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由于微型無(wú)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(chuàng )建和評估電路設計，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。試驗板套件和技術(shù)曾經(jīng)適用于引線(xiàn)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(xiàn)墊和幾乎看不見(jiàn)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，基于工作臺的開(kāi)發(fā)工具可用于創(chuàng )建基本的試驗板，同時(shí)可連接獨立的子電路模塊。通過(guò)這些試驗板系統，業(yè)余愛(ài)好者、創(chuàng )客、自助設計 (DIY) 愛(ài)好者和工程專(zhuān)業(yè)人士可以構建、測試并集成整個(gè)產(chǎn)品的各個(gè)子部分，組成一個(gè)完整的功能單元。 本文將研究使用現代電子元器件制作試驗板的基本相關(guān)問(wèn)題。接著(zhù)會(huì )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(jìn)行更接近最終產(chǎn)品的原型設計。 最后，本文還介紹這些產(chǎn)品是如何簡(jiǎn)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(shí)現有意義的原型。 電子試驗板來(lái)自何處？ 用“試驗板”(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)驗者和創(chuàng )客會(huì )通過(guò)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(diǎn)，將電線(xiàn)纏繞其上，有時(shí)甚至將這些連接焊接起來(lái)（圖 1）。 
圖 1：“試驗板”(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。（圖片來(lái)源：Warren Young/ Tangentsoft.net） 當然，這些木質(zhì)試驗板作為使用現代元器件的電路平臺已經(jīng)過(guò)時(shí)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(guān)的標準術(shù)語(yǔ)。然而，從真空管到分立引線(xiàn)晶體管和無(wú)源元器件、DIP IC，到現在幾乎看不見(jiàn)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別 一個(gè)明顯的問(wèn)題是關(guān)于試驗板和原型的區別。兩者之間沒(méi)有正式的分界線(xiàn)，而且這兩個(gè)詞有時(shí)可以互換。然而，大多數工程師使用試驗板一詞來(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(kāi)發(fā)和驗證軟件驅動(dòng)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(xié)議和格式。 · 開(kāi)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(chǎn)品的封裝和許多“花里胡哨”的功能。例如，試驗板通常依賴(lài)于外部電源，而非發(fā)貨產(chǎn)品的內部電源。由于其寬廣開(kāi)放的布局，試驗板通�？捎糜谔綔y、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(shí)意味著(zhù)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(hù) I/O。除了功能完整，原型通常用于檢查制造相關(guān)問(wèn)題，如實(shí)際間隙和裝配問(wèn)題、熱路徑、用戶(hù)交互以及視覺(jué)吸引力和外觀(guān)。 從基本適配器開(kāi)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(xiàn) SOT-23 IC 焊接到較大 PC 板上，但由于尺寸小、引線(xiàn)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 IC 只有底部焊球墊時(shí)，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(chǎn)品能將 SOT-23 轉換為六引線(xiàn) DIP 外殼（圖 2）。一旦 SOT-23 器件看上去像引線(xiàn)間距 0.1 in. 的 DIP，即可用于專(zhuān)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(xiàn) 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(xiàn)間距。（圖片來(lái)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(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（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(gè) SMT IC 封裝的板載焊接和連接分線(xiàn)。（圖片來(lái)源：Schmartboard） 202-0042-01-QFN 采用專(zhuān)利技術(shù)，能實(shí)現快速簡(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(wèn)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，還可與其他設備和電路板連接。 有時(shí)，試驗板布局的挑戰并非在于連接 IC，而是訪(fǎng)問(wèn)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(shí)，帶開(kāi)關(guān)和跳線(xiàn)端子（用于大多數引腳）的“分線(xiàn)盒”就跟萬(wàn)用表一樣常見(jiàn)（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(xiàn)盒是監測和重新配置電纜接線(xiàn)的必要元素。（圖片來(lái)源：維基百科） 雖然現在很少用到這些 RS-232 分線(xiàn)盒，但諸如 Micro SD 卡等外設仍有類(lèi)似的需求，需要具備分線(xiàn)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(xiàn)板，設計人員可通過(guò)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(dòng)軟件（圖 5）。
圖 5：使用 Adafruit 的 254 Micro SD 卡分線(xiàn)板，設計人員可以輕松地連接、訪(fǎng)問(wèn)和監控系統處理器與此外圍存儲設備之間的信號。（圖片來(lái)源：Adafruit） 該電路板包括一個(gè)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(gè)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(gè)元器件的問(wèn)題，但這些不過(guò)是最終設計的構件�，F在可訪(fǎng)問(wèn)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)現元器件更換，并提供正式的測試點(diǎn)，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(kāi)發(fā)的無(wú)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(xiàn)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(wú)焊試驗板組件便是一個(gè)例子，非常適合低頻電路的原型開(kāi)發(fā)（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(gè)連接點(diǎn)，四個(gè)用于連接電源的接線(xiàn)柱，支持 28 個(gè) 16 引腳 IC；使用末端剝開(kāi)的 0.4 mm 至 0.7 mm 直徑導線(xiàn)作為跳線(xiàn)。該試驗板功能眾多的關(guān)鍵在于，孔間距 0.1 in.，可容納除電線(xiàn)引線(xiàn)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(wú)焊試驗板組件可容納多個(gè) DIP IC、DIP 封裝適配器、帶導線(xiàn)的分立元器件和單獨的導線(xiàn)跳線(xiàn)。（圖片來(lái)源：Global Specialties） 在使用時(shí)，無(wú)焊試驗板是一個(gè)可連接的平臺，其中 DIP IC 和其他元器件可借助短實(shí)心導線(xiàn)插入孔中來(lái)連接，這些孔也會(huì )與元器件引線(xiàn)相連接。兩條沿側邊的外軌通常預留用于電源和地線(xiàn)，并通過(guò)短饋線(xiàn)為有源元器件供電（圖 7）。
圖 7：無(wú)焊試驗板中，兩條沿側邊的外軌通常預留用于電源和地線(xiàn)。短饋線(xiàn)將軌道與有源元器件連接起來(lái)。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 使用無(wú)焊試驗板時(shí)，遵守一些規范很重要。例如，使用顏色編碼來(lái)幫助識別電線(xiàn)是個(gè)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(hù)需要注意將跳線(xiàn)平鋪在電路板上，以盡量減少雜亂，將互連跳線(xiàn)布置在 IC 周?chē)�，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(wú)焊試驗板就會(huì )像其他許多“臨時(shí)”實(shí)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(xiàn)都需謹慎并遵守規范，哪怕是無(wú)焊試驗板中最小的項目；否則，就會(huì )出現難以辨認的電線(xiàn)迷宮。（圖片來(lái)源：維基百科） 適合當今設計的試驗板組合 無(wú)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(shí)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(gè)系統將多個(gè)試驗板、原型平臺和子組件整合到一個(gè)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(kāi)發(fā)系統（圖 9）。核心系統包括一個(gè) 10 × 7 英寸的基座矩陣，其中工作臺為 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(lèi)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(wú)需滑座），加入更高的“塔式”電子器件，并管理電線(xiàn)和電纜。此外，還有一個(gè)可選的透明防護塑料蓋，增強外觀(guān)，方便運輸。
圖 9：Phase Dock 的基本 10104 安裝原型開(kāi)發(fā)系統包括一個(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(lèi)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(lái)源：Phase Dock, Inc.） 該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統可實(shí)現在一個(gè)平臺上組合使用不同的試驗板和模塊技術(shù)，如無(wú)焊試驗板、帶螺紋端子和連接器的專(zhuān)用板、處理器平臺（如 SparkFun 的 RedBoards），甚至還有固定分立開(kāi)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概念，并通過(guò)獲取關(guān)鍵信號和測試點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行安裝和互連，包括無(wú)焊試驗板（白色）、專(zhuān)用 PC 板（綠色）以及該自動(dòng)控制器系統使用的 SparkFun Redboards（紅色）等處理器平臺。（圖片來(lái)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(wú)源元器件），還需要謹慎布局和連接。設計人員的問(wèn)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(shí)屬拖累。 請考慮專(zhuān)用于完全實(shí)現元器件功能的評估板。如此一來(lái)，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(shí)際用于工程師的產(chǎn)品設計中時(shí)，它們可能也會(huì )帶來(lái)干擾。 另一方面，這些評估板中許多都有必要的專(zhuān)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(chuàng )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(yōu)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(luò )檢波器。這種 10 引線(xiàn) LFCSP 的基本互連器件原理圖看上去相當簡(jiǎn)單，實(shí)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(luò )檢波器在“圖紙上”看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但有許多設計和布局方面的微妙之處。（圖片來(lái)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(chuàng )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(lái)“微調”其在整個(gè)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(gè)外觀(guān)簡(jiǎn)單但復雜的 IC 中進(jìn)行設計所產(chǎn)生的許多微妙復雜問(wèn)題；將其整合到試驗板，便可最大限度地減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間和挫折感。（圖片來(lái)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(chǎn)品配置之前任何原型開(kāi)發(fā)前期的處理器和接口。這樣做需要結合試驗板布局技術(shù)、平臺和方法。 總結 適配器和分線(xiàn)板使設計人員能集成、互連、實(shí)施和評估幾乎所有現代產(chǎn)品中標準的微型元器件，它們通常無(wú)引線(xiàn)。較新的迭代超越了仍然廣泛使用的無(wú)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(guān)、容易出錯且不可靠的安裝和布線(xiàn)。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(shí)間內獲得可行的原型。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
