Макетная плата - Breadboard

Эта статья про электронику. Для использования в других целях см. Макетная плата (значения).
Электрический эквивалент
400-точечный беспаечный макет
400 баллов печатная плата (PCB) Макетная плата с расстоянием между отверстиями 0,1 дюйма (2,54 мм) электрически эквивалентна беспаечной макетной плате, показанной выше.

А макет является строительной базой для прототипирование из электроника. Первоначально это слово обозначало буквальную макетную доску, полированный кусок дерева, используемый для нарезки хлеба.[1] В 1970-е годы беспаечный макет (a.k.a. коммутационная панель, плата клеммной колодки), и в настоящее время для их обозначения обычно используется термин «макетная плата».

Поскольку для беспаечной макетной платы не требуется пайка, многоразового использования. Это упрощает использование для создания временных прототипов и экспериментов с схемотехникой. По этой причине беспаечные макеты также популярны среди студентов и в технологическом образовании. У более старых типов макетов этого свойства не было. А доска (Veroboard ) и аналогичное прототипирование печатные платы, которые используются для создания полупостоянных паяных прототипов или одноразовых изделий, не могут быть легко использованы повторно. С помощью макетов можно создавать прототипы различных электронных систем, от небольших аналоговых и цифровых схем до полных центральные процессоры (Процессоры).

По сравнению с более постоянными методами подключения схемы современные макеты имеют высокую паразитную емкость, относительно высокое сопротивление и менее надежные соединения, которые подвержены толчкам и физической деградации. Сигнал ограничен примерно 10 МГц, и не все работает должным образом даже ниже этой частоты.

Обычное использование в система на чипе (SoC) эпоха должна получить микроконтроллер (MCU) на предварительно собранном печатная плата (PCB), который предоставляет массив ввод, вывод (IO) контакты в заголовке, подходящие для подключения к макетной плате, а затем для создания прототипа схемы, которая использует одно или несколько периферийных устройств MCU, таких как универсальный ввод / вывод (GPIO), UART /USART последовательные трансиверы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), широтно-импульсная модуляция (ШИМ; используется в блок управления двигателем ), Последовательный периферийный интерфейс (SPI), или I²C.

Прошивка затем разрабатывается для MCU для тестирования, отладки и взаимодействия с прототипом схемы. Тогда высокочастотная работа в значительной степени ограничивается печатной платой SoC. В случае высокоскоростных межсоединений, таких как SPI и I²C, они могут быть отлажены на более низкой скорости, а затем перемонтированы с использованием другой методологии сборки схемы для использования работы на полной скорости. Одна небольшая SoC часто обеспечивает большинство этих вариантов электрического интерфейса в форм-факторе, едва превышающем большую почтовую марку, доступную на американском рынке хобби (и в других местах) за несколько долларов, что позволяет создавать довольно сложные макетные проекты при умеренных затратах. .

Эволюция

Учебные схемы на деревянных брусках
Это 1920-е TRF Радиоприемник фирмы "Сигнал" был построен на деревянном макете.
Пример использования «макета» в электронике. Журнал QST Август 1922 г.

На заре развития радио любители прибивали голые медные провода или клеммные колодки к деревянной плате (часто буквально к плате, на которой можно нарезать хлеб) и припаивали к ним электронные компоненты.[2] Иногда бумага принципиальная схема сначала был приклеен к плате в качестве ориентира для размещения клемм, затем компоненты и провода были установлены поверх их обозначений на схеме. С помощью канцелярские кнопки или небольшие гвозди в качестве монтажных столбов также были обычным явлением.

Макетные платы со временем развивались, и теперь этот термин используется для обозначения всех видов прототипов электронных устройств. Например, Патент США 3145483,[3] была подана в 1961 году и описывает деревянную пластину для макета с установленными пружинами и другими приспособлениями. Патент США 3,496,419,[4] была подана в 1967 году и относится к конкретному печатная плата макет как Печатная схема макета. Оба примера относятся к другим типам макетов и описывают их как предшествующий уровень техники.

Макетная плата, наиболее часто используемая сегодня, обычно сделана из белого пластика и представляет собой съемную (беспаечную) макетную плату. Его спроектировал Рональд Дж. Португалия в 1971 году.[5]

Альтернативы

Обмотка проволоки объединительная плата

Альтернативные методы создания прототипов: двухточечная конструкция (напоминает оригинальные деревянные макеты), проволока, монтажный карандаш, и доски, такие как картон. Сложные системы, такие как современные компьютеры, содержащие миллионы транзисторы, диоды, и резисторы, не поддаются прототипированию с использованием макетов, поскольку их сложные конструкции могут быть трудными для компоновки и отлаживать на макете.

Современные схемы обычно разрабатываются с использованием схематический захват и система моделирования, и протестированы в программное моделирование до того, как первые прототипы схем будут построены на печатная плата. Интегральная схема конструкции представляют собой более экстремальную версию того же процесса: поскольку производство прототипов кремния стоит дорого, перед изготовлением первых прототипов выполняется обширное программное моделирование. Однако методы прототипирования все еще используются для некоторых приложений, таких как РФ схем, или если программные модели компонентов неточны или неполны.

Также можно использовать квадратную сетку пар отверстий, где одно отверстие на пару соединяется со своим рядом, а другое - со своим столбцом. Та же самая форма может быть в круге с рядами и столбцами, каждая спираль которых вращается по часовой стрелке / против часовой стрелки.

Беспаечный макет

Типовые характеристики

Современная макетная розетка без пайки (изобретена Рональдом Дж. Португалия для E&L Instruments, Derby CT) [6] состоит из перфорированного блока из пластика с многочисленными луженый фосфорная бронза или же нейзильбер пружинные фиксаторы из сплава под перфорацию. Ролики часто называют связующие точки или же контактные точки. Количество связующих точек часто указывается в спецификации макета.

Расстояние между зажимами (шаг выводов) обычно составляет 0,1 дюйма (2,54 мм). Интегральные схемы (ИС) в двухрядные пакеты (DIP) могут быть вставлены, чтобы охватить центральную линию блока. Соединительные провода и выводы дискретных компонентов (например, конденсаторы, резисторы, и индукторы ) можно вставить в оставшиеся свободные отверстия для завершения схемы. Если микросхемы не используются, в дискретных компонентах и ​​соединительных проводах могут использоваться любые отверстия. Обычно пружинные зажимы рассчитаны на 1 ампер в 5 вольт и 0,333 ампера при 15 вольт (5 Вт ). Край доски имеет мужской и женский ласточкин хвост выемки, чтобы доски можно было соединить вместе, чтобы сформировать большую макетную плату.

Автобусы и клеммные колодки

Макетные платы без пайки соединяют контакт с контактом с помощью металлических полос внутри макета. Компоновка типичной беспаечной макетной платы состоит из двух типов участков, называемых полосами. Полосы состоят из соединенных между собой электрических клемм.

Макетная плата, состоящая только из клеммных колодок, но без шинных колодок
Клеммные колодки
Основные области для размещения большинства электронных компонентов.
В середине клеммной колодки макетной платы обычно можно найти выемку, идущую параллельно длинной стороне. Насечка предназначена для обозначения центральной линии клеммной колодки и обеспечивает ограниченный поток воздуха (охлаждение) для микросхем DIP, расположенных по осевой линии.[нужна цитата ]. Зажимы справа и слева от выемки соединены радиально; обычно пять зажимов (т.е. под пятью отверстиями) в ряд на каждой стороне паза электрически соединены. Пять столбцов слева от выемки часто обозначаются буквами A, B, C, D и E, а столбцы справа - буквами F, G, H, I и J. Интегральная схема корпуса с линейными выводами (DIP) (например, типичный DIP-14 или DIP-16, у которых расстояние между рядами контактов составляет 0,3 дюйма (7,6 мм)) вставляется в макетную плату, контакты одной стороны чип должен войти в столбец E, а штыри другой стороны - в столбец F на другой стороне выемки. Строки обозначаются номерами от 1 до количества, указанного в макете. Большинство макетов рассчитаны на 17, 30 или 64 ряда в мини, половинной и полной конфигурациях соответственно.
Макетная плата без пайки с двумя полосами шин с обеих сторон
Автобусные полосы
Для подачи питания на электронные компоненты.
Шина обычно состоит из двух столбцов: для заземления и для напряжения питания. Однако на некоторых макетных платах имеется только одноколонная шина распределения питания на каждой длинной стороне. Обычно строка, предназначенная для напряжения питания, отмечена красным, а строка для заземления - синим или черным. Некоторые производители соединяют все клеммы в столбик. Другие просто соединяют группы, например, из 25 последовательных терминалов в столбец. Последняя конструкция предоставляет разработчику схем больше контроля над перекрестные помехи (индуктивно связанный шум) на шине питания. Часто группы на автобусной полосе обозначаются пробелами в цветной маркировке.
Автобусные полосы обычно проходят по одной или обеим сторонам клеммной колодки или между клеммными колодками. На больших макетных платах дополнительные шины часто можно найти наверху и внизу клеммных колодок.
Обратите внимание, что есть два разных общих способа выравнивания шин питания. На небольших платах, насчитывающих около 30 рядов, отверстия для шины питания часто совмещаются между сигнальными отверстиями. На более крупных платах, примерно 63 ряда, отверстия для планок шины питания часто совпадают с сигнальными отверстиями. Это делает некоторые аксессуары, предназначенные для одного типа плат, несовместимыми с другим. Например, некоторые адаптеры Raspberry Pi GPIO для макетных плат используют выровненные со смещением выводы питания, что делает их не подходящими для макетов с выровненными рядами шин питания. Официальных стандартов нет, поэтому пользователям необходимо уделять особое внимание совместимости конкретной модели макета и конкретного аксессуара. Продавцы аксессуаров и макетов не всегда четко определяют, какое выравнивание они используют. Просмотр крупным планом фотографии расположения штифта / отверстия может помочь определить совместимость.
Внутри планки без пайки

Некоторые производители предоставляют отдельные шины и клеммные колодки. Другие просто предоставляют блоки макета, которые содержат оба в одном блоке. Часто полосы или блоки макета одной марки можно соединить вместе, чтобы получить макет большего размера.

В более прочном варианте одна или несколько планок макета устанавливаются на листе металла. Обычно на этом листе-подложке также содержится несколько обязательные сообщения. Эти стойки обеспечивают удобный способ подключения внешнего источника питания. С этим типом макетной платы может быть немного проще работать. На нескольких изображениях в этой статье показаны такие беспаечные макеты.

Диаграмма

Полноразмерная клеммная колодка обычно состоит из примерно 56–65 рядов разъемов, каждый ряд содержит два вышеупомянутых набора соединенных зажимов (от A до E и от F до J). Вместе с шинными полосками с каждой стороны это составляет типичную беспаечную макетную плату от 784 до 910 точек соединения. Полоски малого размера обычно состоят из 30 рядов. Можно найти миниатюрные беспаечные макеты размером всего 17 рядов (без шинных шин, 170 точек привязки), но они подходят только для небольших и простых конструкций.

Соединительные провода

Многожильные соединительные провода 22AWG с твердыми наконечниками

Соединительные провода (также называемые перемычками) для беспаечного макетирования могут быть получены в виде готовых к использованию наборов перемычек или могут быть изготовлены вручную. Последнее может стать утомительной работой для более крупных схем. Готовые к использованию провода бывают разного качества, некоторые даже с крошечными заглушками, прикрепленными к концам проводов. Материал перемычки для готовых или самодельных проводов обычно должен быть 22AWG (0,33 мм2) сплошная медная луженая проволока - при условии, что к концам не нужно прикреплять крошечные заглушки. Концы проводов должны быть зачищены 3⁄16 к 5⁄16 дюймов (от 4,8 до 7,9 мм). Более короткие зачищенные провода могут привести к плохому контакту с пружинными зажимами платы (изоляция будет зажата пружинами). Более длинные зачищенные провода увеличивают вероятность короткого замыкания на плате. Плоскогубцы и пинцет полезны при вставке или удалении проводов, особенно на переполненных платах.

Разноцветные провода и цветовое кодирование дисциплина часто соблюдается для последовательности. Однако количество доступных цветов обычно намного меньше, чем количество типов сигналов или путей. Как правило, несколько цветов проводов зарезервированы для напряжения питания и земли (например, красный, синий, черный), некоторые - для основных сигналов, а остальные просто используются там, где это удобно. В некоторых готовых к использованию наборах соединительных проводов используется цвет для обозначения длины проводов, но эти наборы не позволяют использовать осмысленную схему цветового кодирования.

Современные беспаечные макеты

Некоторые производители предоставляют высококачественные версии беспаечных макетов. Обычно это высококачественные макетные модули, закрепленные на плоском корпусе. В корпусе находится дополнительное оборудование для макетирования, такое как источник питания, один или больше генераторы сигналов, последовательные интерфейсы, Светодиодный дисплей или ЖК-модули, и логические зонды.[7]

Макетные модули без пайки также могут быть установлены на таких устройствах, как микроконтроллер оценочные платы. Они предоставляют простой способ добавить дополнительные периферийные схемы к оценочной плате.

Высокие частоты и мертвые ошибки

Для высокочастотной разработки металлическая макетная плата представляет собой желаемую поддающуюся пайке заземляющую пластину, часто являющуюся неотравленной частью печатной платы; интегральные схемы иногда прикрепляют вверх ногами к макетной плате и припаивают непосредственно к ней, метод, который иногда называют "мертвая ошибка "из-за его внешнего вида. Примеры мертвой ошибки с конструкцией заземляющего слоя проиллюстрированы в примечании к приложению Linear Technologies.[8]

Ограничения

Сложная схема, построенная на микропроцессоре
Прототип микрофонного предусилителя, состоящего из SMD-компонентов, припаянных к ГЛОТОК - или же DIL переходные платы.

Из-за относительно большого паразитная емкость по сравнению с правильно разложенной печатной платой (примерно 2 пФ между соседними контактными стойками[9]), высоко индуктивность некоторых соединений и относительно высокого и не очень воспроизводимого контакта сопротивление беспаечные макеты ограничены работой на относительно низких частотах, обычно менее 10МГц, в зависимости от характера схемы. Относительно высокое контактное сопротивление уже может быть проблемой для некоторых цепей постоянного тока и очень низкочастотных цепей. Беспаечные макеты дополнительно ограничены номинальными значениями напряжения и тока.

Беспаечные макеты обычно не подходят технология поверхностного монтажа устройства (SMD) или компоненты с шагом сетки, отличным от 0,1 дюйма (2,54 мм). Кроме того, они не могут вместить компоненты с несколькими рядами разъемов, если эти разъемы не соответствуют двойной рядный расположение - невозможно обеспечить правильное электрическое подключение. Иногда маленький Печатная плата адаптеры, называемые «переходными переходниками», могут использоваться для установки компонента на плату. Такие адаптеры содержат один или несколько компонентов и имеют разнесенные на 0,1 дюйма (2,54 мм) штыри разъема в одинарный рядный или двойная линейная компоновка для вставки в макетную плату без пайки. Компоненты большего размера обычно подключаются к разъему адаптера, тогда как компоненты меньшего размера (например, резисторы SMD) обычно припаиваются непосредственно к адаптеру. Затем адаптер подключается к макетной плате через разъемы 0,1 дюйма (2,54 мм). Однако необходимость пайки компонентов на адаптер сводит на нет некоторые преимущества использования беспаечной макетной платы.

Очень сложные схемы могут стать неуправляемыми на макетной плате без пайки из-за большого количества необходимых проводов. Само удобство простого подключения и отключения соединений также делает слишком легким случайное нарушение соединения, и система становится ненадежной. Можно создать прототип системы с тысячами точек подключения, но при тщательной сборке необходимо соблюдать особую осторожность, и такая система становится ненадежной, поскольку сопротивление контакта со временем увеличивается. В какой-то момент очень сложные системы должны быть реализованы с использованием более надежной технологии межсетевого взаимодействия, чтобы иметь возможность работать в течение приемлемого периода времени.

дальнейшее чтение

Патенты
  • Патент США 231708,[10] подано в 1880 г. "Электрический распределительный щит".
  • Патент США 2477653,[11] подано в 1943 г. "Аппарат испытательного табло для первичной электрической подготовки".
  • Патент США 2568535,[12] подано в 1945 г. "Доска для демонстрации электрических схем".
  • Патент США 2885602,[13] подано в 1955 г. "Изготовление модульных схем".
  • Патент США 3062991,[14] подано в 1958 г. "Система быстрого присоединения и отсоединения контура".
  • Патент США 2983892,[15] подано в 1958 г. "Монтажный комплект для электрических цепей".
  • Патент США 3085177,[16] подано в 1960 г. "Устройство для облегчения конструирования электрических аппаратов".
  • Патент США 3078596,[17] подано в 1960 г. "Монтажная плата".
  • Патент США 3145483,[3] подано в 1961 г. "Тестовая плата для электронных схем".
  • Патент США 3277589,[18] подано в 1964 г. "Комплект для электрических экспериментов".
  • Патент США 3447249,[19] подано в 1966 г. "Электронный строительный набор". Raytheon Lectron.
  • Патент США 3496419,[4] подано в 1967 г. "Печатная плата".
  • Патент США 3540135,[20] подано в 1968 г. "Учебные пособия".
  • Патент США 3733574,[21] подано в 1971 г. "Миниатюрные тандемные пружинные зажимы".
  • Патент США D228136,[5] подано в 1971 г. "Макетная плата для электронных компонентов и т.п.". Современный макет.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лайл Рассел Уильямс; видеть Справочник по сборке нового радиоприемника Lulu.com, 2006 г. ISBN  1847285260 стр. 83
  2. ^ Описание термина макетная плата В архиве 2007-09-27 на Wayback Machine
  3. ^ а б Патент США 3145483. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: «Тестовая плата для электронных схем», подана 4 мая 1961 г., получена 14 июля 2017 г.
  4. ^ а б Патент США 3496419. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: "Макетная плата с печатным монтажом", подана 25 апреля 1967 г., получена 14 июля 2017 г.
  5. ^ а б Патент США D228136.: «Макетная плата для электронных компонентов и т.п.», подана 1 декабря 1971 г., получена 14 июля 2017 г.
  6. ^ https://patents.google.com/patent/USD228136S/en
  7. ^ Макетная плата с питанием В архиве 2011-10-09 на Wayback Machine
  8. ^ Линейная технология (Август 1991 г.). «Примечание по применению 47: методы работы с высокоскоростным усилителем» (pdf). Получено 2016-02-14. Макетные платы мертвых жуков с заземленным слоем и другие методы прототипирования, показанные на рисунках с F1 по F24, со стр. АН47-98. Информация о макетной плате приведена на стр. AN47-26 - AN47-29.
  9. ^ Джонс, Дэвид. "EEVblog # 568 - Емкость беспаечной макетной платы". EEVblog. В архиве из оригинала 21 января 2014 г.. Получено 15 января 2014.
  10. ^ Патент США 2477653. "Электрический распределительный щит", подана 31 августа 1880 г., получена 4 августа 2019 г.
  11. ^ Патент США 2477653. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: "Аппарат испытательного щита для первичной электрической тренировки", подана 10 апреля 1943 г., извлечена 14 июля 2017 г.
  12. ^ Патент США 2568535. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: «Доска для демонстрации электрических схем», подана 10 апреля 1945 г., извлечена 14 июля 2017 г.
  13. ^ Патент США 2885602.: "Изготовление модульных схем", подана 4 апреля 1955 г., извлечена 14 июля 2017 г.
  14. ^ Патент США 3062991. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: "Система быстрого присоединения и отсоединения цепей", подана 8 сентября 1958 г., извлечена 14 июля 2017 г.
  15. ^ Патент США 2983892. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: «Монтажная сборка для электрических цепей», подана 14 ноября 1958 г., извлечена 14 июля 2017 г.
  16. ^ Патент США 3085177. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: "Устройство для облегчения строительства электрических аппаратов", подана 7 июля 1960 г., извлечена 14 января 2017 г.
  17. ^ Патент США 3078596. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: "Монтажная плата", подана 21 ноября 1960 г., извлечена 14 января 2017 г.
  18. ^ Патент США 3277589. В архиве 2018-01-23 в Wayback Machine: "Набор для электрических экспериментов", подана 5 ноября 1964 г., извлечена 14 июля 2017 г.
  19. ^ Патент США 3447249.: «Электронный конструктор», подана 5 мая 1966 г., извлечена 14 января 2017 г.
  20. ^ Патент США 3540135.: «Учебные пособия», подана 11 октября 1968 г., получена 14 июля 2017 г.
  21. ^ Патент США 3733574.: "Миниатюрные тандемные пружинные зажимы", подана 23 июня 1971 г., извлечена 14 января 2017 г.

внешняя ссылка