件(無(wú)需滑座)，加入更高的“塔式”電子器件，并管理電線和電纜。此外，還有一個(gè)可選的透明防護(hù)塑料蓋，增強(qiáng)外觀，方便運(yùn)輸。

Phase Dock的基本10104安裝原型開發(fā)系統(tǒng)包括一個(gè)基座矩陣(頂部);用于安裝電子器件的卡座(中排);用于使用Arduino和類似平臺(tái)的滑座(最下排);以及非常重要的安裝五金件(最下排左側(cè))。該產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)平臺(tái)上組合使用不同的試驗(yàn)板和模塊技術(shù)，如無(wú)焊試驗(yàn)板、帶螺紋端子和連接器的專用板、處理器平臺(tái)(如SparkFun的RedBoards)，甚至還有固定分立開關(guān)和電位器的支架(圖10)。它們都被牢固安裝在Phase Dock基板上，然后按需連接以測(cè)試系統(tǒng)概念，并通過獲取關(guān)鍵信號(hào)和測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試。

Phase Dock系統(tǒng)支持系統(tǒng)元件以“混合和搭配”的方式進(jìn)行安裝和互連，包括無(wú)焊試驗(yàn)板(白色)、專用PCB(綠色)以及該自動(dòng)控制器系統(tǒng)使用的SparkFun Redboards(紅色)等處理器平臺(tái)。

供應(yīng)商評(píng)估板連接試驗(yàn)板

高性能IC，尤其是那些用于低電平信號(hào)、精密放大或RF信號(hào)處理的IC，現(xiàn)在幾乎不可避免地要隨附評(píng)估板或套件。這樣做是有必要的，因?yàn)樵O(shè)置這樣的高級(jí)元器件以檢查其在目標(biāo)應(yīng)用中的性能，并將其與系統(tǒng)的其他部分集成，就需要使用合適的支持元器件(主要是無(wú)源元器件)，還需要謹(jǐn)慎布局和連接。設(shè)計(jì)人員的問題在于如何最好地利用這些評(píng)估板，因?yàn)樗鼈儗?duì)最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作用可大可小，有的非常有用，有的實(shí)屬拖累。 請(qǐng)考慮專用于完全實(shí)現(xiàn)元器件功能的評(píng)估板。如此一來(lái)，這包括額外的支持元器件，如存儲(chǔ)器、本地DC-DC穩(wěn)壓器，甚至微控制器。雖然獨(dú)立評(píng)估也可能需要這些元器件，但在將試驗(yàn)IC實(shí)際用于工程師的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中時(shí)，它們可能也會(huì)帶來(lái)干擾。 另一方面，這些評(píng)估板中許多都有必要的專用連接器等元器件。使用評(píng)估板可以使設(shè)計(jì)人員不必重新制作電路(“多此一舉”);制作精良且適當(dāng)記錄的評(píng)估板設(shè)計(jì)通常和非常熟悉該IC的供應(yīng)商內(nèi)部人員創(chuàng)建的電路一樣好，甚至更好。 因此，設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)是在試驗(yàn)板布局安排中識(shí)別并利用供應(yīng)商提供評(píng)估板的優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)考慮“小型”IC，如Analog Devices的ADL6012，這是一款2GHz至67GHz、500MHz帶寬的寬帶包絡(luò)檢波器。這種10引線LFCSP的基本互連器件原理圖看上去相當(dāng)簡(jiǎn)單，實(shí)際使用卻比較困難，因?yàn)樾枰牟季?、旁路和高端RF連接器。

連接和使用Analog Devices的ADL6012寬帶包絡(luò)檢波器在“圖紙上”看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但有許多設(shè)計(jì)和布局方面的微妙之處。(圖片來(lái)源：Analog Devices)

對(duì)于希望將這種RF IC納入設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)人員而言，在創(chuàng)建最終原理圖和制定布局和封裝之前，理應(yīng)首先了解其特性，測(cè)試其接口，并在試驗(yàn)板階段利用ADL6012-EVALZ評(píng)估板來(lái)“微調(diào)”其在整個(gè)項(xiàng)目中的適應(yīng)性。

ADL6012-EVALZ評(píng)估板使設(shè)計(jì)人員不必處理在這個(gè)外觀簡(jiǎn)單但復(fù)雜的IC中進(jìn)行設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的許多微妙復(fù)雜問題;將其整合到試驗(yàn)板，便可最大限度地減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和挫折感。

試驗(yàn)板挑戰(zhàn)在于評(píng)估板的物理使用，添加電源，并提供RF輸入放大器和特定差分輸出負(fù)載，以及原型產(chǎn)品配置之前任何原型開發(fā)前期的處理器和接口。這樣做需要結(jié)合試驗(yàn)板布局技術(shù)、平臺(tái)和方法。

總結(jié)

適配器和分線板使設(shè)計(jì)人員能集成、互連、實(shí)施和評(píng)估幾乎所有現(xiàn)代產(chǎn)品中標(biāo)準(zhǔn)的微型元器件，它們通常無(wú)引線。較新的迭代超越了仍然廣泛使用的無(wú)焊試驗(yàn)板，能夠混合與搭配元器件、模塊和其他組件。這些選擇增強(qiáng)了物理上的穩(wěn)健性，最大限度地減少不美觀、容易出錯(cuò)且不可靠的安裝和布線。使用這些適配器和試驗(yàn)板可加速測(cè)試和調(diào)試階段，并在更短的時(shí)間內(nèi)獲得可行的原型。

原文標(biāo)題：試驗(yàn)板搭建，如何做到高效、可靠又美觀?這些干貨經(jīng)驗(yàn)，快接住!

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審核編輯：湯梓紅