面包板常見問題的解決方法

面包板 ，又叫無焊面包板。在當(dāng)今的電子愛好者和工程師社區(qū)中，面包板已經(jīng)成為原型設(shè)計和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路的常用工具。這種簡單而靈活的設(shè)備提供了一個方便的方式來連接電子元件，而無需焊接。

但隨著電路復(fù)雜性的增加和性能要求的提高，面包板的局限性也逐漸顯露出來。本文將深入探討面包板的結(jié)構(gòu)以及可能遇到的問題，并提供一些解決方案來改善面包板電路的性能，以及一些設(shè)計使用上的小技巧，希望對大家有所幫助。

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什么是面包板？

面包板結(jié)構(gòu)：

面包板由一系列U形金屬觸點(diǎn)組成，這些觸點(diǎn)位于電絕緣外殼中的孔網(wǎng)格下方。元件引線和通過孔插入的線段由下面的觸點(diǎn)在彈簧張力下保持。

圖1, Bud IndustriesBB-32621，無焊劑試驗(yàn)電路板 端子條（無框架） 3.20" x 2.08"（81.3mm x 52.8mm）

面包板是理想的實(shí)驗(yàn)，然而，他們不提供一個機(jī)械堅固的互連。電源處理能力有限。此外，電容使得這種設(shè)計不適合高速電路。

配電電源軌

配電電源軌，也叫配電總線，是一個方便的面包板功能。這些“電源軌”在面包板的長度上運(yùn)行，以便電路元件的電源和接地總是近在咫尺。在這篇簡短的文章中，我們將探討2電源軌和4電源軌面包板之間的區(qū)別。 當(dāng)并排查看時，2電源軌和4電源軌面包板看起來幾乎相同，如圖所示。然而，仔細(xì)檢查會發(fā)現(xiàn)藍(lán)色和紅色電源軌標(biāo)記中有一個斷裂。

圖2.Bud Industries的BB-32621（2 電源軌）與BB-32655（4 電源軌）

正如藍(lán)色和紅色絲印所暗示的那樣，連續(xù)性測試將顯示4電源軌面包板中間有一個中斷，而2電源軌選項(xiàng)擴(kuò)展了面包板的整個長度。

如下所示的是一個建議。只需在面包板上插入一個0.3英寸(7.62毫米)的跳線，這樣4電源軌就有效地變成了2電源軌。這允許您的邏輯電路被接地和3.3或5.0 VDC包圍。

技術(shù)小貼士:不要忘記包括旁路電容，以提高電路性能，在這篇文章中描述的關(guān)于面包板穩(wěn)定性。

圖3.如何把4電源軌面包板，就有效地變成了2電源軌面包板

混合電路的適用性

“混合”可用于描述以模擬和數(shù)字元件混合為特征的電路。使用4電源軌設(shè)計，我們可以使用如下所示的技術(shù)，在面包板的一側(cè)使用微控制器，在另一側(cè)使用模擬電路。電源軌適應(yīng)電路的需要。模擬端為運(yùn)算放大器提供+/- 12 VDC，而數(shù)字端為數(shù)字電路提供3.3或5.0 VDC。

圖4.面包板4電源軌設(shè)計，模擬數(shù)字分開

除了提供一種清潔的方式來為電路供電外，它還具有提高電路性能的潛力。部分之間的物理距離可能會提供一些抗噪聲能力。電源軌一般更容易解耦。此外，單地連接可能有助于降低噪音。

技術(shù)小貼士:可以使用穩(wěn)壓器從+12 VDC電源軌向數(shù)字邏輯提供電源。一個經(jīng)典的解決方案是使用7805穩(wěn)壓器5.0 VDC邏輯電壓。為了提高效率，可以考慮使用DC-DC直流轉(zhuǎn)換器。器件可作為7805穩(wěn)壓器的插入式替代品。

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設(shè)計面包板電路，可能遇到的問題

接地問題

應(yīng)用于面包板時，接地是許多電路元件共享的共同連接。在理想的情況下，它提供了一個零電阻節(jié)點(diǎn)。在生產(chǎn)印刷電路板(PCB)中，設(shè)計人員可以自由地使用連續(xù)的銅段作為接地。例如，在雙面PCB板中，設(shè)計人員可以使用PCB板的整個底部。對于更復(fù)雜的電路板，可能會使用其中一個內(nèi)層作為接地平面。不幸的是，面包板不能使用這個選項(xiàng)。

接觸電阻

更糟糕的是，我們知道面包板的連接不太理想。實(shí)驗(yàn)表明，每個接觸的電阻為50 mΩ，每英寸線性電阻為11 mΩ。從這個角度來看，用30 AWG細(xì)線構(gòu)造的電路可能比面包板的電阻低。

寄生參數(shù)

電阻并不是面包板唯一的問題。各種元件之間還有電容。由于電線的長度長，還有電感。綜上所述，我們可以開始理解為什么面包板的聲譽(yù)如此之差。我們冒著構(gòu)建電路的風(fēng)險，這些電路容易產(chǎn)生高頻振蕩、噪音、充當(dāng)天線接收和廣播能量的長導(dǎo)線，以及不穩(wěn)定的邏輯轉(zhuǎn)換。

那么，我們能做些什么來讓事情變得更好呢? 我們可以使用一些技巧來提高原型電路的性能。

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邏輯電路緩解方案

對于邏輯電路。假設(shè)頻率為1 MHz的電路。方波可以被描述為奇數(shù)次諧波的總和。這意味著一個相對低頻的方波會有高頻諧波。例如，1 MHz方波在3、5和7 MHz處具有很強(qiáng)的頻譜成分。

有幾種方式來看待這個問題：

高頻成分消除

一種觀點(diǎn)將關(guān)注整個面包板的電阻和分布電容。這將傾向于衰減高頻信號成分?？梢园阉胂蟪梢粋€適用于所有信號的低通濾波器。這就產(chǎn)生了邊緣圓潤的方波，從而消除了高頻成分。

地反彈

從另一個角度來看，我們看到了與長導(dǎo)線相關(guān)的電感。這是與電容相反的問題。而不是減慢信號(四舍五入，或低通濾波)，電感導(dǎo)致電壓尖峰。在極端情況下，這可能導(dǎo)致一種稱為地反彈的情況。這是一種電感相關(guān)現(xiàn)象，與集成電路(IC)相關(guān)的地相對于真實(shí)地跳變。它可以移動到這樣一個程度，它會導(dǎo)致IC觸發(fā)。其結(jié)果是一個不穩(wěn)定的數(shù)字系統(tǒng)，很難排除故障。

如何解決

適當(dāng)?shù)慕拥睾团月芳夹g(shù)可以緩解這兩個問題。讓我們用下圖所示的面包板來說明。我們假設(shè)這兩組電源軌都將用于Vcc和接地。然后我們可以安裝跳線，如圖所示。雖然不太理想，但是可以看到Vcc和接地都形成了一個數(shù)字8。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)降低了電源軌之間的電阻并降低了電感，因?yàn)槿魏谓o定連接的引線長度都較短。

圖5.面包板Vcc和接地設(shè)計

接下來，我們在電源軌上添加低頻旁路電容。10到100uF范圍內(nèi)的電解電容適用于大多數(shù)電路。然后我們添加高頻旁路電容。這些電容安裝在盡可能靠近每個IC的電源引腳的地方。在我看來，這些是少數(shù)幾個可能直接飛過IC頂部的組件之一。實(shí)際值并不重要，傳統(tǒng)上使用0.1 uF值。

完成這些初步步驟后，現(xiàn)在就可以構(gòu)建邏輯電路了。盡量保持所有的電線都很短。不幸的是，會有一些妥協(xié)，因?yàn)槎叹€不一定是整齊的線。

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緩解模擬和混合信號電路

數(shù)字邏輯電路管理的所有規(guī)則都適用于具有數(shù)字和模擬組件的模擬電路和“混合”電路?！盎旌稀奔礊榫哂袛?shù)字設(shè)備(如微控制器)和幾個模擬設(shè)備(如運(yùn)算放大器)的電路。這種電路通常包括多個電源，包括3.3、-12和12 VDC。之前說的邏輯電路解決方案可能不夠用了。進(jìn)一步的緩解方案：

添加低頻旁路電容

通常適用于10至100 uF范圍的電容。一定要選擇額定電壓合適的電容，然后注意極性。如前所述，安裝0.1uF高頻旁路電容，盡可能靠近電源進(jìn)入每個IC。

技術(shù)小貼士:旁路這個術(shù)語在我們的日常語言中是常用的。例如，旁路高速公路帶你在大城市的一條路線上行駛。這種可視化同樣適用于旁路電容。在這種情況下，電容正在繞過任何AC信號。這包括來自IC內(nèi)部或IC外部的AC噪聲。理想的結(jié)果是所有電路的電源軌上都是純直流。

高頻噪聲的影響

高頻噪聲通常需要在靠近IC的地方使用一個小電容，而低頻則使用較大的電容。這里較低的頻率不受導(dǎo)線電感的影響。

模擬電路確實(shí)具有與小信號相關(guān)的另一層次的復(fù)雜性。電噪聲可以進(jìn)入電路，然后與小模擬信號一起被放大。這種增加的噪聲會影響ADC執(zhí)行的測量。它還可以在音頻系統(tǒng)中表現(xiàn)為令人反感的嘶嘶聲或咔噠聲。

如前所述的繞過將大大減輕這個問題。然而，這可能還不夠。特別是當(dāng)使用多個面包板時，接地回路可能會遇到具有挑戰(zhàn)性的問題。電源注入也可能存在問題?；叵胍幌拢姘宓碾娮璞容^高。一個小的AC信號在整個電源軌的長度上發(fā)展并不罕見。雖然這個模擬信號可能只有幾毫伏，但它可以與ADC輸入或DAC輸出的毫伏級信號相互作用。在放大器電路中，可能存在足夠的相互作用，導(dǎo)致不穩(wěn)定甚至完全振蕩。

旁路電容的重要性

此時，旁路電容的位置就變得很重要了。一般來說，它們應(yīng)該安裝在盡可能靠近低電平模擬信號的地方。同樣，所有連接面包板和從面包板的連接都應(yīng)該盡可能靠近低電平信號。一定要研究一下“星地”和“地環(huán)路”的概念，了解更多的信息。

如果這還不夠，可能有必要找到面包板以外的解決方案。對于電路的高級原型，可能是時候?yàn)槟愕碾娐窐?gòu)建一個完整的PCB了。例如，面包板電路設(shè)計可以轉(zhuǎn)移到有孔原型板。

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面包板小技巧:

使用簡單的 LED 來替代邏輯探針

LED是一個有價值的故障排除工具，特別是在數(shù)字電路原型設(shè)計時。下面介紹了一種簡單的施工技術(shù)，可以節(jié)省你寶貴的時間。

所需要的只是一個方體LED和一個1 kΩ電阻。將電阻焊接到陰極腿上，你就有了一個視覺指示器，可以在幾秒鐘內(nèi)安裝到面包板上。由于電阻與LED集成，我們不再需要使用單獨(dú)的面包板連接點(diǎn)。

邏輯探針制作

放置在微控制器電路中的幾個LED燈。請注意，方形LED是此應(yīng)用的首選，因?yàn)樗鼈兛梢栽诿姘宓?.1英寸(2.54毫米)間距內(nèi)彼此相鄰安裝，如下圖左下角所示。

圖6. 微控制器面包板電路中放置探測

技術(shù)小貼士:對于一個新的LED，陰極可能被認(rèn)為是兩個腿中較短的那個。陰極也可以通過觀察LED的結(jié)構(gòu)來識別。LED的半導(dǎo)體芯片通常安裝在兩個元件中較大的一個上。較大的鐵砧(陰極線)在這張圖中很容易被視為上部元件。

結(jié)語

無論是初學(xué)者還是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，面包板都是一個不可或缺的工具，用于快速搭建原型電路和驗(yàn)證設(shè)計概念。盡管面包板存在一些限制和挑戰(zhàn)，但通過理解其結(jié)構(gòu)、功能以及可能遇到的問題，并采取相應(yīng)的解決方案，我們可以最大限度地發(fā)揮其作用，并在電子設(shè)計和實(shí)驗(yàn)中取得更好的效果。希望本文提供的技巧和建議能夠幫助讀者更好地利用面包板，為創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)提供更廣闊的空間。

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無焊面包板(又叫無焊試驗(yàn)板)

面包板電路穩(wěn)定性

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小編的話

對于電子工程師來說，用好面包板具有重要的價值，不僅提高了工作效率，降低了成本，還擁有了一個創(chuàng)新和實(shí)踐的平臺。但正如文章所言，在面包板電路設(shè)計中，需要克服一些常見問題。相信通過本文介紹的方法，大家能夠有所收獲，為之后的設(shè)計開發(fā)積累實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。您在面包板的設(shè)計開發(fā)中遇到過哪些問題？有哪些使用技巧？歡迎留言，分享交流！