Макет
Макетная плата , беспаечная макетная плата или прототипная плата — это строительная основа, используемая для создания полупостоянных прототипов электронных схем . В отличие от перфорированной или стрипборда , макетные платы не требуют пайки или разрушения дорожек и, следовательно, могут использоваться повторно. По этой причине макеты также популярны среди студентов и специалистов технического образования.
С помощью макетов можно создавать прототипы различных электронных систем: от небольших аналоговых и цифровых схем до полноценных центральных процессоров (ЦП).
По сравнению с более постоянными методами подключения цепей, современные макеты имеют высокую паразитную емкость , относительно высокое сопротивление и менее надежные соединения, которые подвержены ударам и физическому разрушению. Передача сигналов ограничена примерно 10 МГц, и не все работает должным образом даже ниже этой частоты.
История
[ редактировать ]
На заре радиолюбители прибивали оголенные медные провода или клеммные колодки к деревянной доске (часто буквально доске для разделки хлеба ) и припаивали к ним электронные компоненты. [1] Иногда на плату бумажную принципиальную схему сначала приклеивали в качестве руководства по размещению клемм, а затем поверх их обозначений на схеме устанавливали компоненты и провода. Также было распространено использование канцелярских кнопок или маленьких гвоздей в качестве опор.
Макетные платы со временем развивались, и теперь этот термин используется для всех видов прототипов электронных устройств. Например, патент США 3145483, [2] был подан в 1961 году и описывает деревянную пластину-макет с установленными пружинами и другими приспособлениями. Патент США 3496419, [3] был подан в 1967 году и относится к конкретной компоновке печатной платы как печатной макетной плате . Оба примера относятся к другим типам макетов и описывают их как предшествующий уровень техники .
В 1960 году Орвилл Томпсон из Технического института ДеВри запатентовал макет без пайки, соединяющий ряды отверстий вместе с пружинным металлом. [4] В 1971 году Рональд Португал из E&L Instruments запатентовал аналогичную концепцию с отверстиями с интервалом 0,1 дюйма (2,54 мм), такую же, как в корпусах DIP IC, которая стала основой современного беспаечного макета, который обычно используется сегодня. [5]
Уровень техники
[ редактировать ]- США Патент 231708, поданный в 1880 году, « Электрический распределительный щит ». [6]
- Патент США 2477653, поданный в 1943 году, « Прибор для первичного электрического обучения ». [7]
- Патент США 2592552, поданный в 1944 году, « Электрическая инструкция ». [8]
- Патент США 2568535, поданный в 1945 году, « Доска для демонстрации электрических цепей ». [9]
- Патент США 2885602, поданный в 1955 году, « Изготовление модульных схем », National Cash Register (NCR) . [10]
- Патент США 3062991, поданный в 1958 году, « Система быстрого крепления и отсоединения цепей ». [11]
- Патент США 2983892, поданный в 1958 году, « Монтажный узел для электрических цепей ». [12]
- Патент США 3085177, поданный в 1960 году, « Устройство для облегчения конструкции электрического аппарата », Технический институт ДеВри . [4]
- Патент США 3078596, поданный в 1960 году, « Сборочная плата ». [13]
- Патент США 3145483, поданный в 1961 году, « Испытательная плата для электронных схем ». [2]
- Патент США 3277589, поданный в 1964 году, « Набор для электрических экспериментов ». [14]
- Патент США 3447249, поданный в 1966 году, « Электронный конструктор ». [15] См. Лектронные блоки/домино.
- Патент США 3496419, поданный в 1967 году, « Печатный макет ». [3]
- Патент США 3540135, поданный в 1968 году, « Обучающие учебные пособия ». [16]
- Патент США 3733574, поданный в 1971 году, « Миниатюрные тандемные пружинные зажимы », компания Vector Electronics. [17] [18]
- Патент США D228136, поданный в 1971 году, « Макетная плата для электронных компонентов и т.п. », E&L Instruments. [5] [19] [20] Это современный беспаечный макет.
Дизайн
[ редактировать ]
Современная беспаечная макетная плата состоит из перфорированного пластикового блока с многочисленными пружинными зажимами из луженой фосфористой бронзы или мельхиорового сплава под перфорацией. Зажимы часто называют связующими точками или контактными точками . 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 двухрядных корпусах (DIP) могут быть вставлены так, чтобы располагаться между осевой линией блока. Соединительные провода и выводы дискретных компонентов (таких как конденсаторы , резисторы и катушки индуктивности ) можно вставить в оставшиеся свободные отверстия для замыкания цепи. Если микросхемы не используются, дискретные компоненты и соединительные провода могут использовать любое из отверстий. Обычно пружинные зажимы рассчитаны на ток 1 ампер при напряжении 5 В и 0,333 ампера при напряжении 15 В (5 Вт ).
Автобусные и клеммные колодки
[ редактировать ]
На макетных платах без пайки контакты соединяются металлическими полосками внутри макетной платы. Компоновка типичного беспаечного макета состоит из двух типов областей, называемых полосами. Полосы состоят из соединенных между собой электрических клемм. Часто полоски или блоки макетов одной марки имеют пазы «ласточкин хвост» с наружной и внутренней резьбой , поэтому платы можно соединить вместе, чтобы сформировать большой макет.
Основные области, в которых размещается большая часть электронных компонентов, называются клеммными колодками . В середине клеммной колодки макета обычно имеется выемка, идущая параллельно длинной стороне. Вырез предназначен для обозначения осевой линии клеммной колодки и обеспечивает ограниченный поток воздуха (охлаждение) для микросхем DIP, расположенных между осевой линией. [ нужна ссылка ] . Зажимы справа и слева от выреза соединены радиально; обычно пять зажимов (т.е. под пятью отверстиями) подряд на каждой стороне выреза электрически соединены. Пять столбцов слева от выреза часто обозначаются как A, B, C, D и E, а столбцы справа обозначаются F, G, H, I и J. Когда «тонкий» двойной вход Интегральная схема линейного пакета контактов (DIP) (например, типичная DIP-14 или DIP-16, расстояние между рядами контактов которой составляет 0,3 дюйма (7,6 мм)) вставляется в макетную плату, контакты одной стороны Чип должен входить в столбец E, а контакты другой стороны - в столбец F на другой стороне выреза. Строки обозначаются числами от 1 до количества, указанного в макете. Полноразмерный макет клеммной колодки обычно состоит из 56–65 рядов разъемов. Вместе с шинными полосами на каждой стороне это составляет типичный беспаечный макет с точками соединения 784–910. Большинство макетов рассчитаны на размещение 17, 30 или 64 рядов в мини-, половинной и полной конфигурациях соответственно.
Для обеспечения питания электронных компонентов шины используются . Шинная полоса обычно содержит два столбца: один для земли и один для напряжения питания. Однако некоторые макеты имеют только одноколонную шину 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 колонку. Другие просто соединяют группы из, например, 25 последовательных терминалов в столбец. Последняя конструкция дает разработчику схемы больший контроль над перекрестными помехами (индуктивно связанными шумами) на шине питания. Часто группы на автобусной полосе обозначаются пробелами в цветовой маркировке. Шинные полосы обычно проходят по одной или обеим сторонам клеммной колодки или между клеммными колодками. На больших макетных платах дополнительные шины часто можно найти сверху и снизу клеммных колодок.
Некоторые производители поставляют отдельные шины и клеммные колодки. Другие просто предоставляют макеты, содержащие и то, и другое в одном блоке.
Перемычки
[ редактировать ]
Соединительные провода (также называемые перемычками) для макетирования без пайки можно получить в виде готовых к использованию наборов соединительных проводов или изготовить вручную. Последнее может оказаться утомительной работой для более крупных схем. Готовые к использованию соединительные провода бывают разного качества, некоторые даже с крошечными заглушками, прикрепленными к концам проводов. Материал соединительной проволоки для готовых или самодельных проводов обычно должен быть 22 AWG (0,33 мм). 2 ) сплошной медный луженый провод – при условии, что к концам провода не нужно прикреплять крошечные вилки. Концы проводов следует зачистить От 3 ⁄ 16 до 5 ⁄ 16 дюймов (от 4,8 до 7,9 мм). Более короткие зачищенные провода могут привести к плохому контакту с пружинными зажимами платы (изоляция застрянет в пружинах). Более длинные зачищенные провода увеличивают вероятность короткого замыкания на плате. Острогубцы и пинцеты пригодятся при вставке или удалении проводов, особенно на перегруженных платах.
провода разного цвета и цветовая кодировка Для обеспечения единообразия часто соблюдаются . Однако количество доступных цветов обычно намного меньше, чем количество типов или путей сигнала. Обычно несколько цветов проводов зарезервированы для напряжения питания и заземления (например, красный, синий, черный), некоторые зарезервированы для основных сигналов, а остальные просто используются там, где это удобно. В некоторых готовых к использованию наборах соединительных проводов цвет используется для обозначения длины проводов, но эти наборы не позволяют использовать содержательную схему цветового кодирования.
Расширенные конструкции
[ редактировать ]В более надежном варианте одна или несколько макетных планок крепятся на лист металла. Обычно на этом подкладочном листе также имеется несколько креплений . Эти разъемы обеспечивают простой способ подключения внешнего источника питания. С этим типом макета может быть немного проще обращаться.
Некоторые производители предоставляют высококачественные версии беспаечных макетов. Обычно это высококачественные макетные модули, установленные на плоском корпусе. Корпус содержит дополнительное оборудование для макетирования, такое как источник питания , один или несколько генераторов сигналов , последовательные интерфейсы , светодиодный дисплей или ЖК-модули, а также логические пробники . [21]
Для высокочастотной разработки металлический макет предоставляет желательную паяемую заземляющую пластину, часто это непротравленный кусок печатной платы; интегральные схемы иногда прикрепляют к макетной плате вверх дном и припаивают напрямую. Этот метод иногда называют конструкцией « мертвая ошибка » из-за его внешнего вида. Примеры неработающих ошибок в конструкции наземной плоскости проиллюстрированы в примечаниях по применению Linear Technologies. [22]
Использование
[ редактировать ]Обычно в эпоху систем на кристалле (SoC) используется микроконтроллер (MCU) на предварительно собранной печатной плате (PCB), которая предоставляет массив контактов ввода/вывода (IO) в разъеме, подходящем для подключения. в макет, а затем создать прототип схемы, которая использует одно или несколько периферийных устройств микроконтроллера, таких как вход/выход общего назначения (GPIO), UART / USART последовательные приемопередатчики , аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-цифровой преобразователь. аналоговый преобразователь (DAC), широтно-импульсная модуляция (PWM; используется в управлении двигателем ), последовательный периферийный интерфейс (SPI) или I²C .
прошивка Затем для микроконтроллера разрабатывается для тестирования, отладки и взаимодействия с прототипом схемы. В этом случае высокочастотная работа в основном ограничивается печатной платой SoC. В случае высокоскоростных межсоединений, таких как SPI и I²C, их можно отладить на более низкой скорости, а затем перемонтировать с использованием другой методологии сборки схем для обеспечения работы на полной скорости. Одна небольшая SoC часто обеспечивает большинство этих вариантов электрического интерфейса в форм-факторе, едва превышающем большую почтовую марку, доступном на американском рынке хобби (и в других местах) за несколько долларов, что позволяет создавать довольно сложные проекты макетов при скромных затратах. .
Ограничения
[ редактировать ]
Из-за относительно большой паразитной емкости по сравнению с правильно расположенной платой (около 2 пФ между соседними контактными столбцами). [23] ), высокая индуктивность некоторых соединений и сравнительно высокое и не очень воспроизводимое контактное сопротивление , беспаечные макеты ограничены работой на относительно низких частотах, обычно менее 10 МГц , в зависимости от характера схемы. Относительно высокое сопротивление контактов уже может стать проблемой для некоторых цепей постоянного тока и очень низкочастотных цепей. Беспаечные макеты дополнительно ограничены номинальными напряжениями и токами.
На макетных платах без пайки обычно не могут размещаться устройства для поверхностного монтажа (SMD) или компоненты с шагом сетки, отличным от 0,1 дюйма (2,54 мм). Кроме того, они не могут вмещать компоненты с несколькими рядами разъемов, если эти разъемы не соответствуют двухрядной схеме — невозможно обеспечить правильное электрическое соединение. Иногда для установки компонента на плату можно использовать небольшие адаптеры для печатных плат , называемые «переходниками». Такие адаптеры содержат один или несколько компонентов и имеют штыри разъема с шагом 0,1 дюйма (2,54 мм), расположенные в одинарную или двойную линию для вставки в макет без пайки. Компоненты большего размера обычно подключаются к разъему на адаптере, а 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 преимущества использования беспаечного макета.
Очень сложные схемы могут стать неуправляемыми на беспаечном макете из-за большого количества требуемых проводов. Само удобство легкого 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 большую осторожность, и такая система становится ненадежной, поскольку со временем увеличивается контактное сопротивление. В какой-то момент очень сложные системы должны быть реализованы с использованием более надежной технологии межсетевого взаимодействия, чтобы иметь возможность работать в течение полезного периода времени.
Альтернативы
[ редактировать ]Альтернативными методами создания прототипов являются точечное построение (напоминающее оригинальные деревянные макеты), обмотка проволокой , карандаш для проводов и доски, подобные картону. Сложные системы, такие как современные компьютеры, состоящие из миллионов транзисторов , диодов и резисторов , не подходят для прототипирования с использованием макетов, поскольку их сложные конструкции может быть сложно разместить и отладить на макетной плате.
Современные схемы обычно разрабатываются с использованием системы схематического захвата и моделирования и тестируются с помощью программного моделирования будут построены первые прототипы схем до того, как на печатной плате . Проектирование интегральных схем представляет собой более экстремальную версию того же процесса: поскольку производство прототипов кремния обходится дорого, перед изготовлением первых прототипов выполняется обширное программное моделирование. Однако методы прототипирования по-прежнему используются для некоторых приложений, таких как радиочастотные схемы, или там, где программные модели компонентов являются неточными или неполными.
Также можно использовать квадратную сетку пар отверстий, где одно отверстие на пару соединяется со своей строкой, а другое - со своим столбцом. Эта же форма может представлять собой круг со строками и столбцами, закручивающимися по спирали по часовой стрелке или против часовой стрелки.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Описание термина «макет». Архивировано 27 сентября 2007 г. на Wayback Machine.
- ^ Jump up to: а б Патент США 3145483 .: «Тестовая плата для электронных схем», подан 4 мая 1961 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Патент США 3496419 .: «Печатный макет», подан 25 апреля 1967 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Патент США 3085177 .: «Устройство для облегчения изготовления электрического оборудования», подан 7 июля 1960 г., получено 14 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Патент США D228136. : «Макет электронных компонентов и т.п.», подана 1 декабря 1971 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 231708. «Электрический распределительный щит», подан 31 августа 1880 г., получено 4 августа 2019 г.
- ^ Патент США 2477653 .: «Аппарат для испытаний на первичную электрическую подготовку», подан 10 апреля 1943 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 2592552. «Электрическая плата инструкций», подана 4 октября 1944 г., получено 23 октября 2022 г.
- ^ Патент США 2568535 .: «Плата для демонстрации электрических цепей», подана 10 апреля 1945 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 2885602 .: «Изготовление модульных схем», подан 4 апреля 1955 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 3062991 .: «Система быстрого крепления и отсоединения цепей», подана 8 сентября 1958 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 2983892 .: «Монтажный узел для электрических цепей», подан 14 ноября 1958 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 3078596 .: «Сборочная плата», подана 21 ноября 1960 г., получено 14 января 2017 г.
- ^ Патент США 3277589 .: «Набор для электрических экспериментов», подан 5 ноября 1964 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 3447249 .: «Электронный конструктор», подан 5 мая 1966 г., получено 14 января 2017 г.
- ^ Патент США 3540135 .: «Обучающие средства обучения», подана 11 октября 1968 г., получено 14 июля 2017 г.
- ^ Патент США 3733574 .: «Миниатюрные тандемные пружинные зажимы», подана 23 июня 1971 г., получено 14 января 2017 г.
- ^ Вектор электроники и технологий; Сайт компании.
- ^ Инструменты E&L в открытой базе данных корпоративного мира.
- ^ «зачистщик проводов» . Проверено 14 апреля 2023 г.
- ^ Макет с питанием. Архивировано 9 октября 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ Линейная технология (август 1991 г.). «Примечания по применению 47: Методы высокоскоростных усилителей» (pdf) . Проверено 14 февраля 2016 г. Макеты «мертвых ошибок» с заземленной плоскостью и другие методы прототипирования, показанные на рисунках F1–F24, со стр. АН47-98. Информацию о макетировании можно найти на стр. AN47-26 – AN47-29.
- ^ Джонс, Дэвид. «EEVblog № 568 — Емкость макетной платы без пайки» . EEVблог. Архивировано из оригинала 21 января 2014 года . Проверено 15 января 2014 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
