由于微型無源器件泛使用，以及電路工作頻率達到千兆赫茲 (GHz) 范圍，從投入PCB之前創(chuàng)建和評估電路設(shè)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(zhàn)。試驗板套件和技術(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RF模塊或處理器模塊。

然而好消息是，基于工作臺的開發(fā)工具可用于創(chuàng)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(tǒng)，業(yè)余愛好者、創(chuàng)客、自助設(shè)計 (DIY) 愛好者和工程專業(yè)人士可以構(gòu)建、測試并集成整個產(chǎn)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(xiàn)代電子元器件制作試驗板的基本相關(guān)問題。接著會探討如何基于Aries Electronics、Schmartboard, Inc.、Adafruit Industries LLC、Global Specialties和PhaseDock, Inc. 等供應(yīng)商的適配器和試驗板套件進行更接近最終產(chǎn)品的原型設(shè)計。

最后，本文還介紹這些產(chǎn)品是如何簡化構(gòu)建有用且可靠的試驗板，以便能夠用于驗證電路拓撲結(jié)構(gòu)和接口，按需連接到獨立模塊和評估板，并最終實現(xiàn)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(jù)可查。在電子學(xué)的初期(在這個詞被用于今天的語境之前)，DIY實驗者和創(chuàng)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(gòu)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。

“試驗板”(breadboard) 一詞來源于使用木質(zhì)砧板作為DIY電子電路的基板，例如這個三管收音機。

當然，這些木質(zhì)試驗板作為使用現(xiàn)代元器件的電路平臺已經(jīng)過時了。盡管如此，“試驗板”和“試驗板布局”已成為與粗略構(gòu)建演示電路或子電路有關(guān)的標準術(shù)語。然而，從真空管到分立引線晶體管和無源元器件、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)展對試驗板布局技術(shù)和平臺產(chǎn)生了重大影響。

試驗板和原型有何區(qū)別

一個明顯的問題是關(guān)于試驗板和原型的區(qū)別。兩者之間沒有正式的分界線，而且這兩個詞有時可以互換。然而，大多數(shù)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(shè)計階段，包括：

檢查基本電路概念、功能或設(shè)計方法的可行性。

開發(fā)和驗證軟件驅(qū)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(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和格式。

開發(fā)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(chǎn)品設(shè)計中所扮演的諸多重要角色，盡管試驗板并非完整的系統(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，試驗板通?？捎糜谔綔y、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(xiàn)代設(shè)計中常用的微型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(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)計的試驗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，這種器件具有標準的DIP引線間距。

許多設(shè)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。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)，能實現(xiàn)快速簡便地手動焊接這些微型表面貼裝元器件，也不會產(chǎn)生問題。此外，與每個IC引腳相關(guān)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(shè)備和電路板連接。 有時，試驗板布局的挑戰(zhàn)并非在于連接IC，而是訪問和監(jiān)測電纜或外設(shè)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(guān)和跳線端子(用于大多數(shù)引腳)的“分線盒”就跟萬用表一樣常見。

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(jiān)測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(qū)動軟件。

使用Adafruit的254 Micro SD卡分線板，設(shè)計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設(shè)備之間的信號。

該電路板包括一個超低壓差穩(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元器件的問題，但這些不過是最終設(shè)計的構(gòu)件?，F(xiàn)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(xiàn)元器件更換，并提供正式的測試點，甚至是非預(yù)期的探測。 最早的試驗板之一是20世紀60年代開發(fā)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(fā)。該組件安裝在21 × 24 cm的框架內(nèi) (9.45in.× 8.27in.)，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0.4mm至0.7mm直徑導(dǎo)線作為跳線。該試驗板功能眾多的關(guān)鍵在于，孔間距0.1in.，可容納除電線引線外的標準DIP元器件以及適配器和針座的引腳。

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(dǎo)線的分立元器件和單獨的導(dǎo)線跳線。

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(dǎo)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(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。

無焊試驗板中，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。

使用無焊試驗板時，遵守一些規(guī)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(diào)試或追蹤。

安裝任何跳線都需謹慎并遵守規(guī)范，哪怕是無焊試驗板中最小的項目;否則，就會出現(xiàn)難以辨認的電線迷宮。

適合當今設(shè)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(xiàn)代設(shè)計而言具有嚴重的局限性，而現(xiàn)代設(shè)計通常結(jié)合了預(yù)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(yīng)這些要求，需要一個系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)系統(tǒng)(圖9)。其核心系統(tǒng)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(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。

Phase Dock的基本10104安裝原型開發(fā)系統(tǒng)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(cè))。該產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)可實現(xiàn)在一個平臺上組合使用不同的試驗板和模塊技術(shù)，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(guān)和電位器的支架(圖10)。它們都被牢固安裝在Phase Dock基板上，然后按需連接以測試系統(tǒng)概念，并通過獲取關(guān)鍵信號和測試點進行調(diào)試。

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

供應(yīng)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(xiàn)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(shè)置這樣的高級元器件以檢查其在目標應(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(主要是無源元器件)，還需要謹慎布局和連接。設(shè)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(tǒng)設(shè)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(xiàn)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(wěn)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(chǎn)品設(shè)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(shè)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(shè)計通常和非常熟悉該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)計人員的挑戰(zhàn)是在試驗板布局安排中識別并利用供應(yīng)商提供評估板的優(yōu)勢。請考慮“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。

連接和使用Analog Devices的ADL6012寬帶包絡(luò)檢波器在“圖紙上”看起來很簡單，但有許多設(shè)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(shè)計中的設(shè)計人員而言，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，測試其接口，并在試驗板階段利用ADL6012-EVALZ評估板來“微調(diào)”其在整個項目中的適應(yīng)性。

ADL6012-EVALZ評估板使設(shè)計人員不必處理在這個外觀簡單但復(fù)雜的IC中進行設(shè)計所產(chǎn)生的許多微妙復(fù)雜問題;將其整合到試驗板，便可最大限度地減少產(chǎn)品開發(fā)時間和挫折感。

試驗板挑戰(zhàn)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(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)合試驗板布局技術(shù)、平臺和方法。

總結(jié)

適配器和分線板使設(shè)計人員能集成、互連、實施和評估幾乎所有現(xiàn)代產(chǎn)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(wěn)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(diào)試階段，并在更短的時間內(nèi)獲得可行的原型。

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

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審核編輯：湯梓紅