Макетная плата , беспаечная макетная плата или прототипная плата — это строительная основа, используемая для создания полупостоянных прототипов электронных схем . В отличие от перфорированной или стрипбордной платы , макетные платы не требуют пайки или разрушения дорожек и, следовательно, пригодны для повторного использования. 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.
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 бумажная принципиальная схема сначала приклеивалась к плате в качестве руководства по размещению клемм, затем компоненты и провода устанавливались поверх их символов на схеме. 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 3,145,483, [2] был подан в 1961 году и описывает макет из деревянных пластин с установленными пружинами и другими приспособлениями. Патент США № 3,496,419, [3] был подан в 1967 году и относится к конкретной компоновке печатной платы как к 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]
Современная беспаечная макетная розетка 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 ).
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 полосы 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 . 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 буквами A, B, C, D и E, а столбцы справа обозначаются F, G, H, I и J. 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 используются шины . 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 макетах дополнительные шины часто можно найти сверху и снизу клеммных колодок.
.jpg/1280px-Insidebreadboard_(2).jpg)
Некоторые производители поставляют отдельные шины и клеммные колодки. Другие просто предоставляют макеты, которые содержат и то, и другое в одном блоке.
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. Материалом соединительных проводов для готовых или самодельных проводов обычно должен быть сплошной медный луженый провод сечением 22 AWG (0,33 мм 2 ) - при условии, что к концам провода не нужно прикреплять крошечные вилки. Концы проводов следует зачистить на 3 ⁄ 16–5 ⁄ 16 дюймов ( 4,8–7,9 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.
Для обеспечения единообразия часто соблюдаются провода разного цвета и цветовая кодировка . 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.
В более надежном варианте одна или несколько макетных планок крепятся на лист металла. Обычно на этом листе-подложке 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 обеспечивает 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]
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), последовательные приемопередатчики UART / USART , аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-цифровой преобразователь. аналоговый преобразователь (DAC), широтно-импульсная модуляция (PWM; используется в управлении двигателем ), последовательный периферийный интерфейс (SPI) или I²C .
Затем для микроконтроллера разрабатывается прошивка 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 схемы 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. .
Из-за относительно большой паразитной емкости по сравнению с правильно уложенной печатной платой (около 2 пФ между соседними контактными столбцами [23] ), высокой индуктивности некоторых соединений и относительно высокого и не очень воспроизводимого контактного сопротивления , беспаечные макеты ограничены в работе при относительно низкие частоты, 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 нельзя разместить 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 штыревые контакты 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 контактное сопротивление развивается. 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.
Альтернативными методами создания прототипов являются точечное построение (напоминающее оригинальные деревянные макеты), намотка проволоки , 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 схемные решения обычно разрабатываются с использованием системы схематического захвата и моделирования и тестируются с помощью программного моделирования до того, как на печатной плате будут построены первые прототипы схем . 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.
