|
由于微型無源器件和有源器件的廣泛使用，以及電路工作頻率達到千兆赫茲 (GHz) 范圍，從投入 PC 板之前創建和評估電路設計，再到接近最終的原型，這是個越來越難且常常令人沮喪的挑戰。試驗板套件和技術曾經適用于引線器件和雙列直插式封裝 (DIP) IC，但并不兼容現在的高密度 IC 封裝、封裝下的引線墊和幾乎看不見的表面貼裝技術 (SMT) 器件，以及整個 RF 模塊或處理器模塊。 然而好消息是，基于工作臺的開發工具可用于創建基本的試驗板，同時可連接獨立的子電路模塊。通過這些試驗板系統，業余愛好者、創客、自助設計 (DIY) 愛好者和工程專業人士可以構建、測試并集成整個產品的各個子部分，組成一個完整的功能單元。 本文將研究使用現代電子元器件制作試驗板的基本相關問題。接著會探討如何基于 Aries Electronics、Schmartboard, Inc.、Adafruit Industries LLC、Global Specialties 和 Phase Dock, Inc. 等供應商的適配器和試驗板套件進行更接近最終產品的原型設計。 最后，本文還介紹這些產品是如何簡化構建有用且可靠的試驗板，以便能夠用于驗證電路拓撲結構和接口，按需連接到獨立模塊和評估板，并最終實現有意義的原型。 電子試驗板來自何處？ 用“試驗板”(breadboard) 一詞描述看起來粗糙甚至簡陋的電路，可能有點令人不解，但其詞源明確，且有據可查。在電子學的初期（在這個詞被用于今天的語境之前），DIY 實驗者和創客會通過自供電晶體收音機，甚至是基本的真空管收音機，真的是在一塊面包板（用于切面包的木板）上構建電路。他們用大頭針或釘子作為連接點，將電線纏繞其上，有時甚至將這些連接焊接起來（圖 1）。 
圖 1：“試驗板”(breadboard) 一詞來源于使用木質砧板作為 DIY 電子電路的基板，例如這個三管收音機。（圖片來源：Warren Young/ Tangentsoft.net） 當然，這些木質試驗板作為使用現代元器件的電路平臺已經過時了。盡管如此，“試驗板”和“試驗板布局”已成為與粗略構建演示電路或子電路有關的標準術語。然而，從真空管到分立引線晶體管和無源元器件、DIP IC，到現在幾乎看不見的表面貼裝器件，電子技術的發展對試驗板布局技術和平臺產生了重大影響。 試驗板和原型有何區別 一個明顯的問題是關于試驗板和原型的區別。兩者之間沒有正式的分界線，而且這兩個詞有時可以互換。然而，大多數工程師使用試驗板一詞來表示粗略布局的電路或子電路，這些電路需要支持初步設計階段，包括： · 檢查基本電路概念、功能或設計方法的可行性。 · 開發和驗證軟件驅動程序。 · 確保子電路之間或電路與傳感器或負載之間接口的兼容性。 · 制定數據鏈路協議和格式。 · 開發和驗證推定的模型。 · 評估電路和功能性能。 從上述各項，不難看出試驗板在產品設計中所扮演的諸多重要角色，盡管試驗板并非完整的系統、缺少最終產品的封裝和許多“花里胡哨”的功能。例如，試驗板通常依賴于外部電源，而非發貨產品的內部電源。由于其寬廣開放的布局，試驗板通常可用于探測、調整，甚至是更換元器件。然而，由于布局和元器件的寄生效應和相互作用，這種分散布局的物理現實意味著某些性能不可用，尤其是較高頻工作相關的性能。 相比之下，原型更接近最終產品，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問題，如實際間隙和裝配問題、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 如今的試驗板布局需要能連接并使用現代設計中常用的微型 IC。例如，雖然能將六引線 SOT-23 IC 焊接到較大 PC 板上，但由于尺寸小、引線間距窄，因此與該器件的連接會很困難，尤其是改變連接的情況。當 IC 只有底部焊球墊時，情況就更具挑戰性。 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。該產品能將 SOT-23 轉換為六引線 DIP 外殼（圖 2）。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 器件設計的試驗板布局解決方案之一。
圖 2：LCQT-SOT23-6 插座適配器將難以處理的微型六引線 SOT-23 封裝轉換為更易管理的 DIP 器件，這種器件具有標準的 DIP 引線間距。（圖片來源：Aries Electronics） 許多設計采用一系列不同封裝尺寸和引腳配置的 SMT 元器件。對于這些情況，多個單 IC 插座適配器可能會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（圖 3）。這塊 2 × 2 in. 電路板最多可容納五種不同的 IC，包括間距 0.5 mm 的 16 和 28 引腳，間距 0.65 mm 的 20 引腳，以及間距 0.8 mm 的 12 和 16 引腳（用于 QFN 器件）。
圖 3：202-0042-01-QFN 等適配器板可容納多個 SMT IC 封裝的板載焊接和連接分線。（圖片來源：Schmartboard） 202-0042-01-QFN 采用專利技術，能實現快速簡便地手動焊接這些微型表面貼裝元器件，也不會產生問題。此外，與每個 IC 引腳相關的多個電鍍通孔便于駐留元器件在需要時相互連接，還可與其他設備和電路板連接。 有時，試驗板布局的挑戰并非在于連接 IC，而是訪問和監測電纜或外設連接器的引腳。例如，當 25 引腳 RS-232 連接器還是主要通信接口時，帶開關和跳線端子（用于大多數引腳）的“分線盒”就跟萬用表一樣常見（圖 4）。
圖 4：對于之前廣泛使用的連接器和標準的 25 引腳電纜，這種 RS-232 分線盒是監測和重新配置電纜接線的必要元素。（圖片來源：維基百科） 雖然現在很少用到這些 RS-232 分線盒，但諸如 Micro SD 卡等外設仍有類似的需求，需要具備分線功能。針對這種功能，一款有用的適配器是 Adafruit Industries 的 254 Micro SD 卡分線板，設計人員可通過該板連接、測試和驗證這些廣泛使用的存儲卡的硬件接口連接和驅動軟件（圖 5）。
圖 5：使用 Adafruit 的 254 Micro SD 卡分線板，設計人員可以輕松地連接、訪問和監控系統處理器與此外圍存儲設備之間的信號。（圖片來源：Adafruit） 該電路板包括一個超低壓差穩壓器，可將 3.3 - 6 V 之間的電壓轉換為 Micro SD 卡適用的 3.3 V，還有一個電平位移器，可將接口邏輯（3.3 - 5 V）轉換為 3.3 V，因此該板可連接 3.3 V 或 5 V 微控制器。獨立的針座可焊接到適配器，以連接間距 0.1 in. 的引腳。 轉到適配器以外的內容 適配器可解決連接單個元器件的問題，但這些不過是最終設計的構件。現在可訪問的元器件需要連接到其他有源和無源元器件，支持輸入/輸出 (I/O) 接口，實現元器件更換，并提供正式的測試點，甚至是非預期的探測。 最早的試驗板之一是 20 世紀 60 年代開發的無焊試驗板，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 外部供電無焊試驗板組件便是一個例子，非常適合低頻電路的原型開發（圖 6）。該組件安裝在 21 × 24 cm 的框架內 (9.45 in.× 8.27 in.)，包括 3220 個連接點，四個用于連接電源的接線柱，支持 28 個 16 引腳 IC；使用末端剝開的 0.4 mm 至 0.7 mm 直徑導線作為跳線。該試驗板功能眾多的關鍵在于，孔間距 0.1 in.，可容納除電線引線外的標準 DIP 元器件以及適配器和針座的引腳。
圖 6：Global Specialties 的 PB-104M 無焊試驗板組件可容納多個 DIP IC、DIP 封裝適配器、帶導線的分立元器件和單獨的導線跳線。（圖片來源：Global Specialties） 在使用時，無焊試驗板是一個可連接的平臺，其中 DIP IC 和其他元器件可借助短實心導線插入孔中來連接，這些孔也會與元器件引線相連接。兩條沿側邊的外軌通常預留用于電源和地線，并通過短饋線為有源元器件供電（圖 7）。
圖 7：無焊試驗板中，兩條沿側邊的外軌通常預留用于電源和地線。短饋線將軌道與有源元器件連接起來。（圖片來源：Analog Devices） 使用無焊試驗板時，遵守一些規范很重要。例如，使用顏色編碼來幫助識別電線是個好主意，如紅色代表正軌，黑色代表負軌，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甚至更換 IC。否則，無焊試驗板就會像其他許多“臨時”實施方案一樣“一團糟”，并且難以調試或追蹤（圖 8）。
圖 8：安裝任何跳線都需謹慎并遵守規范，哪怕是無焊試驗板中最小的項目；否則，就會出現難以辨認的電線迷宮。（圖片來源：維基百科） 適合當今設計的試驗板組合 無焊試驗板由于其便利性、靈活性和通用性，至今仍被廣泛使用，但對于高時鐘速率和頻率下工作的現代設計而言具有嚴重的局限性，而現代設計通常結合了預裝配的計算機電路板、RF 電路和模塊以及電源模塊。為了適應這些要求，需要一個系統將多個試驗板、原型平臺和子組件整合到一個支持全套系統功能的更大單元中。 這樣的試驗板之一是 Phase Dock 的 10104 安裝原型開發系統（圖 9）。核心系統包括一個 10 × 7 英寸的基座矩陣，其中工作臺為 54 平方英寸，五個用來安裝電子器件的“Click（卡座）”（提供兩種尺寸），以及用來安裝 Arduino、Raspberry Pi 或類似模塊的“Slide（滑座）”；系統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，還有一個可選的透明防護塑料蓋，增強外觀，方便運輸。
圖 9：Phase Dock 的基本 10104 安裝原型開發系統包括一個基座矩陣（頂部）；用于安裝電子器件的卡座（中排）；用于使用 Arduino 和類似平臺的滑座（最下排）；以及非常重要的安裝五金件（最下排左側）。（圖片來源：Phase Dock, Inc.） 該產品開發系統可實現在一個平臺上組合使用不同的試驗板和模塊技術，如無焊試驗板、帶螺紋端子和連接器的專用板、處理器平臺（如 SparkFun 的 RedBoards），甚至還有固定分立開關和電位器的支架（圖 10）。它們都被牢固安裝在 Phase Dock 基板上，然后按需連接以測試系統概念，并通過獲取關鍵信號和測試點進行調試。
圖 10：Phase Dock 系統支持系統元件以“混合和搭配”的方式進行安裝和互連，包括無焊試驗板（白色）、專用 PC 板（綠色）以及該自動控制器系統使用的 SparkFun Redboards（紅色）等處理器平臺。（圖片來源：Phase Dock, Inc.） 供應商評估板連接試驗板 高性能 IC，尤其是那些用于低電平信號、精密放大或 RF 信號處理的 IC，現在幾乎不可避免地要隨附評估板或套件。這樣做是有必要的，因為設置這樣的高級元器件以檢查其在目標應用中的性能，并將其與系統的其他部分集成，就需要使用合適的支持元器件（主要是無源元器件），還需要謹慎布局和連接。設計人員的問題在于如何最好地利用這些評估板，因為它們對最終系統設計的作用可大可小，有的非常有用，有的實屬拖累。 請考慮專用于完全實現元器件功能的評估板。如此一來，這包括額外的支持元器件，如存儲器、本地 DC-DC 穩壓器，甚至微控制器。雖然獨立評估也可能需要這些元器件，但在將試驗 IC 實際用于工程師的產品設計中時，它們可能也會帶來干擾。 另一方面，這些評估板中許多都有必要的專用連接器等元器件。使用評估板可以使設計人員不必重新制作電路（“多此一舉”）；制作精良且適當記錄的評估板設計通常和非常熟悉該 IC 的供應商內部人員創建的電路一樣好，甚至更好。 因此，設計人員的挑戰是在試驗板布局安排中識別并利用供應商提供評估板的優勢。請考慮“小型”IC，如 Analog Devices 的 ADL6012，這是一款 2 GHz 至 67 GHz、500 MHz 帶寬的寬帶包絡檢波器。這種 10 引線 LFCSP 的基本互連器件原理圖看上去相當簡單，實際使用卻比較困難，因為需要精心布局、旁路和高端 RF 連接器（圖 11）。
圖 11：連接和使用 Analog Devices 的 ADL6012 寬帶包絡檢波器在“圖紙上”看起來很簡單，但有許多設計和布局方面的微妙之處。（圖片來源：Analog Devices） 對于希望將這種 RF IC 納入設計中的設計人員而言，在創建最終原理圖和制定布局和封裝之前，理應首先了解其特性，測試其接口，并在試驗板階段利用 ADL6012-EVALZ 評估板來“微調”其在整個項目中的適應性（圖 12）。
圖 12：ADL6012-EVALZ 評估板使設計人員不必處理在這個外觀簡單但復雜的 IC 中進行設計所產生的許多微妙復雜問題；將其整合到試驗板，便可最大限度地減少產品開發時間和挫折感。（圖片來源：Analog Devices） 試驗板挑戰在于評估板的物理使用，添加電源，并提供 RF 輸入放大器和特定差分輸出負載，以及原型產品配置之前任何原型開發前期的處理器和接口。這樣做需要結合試驗板布局技術、平臺和方法。 總結 適配器和分線板使設計人員能集成、互連、實施和評估幾乎所有現代產品中標準的微型元器件，它們通常無引線。較新的迭代超越了仍然廣泛使用的無焊試驗板，能夠混合與搭配元器件、模塊和其他組件。這些選擇增強了物理上的穩健性，最大限度地減少不美觀、容易出錯且不可靠的安裝和布線。使用這些適配器和試驗板可加速測試和調試階段，并在更短的時間內獲得可行的原型。 來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
