作者：Bill Schweber
关键词: 开发工具, 方案
由于微型无源器件和有源器件的广泛使用，以及电路工作频率达到千兆赫兹 (GHz) 范围，从投入PCB之前创建和评估电路设计，再到接近最终的原型，这是个越来越难且常常令人沮丧的挑战。试验板套件和技术曾经适用于引线器件和双列直插式封装 (DIP) IC，但并不兼容现在的高密度IC封装、封装下的引线垫和几乎看不见的表面贴装技术 (SMT) 器件，以及整个RF模块或处理器模块。
然而好消息是，基于工作台的开发工具可用于创建基本的试验板，同时可连接独立的子电路模块。通过这些试验板系统，业余爱好者、创客、自助设计 (DIY) 爱好者和工程专业人士可以构建、测试并集成整个产品的各个子部分，组成一个完整的功能单元。
本文将研究使用现代电子元器件制作试验板的基本相关问题。接着会探讨如何基于Aries Electronics、Schmartboard, Inc.、Adafruit Industries LLC、Global Specialties和Phase Dock, Inc. 等供应商的适配器和试验板套件进行更接近最终产品的原型设计。
最后，本文还介绍这些产品是如何简化构建有用且可靠的试验板，以便能够用于验证电路拓扑结构和接口，按需连接到独立模块和评估板，并最终实现有意义的原型。
电子试验板来自何处？
用“试验板”(breadboard) 一词描述看起来粗糙甚至简陋的电路，可能有点令人不解，但其词源明确，且有据可查。在电子学的初期（在这个词被用于今天的语境之前），DIY 实验者和创客会通过自供电晶体收音机，甚至是基本的真空管收音机，真的是在一块面包板（用于切面包的木板）上构建电路。他们用大头针或钉子作为连接点，将电线缠绕其上，有时甚至将这些连接焊接起来（图1）。
图1：“试验板”(breadboard) 一词来源于使用木质砧板作为DIY电子电路的基板，例如这个三管收音机。（图片来源：Warren Young/ Tangentsoft.net）
当然，这些木质试验板作为使用现代元器件的电路平台已经过时了。尽管如此，“试验板”和“试验板布局”已成为与粗略构建演示电路或子电路有关的标准术语。然而，从真空管到分立引线晶体管和无源元器件、DIP IC，到现在几乎看不见的表面贴装器件，电子技术的发展对试验板布局技术和平台产生了重大影响。
试验板和原型有何区别
一个明显的问题是关于试验板和原型的区别。两者之间没有正式的分界线，而且这两个词有时可以互换。然而，大多数工程师使用试验板一词来表示粗略布局的电路或子电路，这些电路需要支持初步设计阶段，包括：
- 检查基本电路概念、功能或设计方法的可行性。
- 开发和验证软件驱动程序。
- 确保子电路之间或电路与传感器或负载之间接口的兼容性。
- 制定数据链路协议和格式。
- 开发和验证推定的模型。
- 评估电路和功能性能。
从上述各项，不难看出试验板在产品设计中所扮演的诸多重要角色，尽管试验板并非完整的系统、缺少最终产品的封装和许多“花里胡哨”的功能。例如，试验板通常依赖于外部电源，而非发货产品的内部电源。由于其宽广开放的布局，试验板通常可用于探测、调整，甚至是更换元器件。然而，由于布局和元器件的寄生效应和相互作用，这种分散布局的物理现实意味着某些性能不可用，尤其是较高频工作相关的性能。
相比之下，原型更接近最终产品，并使用相同的元器件、封装、外形尺寸和用户I/O。除了功能完整，原型通常用于检查制造相关问题，如实际间隙和装配问题、热路径、用户交互以及视觉吸引力和外观。
从基本适配器开始
如今的试验板布局需要能连接并使用现代设计中常用的微型IC。例如，虽然能将六引线SOT-23 IC焊接到较大PCB上，但由于尺寸小、引线间距窄，因此与该器件的连接会很困难，尤其是改变连接的情况。当IC只有底部焊球垫时，情况就更具挑战性。
一种解决方案是使用一些器件，如Aries Electronics的LCQT-SOT23-6插座适配器。该产品能将SOT-23转换为六引线DIP外壳（图2）。一旦SOT-23器件看上去像引线间距0.1 in.的DIP，即可用于专为较大DIP器件设计的试验板布局解决方案之一。
图2：LCQT-SOT23-6插座适配器将难以处理的微型六引线SOT-23封装转换为更易管理的DIP器件，这种器件具有标准的DIP引线间距。（图片来源：Aries Electronics）
许多设计采用一系列不同封装尺寸和引脚配置的SMT元器件。对于这些情况，多个单IC插座适配器可能会变得难以处理和互连。Schmartboard的202-0042-01 QFN适配器板可以最大限度减少潜在的困惑（图3）。这块2 × 2 in.电路板最多可容纳五种不同的IC，包括间距0.5mm的16和28引脚，间距0.65mm的20引脚，以及间距0.8mm的12和16引脚（用于QFN器件）。
图3：202-0042-01-QFN等适配器板可容纳多个SMT IC封装的板载焊接和连接分线。（图片来源：Schmartboard）
202-0042-01-QFN采用专利技术，能实现快速简便地手动焊接这些微型表面贴装元器件，也不会产生问题。此外，与每个IC引脚相关的多个电镀通孔便于驻留元器件在需要时相互连接，还可与其他设备和电路板连接。
有时，试验板布局的挑战并非在于连接IC，而是访问和监测电缆或外设连接器的引脚。例如，当25引脚RS-232连接器还是主要通信接口时，带开关和跳线端子（用于大多数引脚）的“分线盒”就跟万用表一样常见（图4）。
图4：对于之前广泛使用的连接器和标准的25引脚电缆，这种RS-232分线盒是监测和重新配置电缆接线的必要元素。（图片来源：维基百科）
虽然现在很少用到这些RS-232分线盒，但诸如Micro SD卡等外设仍有类似的需求，需要具备分线功能。针对这种功能，一款有用的适配器是Adafruit Industries的254 Micro SD卡分线板，设计人员可通过该板连接、测试和验证这些广泛使用的存储卡的硬件接口连接和驱动软件（图5）。
图5：使用Adafruit的254 Micro SD卡分线板，设计人员可以轻松地连接、访问和监控系统处理器与此外围存储设备之间的信号。（图片来源：Adafruit）
该电路板包括一个超低压差稳压器，可将3.3 – 6V之间的电压转换为Micro SD卡适用的3.3V，还有一个电平位移器，可将接口逻辑（3.3 – 5V）转换为3.3V，因此该板可连接3.3V或5V微控制器。独立的针座可焊接到适配器，以连接间距0.1 in.的引脚。
转到适配器以外的内容
适配器可解决连接单个元器件的问题，但这些不过是最终设计的构件。现在可访问的元器件需要连接到其他有源和无源元器件，支持输入/输出 (I/O) 接口，实现元器件更换，并提供正式的测试点，甚至是非预期的探测。
最早的试验板之一是20世纪60年代开发的无焊试验板，该板可以方便地直接容纳双列直插式封装 (DIP) 器件，以及分立引线元器件，并且至今仍在广泛使用。这种试验板方便易得、容易使用，并支持合理的元器件密度。
Global Specialties的PB-104M外部供电无焊试验板组件便是一个例子，非常适合低频电路的原型开发（图6）。该组件安装在21 × 24 cm的框架内 (9.45in.× 8.27in.)，包括3220个连接点，四个用于连接电源的接线柱，支持28个16引脚IC；使用末端剥开的0.4mm至0.7mm直径导线作为跳线。该试验板功能众多的关键在于，孔间距0.1in.，可容纳除电线引线外的标准DIP元器件以及适配器和针座的引脚。
图6：Global Specialties的PB-104M无焊试验板组件可容纳多个DIP IC、DIP封装适配器、带导线的分立元器件和单独的导线跳线。（图片来源：Global Specialties）
在使用时，无焊试验板是一个可连接的平台，其中DIP IC和其他元器件可借助短实心导线插入孔中来连接，这些孔也会与元器件引线相连接。两条沿侧边的外轨通常预留用于电源和地线，并通过短馈线为有源元器件供电（图7）。
使用无焊试验板时，遵守一些规范很重要。例如，使用颜色编码来帮助识别电线是个好主意，如红色代表正轨，黑色代表负轨，绿色代表接地。另外，用户需要注意将跳线平铺在电路板上，以尽量减少杂乱，将互连跳线布置在IC周围，而非其上方，这样就可以最小的干扰探测甚至更换IC。否则，无焊试验板就会像其他许多“临时”实施方案一样“一团糟”，并且难以调试或追踪（图8）。
图8：安装任何跳线都需谨慎并遵守规范，哪怕是无焊试验板中最小的项目；否则，就会出现难以辨认的电线迷宫。（图片来源：维基百科）
适合当今设计的试验板组合
无焊试验板由于其便利性、灵活性和通用性，至今仍被广泛使用，但对于高时钟速率和频率下工作的现代设计而言具有严重的局限性，而现代设计通常结合了预装配的计算机电路板、RF电路和模块以及电源模块。为了适应这些要求，需要一个系统将多个试验板、原型平台和子组件整合到一个支持全套系统功能的更大单元中。
这样的试验板之一是Phase Dock的10104安装原型开发系统（图9）。其核心系统包括一个10 × 7英寸的基座矩阵，其中工作台为54平方英寸，五个用来安装电子器件的“Click（卡座）”（提供两种尺寸），以及用来安装Arduino、Raspberry Pi或类似模块的“Slide（滑座）”；系统还包括螺丝等小五金件，例如能让工程师组装卡座/滑座组合，在滑座上安装电子器件，直接在卡座上安装电子器件（无需滑座），加入更高的“塔式”电子器件，并管理电线和电缆。此外，还有一个可选的透明防护塑料盖，增强外观，方便运输。
图9：Phase Dock的基本10104安装原型开发系统包括一个基座矩阵（顶部）；用于安装电子器件的卡座（中排）；用于使用Arduino和类似平台的滑座（最下排）；以及非常重要的安装五金件（最下排左侧）。（图片来源：Phase Dock, Inc.）
该产品开发系统可实现在一个平台上组合使用不同的试验板和模块技术，如无焊试验板、带螺纹端子和连接器的专用板、处理器平台（如SparkFun的RedBoards），甚至还有固定分立开关和电位器的支架（图10）。它们都被牢固安装在Phase Dock基板上，然后按需连接以测试系统概念，并通过获取关键信号和测试点进行调试。
图10：Phase Dock系统支持系统元件以“混合和搭配”的方式进行安装和互连，包括无焊试验板（白色）、专用PCB（绿色）以及该自动控制器系统使用的SparkFun Redboards（红色）等处理器平台。（图片来源：Phase Dock, Inc.）
供应商评估板连接试验板
高性能IC，尤其是那些用于低电平信号、精密放大或RF信号处理的IC，现在几乎不可避免地要随附评估板或套件。这样做是有必要的，因为设置这样的高级元器件以检查其在目标应用中的性能，并将其与系统的其他部分集成，就需要使用合适的支持元器件（主要是无源元器件），还需要谨慎布局和连接。设计人员的问题在于如何最好地利用这些评估板，因为它们对最终系统设计的作用可大可小，有的非常有用，有的实属拖累。
请考虑专用于完全实现元器件功能的评估板。如此一来，这包括额外的支持元器件，如存储器、本地DC-DC稳压器，甚至微控制器。虽然独立评估也可能需要这些元器件，但在将试验IC实际用于工程师的产品设计中时，它们可能也会带来干扰。
另一方面，这些评估板中许多都有必要的专用连接器等元器件。使用评估板可以使设计人员不必重新制作电路（“多此一举”）；制作精良且适当记录的评估板设计通常和非常熟悉该IC的供应商内部人员创建的电路一样好，甚至更好。
因此，设计人员的挑战是在试验板布局安排中识别并利用供应商提供评估板的优势。请考虑“小型”IC，如Analog Devices的ADL6012，这是一款2GHz至67GHz、500MHz带宽的宽带包络检波器。这种10引线LFCSP的基本互连器件原理图看上去相当简单，实际使用却比较困难，因为需要精心布局、旁路和高端RF连接器（图11）。
图11：连接和使用Analog Devices的ADL6012宽带包络检波器在“图纸上”看起来很简单，但有许多设计和布局方面的微妙之处。（图片来源：Analog Devices）
对于希望将这种RF IC纳入设计中的设计人员而言，在创建最终原理图和制定布局和封装之前，理应首先了解其特性，测试其接口，并在试验板阶段利用ADL6012-EVALZ评估板来“微调”其在整个项目中的适应性（图12）。
图12：ADL6012-EVALZ评估板使设计人员不必处理在这个外观简单但复杂的IC中进行设计所产生的许多微妙复杂问题；将其整合到试验板，便可最大限度地减少产品开发时间和挫折感。（图片来源：Analog Devices）
试验板挑战在于评估板的物理使用，添加电源，并提供RF输入放大器和特定差分输出负载，以及原型产品配置之前任何原型开发前期的处理器和接口。这样做需要结合试验板布局技术、平台和方法。
总结
适配器和分线板使设计人员能集成、互连、实施和评估几乎所有现代产品中标准的微型元器件，它们通常无引线。较新的迭代超越了仍然广泛使用的无焊试验板，能够混合与搭配元器件、模块和其他组件。这些选择增强了物理上的稳健性，最大限度地减少不美观、容易出错且不可靠的安装和布线。使用这些适配器和试验板可加速测试和调试阶段，并在更短的时间内获得可行的原型。
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