使用正確的配接器和套件，即能以現代元件進行彈性、有效率的試驗電路板實作

由於微型被動元件和主動元件的廣泛使用，加上電路工作頻率已達到吉赫範圍，在投入電路板之前建立和評估電路設計，然後進一步完成接近定案的原型成為一項艱難的挑戰，而且常會令人沮喪。一些能用於引線型元件和雙列直插封裝 (DIP) IC 的試驗電路板套件和技術，無法相容於現今的高密度 IC 封裝、封裝下引線墊、幾乎看不見的表面黏著技術 (SMT) 元件，以及完整的 RF 或處理器模組。

不過，還可運用工作台開發工具，這些工具能嚙合個別子電路模組，以建立基本試驗電路板。業餘愛好者、創客、自行組裝 (DIY) 者及工程專業人員使用這些試驗電路板系統，能建立和測試整個產品的各個子部分，並將其整合到完整的功能單元中。

本文將檢視有關採用現代電子元件製作試驗電路板的基本問題。接著會探討 Aries Electronics、Schmartboard, Inc.、Adafruit Industries LLC、Global Specialties，以及 Phase Dock, Inc. 等廠商的配接器和試驗電路板套件，能如何用作基礎來打造更近似於最終產品的原型。

最後，本文說明這些產品如何幫助輕鬆構建實用可靠的試驗電路板，以便驗證電路拓撲和介面，依需求連接到獨立模組和評估板，並產生實際的原型。

電子試驗電路板是怎麼來的？

用「試驗電路板 (麵包板)」一詞來描述外觀粗糙甚至簡陋的電路，這或許令人感到困惑，但卻有明確的由來和完善記錄。在自供電式晶體收音機，甚至是基本真空管收音機存在的電子產品早期，DIY 實驗者和創客 (當時還未有此稱呼)，真的是在一塊用來切麵包的木板上建置電路。他們用圖釘或釘子作為連接點，然後在這些點上纏繞電線，有時甚至會將這些連接焊接起來 (圖 1)。

圖 1：「試驗電路板」一詞衍生自使用木頭砧板作為基板進行電路 DIY，例如這種三管收音機。(圖片來源：Warren Young / Tangentsoft.net)

當然，這些木頭試驗電路板已不適合作為現代元件的電路平台。儘管如此，「試驗電路板」和「試驗電路板製作」已成為簡略建置示範電路或子電路的相關標準術語。不過，從真空管到離散引線式電晶體和被動元件、DIP IC，以及現今幾乎看不見的表面黏著元件，電子技術的進步對試驗電路板製作技術及平台，產生了巨大的影響。

試驗電路板和原型有何不同

一個明顯的問題是試驗電路板和原型的差異。這兩者沒有正規的劃分，有時這些詞互換使用。然而，多數工程師都用試驗電路板一詞代表粗略佈局的電路或子電路，並且這些電路需支援初步的設計階段，包括：

• 確認基本電路概念、功能或設計方法是否可行。
• 開發及驗證軟體驅動程式。
• 確保子電路間的介面，或者電路與傳感器或負載之間介面的相容性。
• 制訂資料連結通訊協定和格式。
• 開發和驗證假定模型。
• 評估電路和功能表現。

從上述清單不難看出，試驗電路板即使不是完整的系統，最終產品也沒有封裝及許多「花俏」的功能，但在產品設計中依然扮演許多重要的角色。例如，試驗電路板通常依賴外部電源供應器，而不是出貨產品內部的電源。因為佈局寬廣開放，試驗電路板通常很容易探測、調整，甚至更換元件。但在硬體現實上，佈局以及元件的寄生元件與互動性，使得這種展開式佈局無法提供某些效能，特別是與更高頻率工作有關的效能。

相較之下，原型更接近於最終產品，而且使用相同的元件、封裝、尺寸和使用者 I/O。除了完整的功能性，原型通常也用來檢查製造性問題，例如硬體間隙和組裝問題、散熱路徑、使用者互動，以及視覺效果和外觀。

從基本配接器開始

現今製作試驗電路板時，必須能連接及使用現代設計中常用的微型 IC。例如，雖然能將六引線 SOT-23 IC 焊接到較大的電路板上，但由於尺寸較小且引線間距較窄，連接元件會很困難，尤其是改變元件連接時。IC 只有底部凸墊時，則會更具挑戰性。

解決辦法之一，就是使用 Aries Electronics 的 LCQT-SOT23-6 插槽配接器此類的元件。這會將 SOT-23 轉變成六引線 DIP 外殼 (圖 2)。一旦 SOT-23 元件形同一個 0.1 in 引線間距的 DIP，即能搭配任何一種針對較大 DIP 元件設計的試驗電路板製作解決方案。

圖 2：LCQT-SOT23-6 插槽配接器將難以處理的微型六引線 SOT-23 封裝，轉換成更容易管理得多、採用標準 DIP 引線間距的 DIP 元件。(圖片來源：Aries Electronics)

許多設計採用一系列封裝尺寸和引腳配置皆不同的 SMT 元件。在這些情況下，多個單 IC 插槽配接器可能會變得很難處理和互連。Schmartboard 的 202-0042-01 QFN 配接器板能盡量減少可能出現的困擾 (圖 3)。這個 2 x 2 in 的板件最多可接入五個不同 IC，包括間距 0.5 mm 的 16 和 28 引腳、間距 0.65 mm 的 20 引腳，及間距 0.8 mm 的 12 和 16 引腳 (適用於 QFN 元件)。

圖 3：202-0042-01-QFN 等配接器板適合對多個 SMT IC 封裝進行板載焊接及連接分匯。(圖片來源：Schmartboard)

202-0042-01-QFN 採用專利技術，能實現輕鬆快速地手動焊接這些微型表面黏著元件，也不會產生問題。此外，每個 IC 引腳均關聯多個電鍍通孔，需要時能輕鬆進行駐留元件相互連接，或連接到其他元件和電路板。

有時候，製作試驗電路板並不是難在連接至 IC，而是取用和監控纜線或周邊裝置連接器的引腳。例如，25 引腳 RS-232 連接器曾是主要的通訊介面時，具有開關切換以及為多數引腳使用的跳接線端子的「分接盒」，和三用電表一樣常見 (圖 4)。

圖 4：針對先前非常廣泛使用的連接器和標準之 25 引腳纜線，這種 RS-232 分接盒是監控和重新配置纜線接線的必要元件。(圖片來源：Wikipedia)

雖然目前幾乎不需要這些 RS-232 分接盒，但 Micro SD 卡等周邊裝置仍有類似的需求，需要具備分接功能。針對這項功能，一個有用的配接器為 Adafruit Industries 的 254 Micro SD 卡分接板，此板件能讓設計人員連接、測試和驗證用於這些常用記憶卡的硬體介面連接和驅動程式軟體 (圖 5)。

圖 5：使用 Adafruit 的 254 Micro SD 卡分接板，設計人員能在系統處理器和此周邊記憶體元件之間，輕鬆進行介接、取用和監控訊號。(圖片來源：Adafruit)

此分接板包含一個超低壓降穩壓器，用來將 3.3 V 至 6 V 之間的電壓轉換成 Micro SD 卡適用的 3.3 V，還有一個用來將介面邏輯 (3.3 V 至 5 V) 轉換成 3.3 V 的位準移位器，因此分接板能夠連接 3.3 V 或 5 V 的微控制器。另外的排針座可以焊入配接器，露出 0.1 in 間距引腳的連接部分。

轉到配接器以外的部分

配接器能解決連接個別元件的問題，但這些只是最終設計的建置組塊。現今能夠取得的元件需要連接其他主動元件和被動元件，支援輸入／輸出 (I/O) 介面，能夠進行元件更換，及提供正式的測試點，甚至是預料外的探測行為。

最早能輕鬆直接納入雙列直插封裝 (DIP) 元件和離散引線式元件的試驗電路板之一，是 1960 年代開發的免焊式試驗電路板，至今仍廣泛使用。這是一種方便、容易取得和使用的工具，也支援合理的元件密度。

一個範例就是 Global Specialties 的 PB-104M 外部供電免焊式試驗電路板組件，非常適合用於製作低頻電路的原型 (圖 6)。此板安裝於 21 x 24 cm 框架內 (9.45 inx 8.27 in)，包含 3220 個連線點、四個用來連接電源的接線柱，同時支援 28 個 16 引腳 IC；跳接線以直徑 0.4 mm 至 0.7 mm 的線製成，且線端已剝開。此試驗電路板功能多樣的關鍵在於，通孔間距僅 0.1 in，除了引線以外，還可容納標準的 DIP 元件，及配接器和排針座的引腳。

圖 6：Global Specialties 的 PB-104M 免焊式試驗電路板組件能容納多個 DIP IC、DIP 覆蓋區配接器、有引線的分散式元件，及個別的跳接線。(圖片來源：Global Specialties)

在使用時，免焊式試驗電路板是一塊可連接式平台，其中 DIP IC 和其他元件使用插入通孔內的小段實心線進行連接，通孔也連接至元件引線。每側沿邊的兩條外軌通常是保留給電源和接地使用，並經由小段饋線來供應主動元件 (圖 7)。

圖 7：在免焊式試驗電路板上，每側沿邊的兩條外軌通常保留給電源和接地使用。軌道透過小段饋線連接至主動元件。(圖片來源：Analog Devices)

使用免焊式試驗電路板時，務必遵守一些原則。例如，使用顏色編碼來識別電線是個不錯的想法，例如以紅色代表正軌，以黑色代表負軌，以綠色代表接地。此外，使用者需要留意將跳接線平放在電路板上，以徹底減少雜亂，並將互連跳接線佈置在 IC 四周，而不要跨過 IC 上方，以便能在探測 IC，甚至更換 IC 時產生最少的干擾。否則，免焊式試驗電路板會像許多其他「臨時性」實作一樣，變成一個「鼠窩」，很難偵錯或追蹤 (圖 8)。

圖 8：在免焊式試驗電路板中安插跳接線，除了最小的專案外，都需要留意並遵守原則；否則會造成線路難以識別的結果。(圖片來源：Wikipedia)

適用現今設計的試驗電路板組合

免焊式試驗電路板因其便利性、彈性且用途多，至今仍被廣泛使用，但搭配現代設計時存在嚴重的限制，現代設計以高時脈和頻率工作，而且經常結合預組裝的電腦板、RF 電路、模組和電源模組。為了適應這些要求，需要使用一套系統將多個試驗電路板、原型平台和子組件，整合到一個較大、隨後能支援完整系統功能性的單元中。

Phase Dock 的 10104 安裝原型製作系統就屬於這種試驗電路板 (圖 9)。核心系統包含一個工作表面為 54 平方英吋的 10 x 7 英吋基本矩陣，五個用來安裝電子元件的「扣夾」(兩種尺寸)，以及用來安裝 Arduino、Raspberry Pi 或類似模組的「滑座」；系統也包含螺絲等小型五金件，例如，能讓工程人員組裝扣夾／滑座組合、在滑座上安裝電子元件、將電子元件直接安裝至扣夾 (不使用滑座)、加入較高的「塔式」電子元件，及管理電線和纜線。此外，還有一個選購的透明塑膠蓋，可提供保護、強化外觀，且方便運輸。

圖 9：Phase Dock 的基本 10104 安裝原型製作系統包含一個基本矩陣 (最上方)；用於安裝電子元件的扣夾 (中間)；用於使用 Arduino 和類似平台的滑座 (最下排)；以及非常重要的安裝五金件 (左下方)。(圖片來源：Phase Dock, Inc.)

此產品開發系統允許在單一平台上，混合不同的試驗電路板和模組技術，例如免焊式試驗電路板、附螺絲端子和連接器的特殊電路板、SparkFun 的 RedBoards 等處理器平台，甚至是固定離散式開關和電位器的支架 (圖 10)。這些組件都牢牢安裝在 Phase Dock 基板上，然後按需求進行連接以測試系統概念，並進行偵錯 (需取得關鍵訊號和測試點)。

圖 10：Phase Dock 系統能以「混搭」的方式安裝和互連系統元件，包括免焊式試驗電路板 (白色)、特殊電路板 (綠色)，以及 SparkFun 的 Redboards (紅色) 此類用於本自動化控制器系統的處理器平台。(圖片來源：Phase Dock, Inc.)

廠商評估板連接試驗電路板

高效能 IC 現在幾乎一定會隨附評估板或套件，尤其是那些用於低位準訊號、精確放大或 RF 訊號處理的 IC。這樣做非常必要，因為要設置這種進階元件，以檢查其在目標應用中的效能，並將其和系統其餘部分整合在一起，就需要使用適當的支援元件 (大多為被動元件)，加上謹慎的佈局和連接。設計人員面臨的問題，是如何最有效地使用這些評估板，因為它們在最終系統設計方面的功用不等，有些非常有用，有些反而是阻力。

請考慮使用能徹底運用元件的評估板。如此一來，這能包含額外的支援組件，例如記憶體、本機 DC-DC 調節器，甚至可能包含微控制器。雖然獨立評估可能需要這些元件，但將實驗 IC 實際用於工程師的產品設計中時，它們可能會帶來干擾。

另一方面，這些評估板中許多都有必要的專用連接器等元件。設計人員如果使用評估板，就不必多此一舉地重製電路；設計優良且正確記錄的評估板設計，通常和廠商內部非常熟悉 IC 的人員所建立的電路一樣好，甚至更好。

因此，設計人員的挑戰，在於識別並徹底善用廠商評估板在試驗電路板製作安排上的優勢。請考慮使用 Analog Devices 的 ADL6012 這種「小型」IC，這是一款 2 GHz 至 67 GHz、500 MHz 頻寬的寬頻封包偵測器。這種 10 引線 LFCSP 的基本互連線路圖看起來相單簡單，但因為此元件需要謹慎的佈局、旁通和高端 RF 連接器，實際使用時較為困難 (圖 11)。

圖 11：連接和使用 Analog Devices 的 ADL6012 寬頻封包偵測器，「在圖面上」看起來很簡單，但在設計和佈局上有許多微妙之處。(圖片來源：Analog Devices)

設計人員如果想在設計中加入這款 RF IC，理應在建立最終線路圖和產生出佈局與封裝前，先瞭解此 IC 的特性、測試其介面，並在試驗電路板階段徹底善用 ADL6012-EVALZ 評估板，以「微調」至適合整個專案的狀況 (圖 12)。

圖 12：有了 ADL6012-EVALZ 評估板，設計人員在這種看似簡單、實而精密的 IC 中進行設計時，就不必再處理許多微妙複雜的設計層面，只要將此元件加入試驗電路板，就能將產品開發時間及挫折感降到最低。(圖片來源：Analog Devices)

試驗電路板的挑戰，在於以實體方式使用評估板、加入電源供應器，並提供 RF 輸入放大器與指定的差動輸出負載，以及在原型產品配置之前預原型階段所使用的任何處理器及介面。要做到這點，需要將試驗電路板製作的技術、平台和方法結合在一起。

結論

幾乎所有現代產品都按標準內建微型元件 (通常沒有引線)；有了配接器和分接板，設計人員就能整合、互連、運用和評估這些元件。較新的迭代超越目前仍廣泛使用的免焊式試驗電路板，也能實現元件、模組和其他組件的混搭。這些選擇可增強實體耐用度，並盡量減少難看、容易出錯、不可靠的安裝和接線等問題。如果使用這些配接器和試驗電路板，則能加速測試和偵錯階段，並在更短的時間內產生可行的原型。