Макетные платы можно собрать для любого устройства. Они пользуются популярностью у начинающих электронщиков и опытных мастеров. Их собирают с пайкой и без пайки. Первые прочны и могут применяться как основная плата, а вторые более удобны в сборке за счет исключения паяльных работ.
Чтобы начать производство любого изделия необходимо сделать его макет, а потом, оценив работоспособность продукта и другие его параметры, приступить к выпуску серии. В этом случае вы экономите деньги и время. Но прототипы делают не только на производстве, они также широко применяются в электронике и, в первую очередь, это связано с выпуском макетных плат.
Допустим, вы собираетесь изготовить новое электронное устройство. Раньше прототип макетной платы имел вид прямоугольника из картона, в котором проделывались отверстия и туда вставлялись радиоэлементы, соединяющиеся между собой, и затем проверялась ее работа. Если функционирование устройства происходило нормально, то начиналось производство основной платы с использованием соответствующих материалов. Сейчас задача несколько упрощается - на рынке активно продаются макетные платы c уже подготовленными отверстиями и дорожками, которые можно найти в специализированных магазинах, например, вот в этом http://makerplus.ru/ , где можно подобрать подходящий вариант.
Макетные платы изготавливаются без пайки и с пайкой. Конструкция без пайки представляет пластиковый корпус с многочисленными отверстиями с контактными разъемами. В них монтируются детали. Отверстия предназначены для проводов диаметром 0, 7 мм. Расстояние между ними составляет 2, 54 мм, этого хватает, чтобы установить транзистор и другие элементы.
Дорожки питания обозначаются синей и красной линиями. Количество точек для разъемов может изменяться от 100 до 2500 штук. Принцип работы с такой платой простой. Вы монтируете в нужные отверстия электронные элементы и соединяете их обычными проводами, или покупаете специально подготовленные провода-джамперы. Если схема собрана неправильно, то вы разбираете ее и монтируете заново.
Такая плата отличается от выше рассмотренного варианта тем, что элементы, установленные в корпусе, можно паять. В этом случае вы можете использовать ее не только как макет, но и как настоящее изделие. Правда, тогда плата будет иметь несколько большие размеры. Кроме этого, паяные конструкции имеют более низкую цену.
Платы с пайкой, которые, кстати, можно приобрести на страничке интернет-магазина http://makerplus.ru/category/breadboard , имеют отверстия под провода диаметром до 0,9 мм и располагаются с шагом в один дюйм(2, 54мм). С одной стороны конструкции располагаются прямые изолированные линии фольги, а с другой устанавливаются радиоэлементы и перемычки.
Учитывайте, что макетные платы обоих типов могут иметь по бокам пазы. Это необходимо для тех, кто собирает большое устройство, состоящее из нескольких модулей. Пазы позволяют собрать одну крупную плату из нескольких маленьких.
ЖЖ не проглотил вторую часть поста целиком тоже, поэтому разбиваю еще на две части. Здесь Часть 3 - Сама первая лабораторная работа , .Итак, первое лабораторное занятие - "Сборка простых электронных схем на основе микросхем малой степени интеграции" - несколько практических упражнений для знакомства с основами цифровой логики:
- знакомство с макетными платами и базовыми элементами схемотехники (светодиоды, диоды, конденсаторы и т.п),
- базовые операции булевой алгебры в физическом исполнении,
- логические элементы (гейты),
- динамика в виде простого таймера,
- элементарные устройства вывода (диодный дисплей)
триггеры (флип-флопы) из первого знакомства выпали и оставлены для лучших времен.
Входные предположения об объектах обучения:
- имеют смутные воспоминания об основах электродинамики из курса школьной программы (напряжение плюс-минус, течет ток, можно добавлять сопротивление)
- имеют хорошее представление как минимум об основах дискретной математики (булева алгебра) и программирования (процедурное мышление), чтобы после прохождения ознакомительных упражнений иметь возможность интуитивно ощутить, что из представленных простых физических элементов логики можно строить большие дискретные системы любой степени сложности, в которых будут реализованы уже сложные абстрактные идеи, которые можно сформулировать на языке логики.
Собственно лабораторная работа
1. Главные детали
—
макетная плата, диоды и светодиоды
Макетная плата (breadboard) позволяет создавать электронные цепи любой конфигурации без применения паяльника - просто втыкая ножки элементов схемы в отверстия платы. Это возможно благодаря тому, каким образом эти дырочки соединены внутри под пластмассой проводниками. По краям проходят горизонтальные полосы с плюсом и минусом по всей длине платы - если воткнуть провод от батарейки (например плюс) в одну из дырок в любом месте, плюс будет подан по всей длине этой полосы и от него можно будет "питаться", воткнув провод в любую другую дырку этой же горизонтальной полосы.
Основа платы - последовательность вертикальных (если смотреть на фото ниже) полосок-проводников по пять дырок над каждой. Если воткнуть два провода в две дырки над одной и той же вертикальной полосой, они будут соединены в цепь (тоже самое, что скрутить их ножки напрямую). Две соседние полоски никак не соединены, поэтому втыкая одни концы элементов в одни вертикальные полоски, а другие концы тех же элементов втыкать в другие, можно выстраивать последовательные цепи любой конфигурации. После этого с горизонтальной полосы с плюсом на одну из вертикальных полос через проводок подается плюс, а с горизонтальный полосы с минусом в другую часть цепи через другой проводок подается минус, и вся схема начинает работать.
Если сейчас не очень понятно, все прояснится после первого эксперимента со светодиодом.
За направление тока на схемах принято брать направление от плюса (+) к минусу (-).
Замечание: не путать "конвенционное" направление тока (от плюса к минусу) с направлением физического потока электронов, которые бегут от минуса к плюсу - т.е. в противоположном направлении - в некоторой литературе (в том числе в книге tron.ix на одной из первых картинок - отсюда и замечание) - используется направление потока электронов, в другой - "конвенционное" направление тока - это связано с традициями и некоторыми другими нюансами - электрические схемы удобнее читать, используя "конвенционное" направление плюс->минус, поэтому будем использовать везде именно его.
Диод - это проводник, который пропускает ток только в одном направлении - от плюса (+) к минусу (-), а от минуса (-) к плюсу (+) не пропускает. На схемах диод обозначается стрелочкой, упирающейся в вертикальную черту, стрелка указывает разрешенное диодом направление тока. Ножка диода, которую в режиме пропускания тока нужно подключать к плюсу называется анод , которую к минусу - катод .
Светодиод - тот же самый диод, только в режиме пропускания тока (когда на анод подается плюс, а на катод - минус) он светит лампочкой, а в режиме непропускания не светит. На схеме светодио обозначается также, как обычный диод, только стрелочка обведена в кружочек. Анод светодиода - длинная ножка (на нее подаем плюс), катод - короткая (ее обычно подключаем к минусу). На всех схемах в лабе - на фото и видео - длинная ножка находится слева, а короткая - справа.
2. Определение булевых значений TRUE/FALSE на выбранном участке цепи — светодиод в качестве индикатора текущего значения
Булевы переменные определяются уровнем напряжения на участке цепи, с которого снимаем значение. За TRUE=1=HIGH принимаем значение плюс (+) ("напряжение HIGH"), за FALSE=0=LOW принимаем минус (-) или землю ("напряжение LOW").
Для того, чтобы воочию проверить текущее булево значение на выбранном участке, можно использовать светодиод - подключить к точке снятия значения анод (длинная ножка), катод (короткая ножка) при этом подключить к минусу. Если в точку подключения анода подан плюс (+), т.е. снимаемое значение должно быть TRUE, ток потечет от анода к катоду через светодиод и его лампочка загорится. Если в точке подключения анода будет минус или земля, ток не потечет, лампочка не загорится - снятое значение - FALSE.
Замечание: светодиод не рекомендуется подключать напрямую к батарейке без промежуточного сопротивления или если подключенное сопротивление слишком мало, т.к. иначе он сможет перегореть из-за слишком сильного тока, на который он не рассчитан (какое-то время он будет светиться, но при этом сильно нагреется и в конечном итоге перегорит). С сопротивление 500Ом (которое быше было выбрано в качестве "послабее") светодиоду ничего не грозит.
Задание в аудитории: нарисовать на доске схему подключения светодиода и попросить группу реализовать ее на макетных платах. В этот момент сразу вскрывается нюанс, специфический для работы в аудитории. В книге tron.ix для каждого упражнении есть две картинки - одна показывает логическую схему подключения, на второй нарисована макетная плата с дырочками и все нужные элементики так, чтобы было видно, какие ножки куда втыкаются и т.п. Сидя дома с книгой проще смотреть на вторую картинку и просто повторять рисунок из книги на живой макетной плате. В аудитории с большим количеством человек этот фокус никак не прокатывает - внятное фотореалистичное изображение макетной платы со всеми дырочками и со всеми элементами, натыкаными в кучку, на доске маркером нарисовать довольно сложно, поэтому проще нарисовать принципиальную схему, а студенты уже сами вникают, как составить ее физическое воплощение на макетной плате. Первое задание с простым светодиодом и сопротивлением заняло около 10ти минут, т.к. это было первое знакомство с устройством макетной платы (схему соединений дырочек внутри платы во время первого задания кстати с доски можно не стирать) и повторная встреча с основами электродинамики после долго расставания - кое-кто например сначала решил засунуть ножки светодиода прямо в дырки полос для электропитания (причем обе в плюс), но после некоторых разъяснений и уточнений все в тему вникли и на следующих заданиях процесс конвертации логической схемы в физическую цепь шел уже значительно веселее.
3. Таблица истинности и оператор OR
Как было показано в предыдущем упражнении, в качестве переменных
, которые могут принимать булевы значения TRUE/FALSE, мы можем брать определенные участки цепи - т.к. в разных условиях напряжение на одном и том же участке может быть как HIGH (+), так и LOW (-) - отсюда и термин "переменная
" - возможностью присвоения значения.
При этом если мы встроим между двумя участками цепи некоторое комбинацию из электрических элементов (типа диодов, сопротивлений и т.п), эта промежуточная комбинация (или схема) может влиять на то, какое значение будет снято на втром (выходном участке) цепи в зависимости от текущего значения на 1м (входном) участке цепи. Т.е. эта промежуточная схема по сути преобразовывает одно или несколько значений на входящих участках цепи в новое значение на исходящем участке цепи по определенному правилу. Т.к. значения на всех участках (входящих и исходящих) могут принимать значение TRUE/FALSE, т.е. они являются булевыми переменными , мы можем принять промежуточную схему-преобразователь за обычный булев оператор (а именно за его физическую реализацию).
В дискретной математике любой оператор задается своей таблицей истинности, в которой перечислены все возможные комбинации значений переменных-параметров (для двух входных переменных: 11, 10, 01, 00) и указано значение резульатата действия оператора для каждой из комбинаций (для двух входных переменных это будет 4 значения единиц и нулей).
Как было указано в начале - предполагается, что аудитория должна быть знакома как минимум с основыми понятиями дискретной математики, к которым относятся в том числе таблицы истинности - в аудитории это предположение подтвердилось - долго объяснять, что из себя представляет таблица истинности, не пришлось - все и так уже были в курсе.
В качестве первого примера рассмотрим физическую реализацию элементарного булева оператора OR . Его принципиальная схема выглядит следующим образом:
Как выглядит его таблица истинности можно узнать, найдя определение этого оператора в учебнике по дискретной математике или собрав приведенную схему на макетной плате - для задания значений входным переменным-параметрам A и B можно втыкать соответствующие провода A и B в отсеки (+) (TRUE=1) или (-) (FALSE=0), при этом результат действия оператора на участке цепи Q будет видно по текущему состоянию красного светодиода (горит - оператор вернул Q=TRUE=1, не горит - Q=FALSE=0). Мы воспользуемся конечно вторым вариантом.
Замечание: почему так происходит физически в данном случае понять довольно просто - при подключении анода любого из входных диодов к плюсу (A=1 или B=1) цепь замыкается и на точку Q (к которой в том числе подключен анод светодиода) подается ненулевое напряжение - лампочка горит - Q=HIGH=TRUE. Если ни один из анодов A и B не подключен к плюсу (+) (т.е. A=0=FALSE и B=0=FALSE), напряжению в цепи взяться вообще неоткуда, т.к. участок с плюсом полностью изолирован - поэтому лампочка гореть не может и Q=LOW=FALSE. Но заострять внимание здесь и на следующих схемах на этом механизме во время занятия в аудитории думаю не обязательно, т.к. мозг студентов в этот момент занят впитыванием и усвоением информации о том, что привычные им из дискретной математики и программирования булевы операторы могут вести себя также, как и живые лампочки на схеме, которую они только что собрали из нескольких проводов, т.е. давать одни и те же таблицы истинности. Поэтому важнее сакнцентировать внимание именно на наблюдении принципиальной возможности существования точки перехода "физика в лице электродинамики" -> "абстракции дискретной математики". Дополнительное погружение в электродинамику может повредить этому процессу или в конечном итоге просто не будет воспринятно так, как нужно - объяснение деталей механизма этого процесса можно оставить на самостоятельную работу, на отдельное занятие напотом или иметь ввиду на случай дополнительных вопросов из аудитории (если вдруг кто-то все-таки усвоит новую информацию достаточно быстро и захочет дополнительных объяснений).
4. Оператор AND
Почти ничего нового по сравнию с предыдущим упражнением - просто строим оператор AND
по схеме.
Замечание: п о физике процесса - если замыкаем один из катодов (A или B) на минус (-), ток потечет напрямую от плюса к минусу по участку сети через соответствующий диод, а на участок сети Q (при такой конфигурации он оказывается подключенным параллельно диоду) силы тока просто "не хватит", чтобы зажечь лампочку (т.е. присвоить Q=TRUE), т.к. при параллельном подключении участков цепи ток распределяется обратнопропорционально значению внутренних сопротивлений этих участков (например если подключить один из диодов через индивидуально сопротивление, то фокус работать не будет - ток потечет по обоим каналам).
Замечание: в аудитории - при построении цепи желательно уместить ее в левой пловине макетной платы, т.к. дальше мы будем использовать ее же для составного оператора NAND.
Возвращаясь к аналогиям интерфейсов ввода-вывода и черных ящиков - транзистор как раз является примером такого ящика, устройство которого нам в принципе не известно. Если с сопротивлениями или диодами все более-менее понятно интуитивно - их работа может быть основана например на физико-химических свойствах проводимости материалов, из которых они сделаны, то логика поведения транзистора очевидно должна быть реализована через какие-то более хитрые механизмы и комбинации материалов. Но нам для того, чтобы им пользоваться в рамках курса, вникать в это устройство в общем не обязательно (и мы это делать не будем) - достаточно знать, что на коллектор нужно подавать плюс, на эмиттер - минус, а проводимость можно включать/выключать плюсом-минусом на базе.
Замечание: п о физике процесса - почти аналогично цепи с AND - если база на минусе (A=FALSE), транзистор закрыт, ток может течь только через участок Q с диодом - Q=TRUE. Если база подключена к плюсу (A=TRUE), ток начинает течь через транзистор, на подключенный параллельно участок Q его силы уже не хватает - получаем Q=FALSE.
Замечание: в аудитории - п ри построении цепи NOT цепь AND из предущего упражнения не разбираем - строим NOT в правой части макетной платы, т.к. в следущем упражнении мы сделаем из них составной оператор NAND.
6. Объединение логических элементов в логическую цепь
—
оператор NAND как AND+NOT
Очень простое технически и важное концептуально упражнение - соединение двух операторов в один составной путем подачи вывода одного оператора на вход другого. Вставляем проводок "A" от оператора NOT в отверстие на выходной подсети "Q" оператора AND (катод красного светодиода AND) - получили оператор NAND - входные параметры - провода "A" и "B" от оператора AND, выходной результат - зеленый светодиод "Q" оператора NOT. Промежуточный красный светодиод-индикатор от оператора AND оставляем для наглядности - при изменении значений входных параметров A и B красный и зеленый светодиоды должны всегда находиться в протифофазе (горит только один из них).
(В аудитории совмещали OR и NOT в NOR, но для плавного перехода к следующему у пражнению с модулем 4011 лучше делать NAND)
Здесь можно сделать перерыв .
7. Знакомство с модулями цифровой логики
—
4 оператора NAND внутри
модуля 4011
Новый важный концептуально элемент - модуль цифровой логики (logic gate) на примере гейта 4011, который содержит внутри себя 4 цифровых логических оператора NAND - на этот раз это черный ящик в буквальном смысле - со всех сторон прямоугольный параллелепипед черного цвета (если не считать серебристую надпись) с торчащими наружу лапками, которые идеально втыкаются в макетную плату (если не забыли про нюанс с корпусом DIP) - некоторые из них являются интерфейсом ввода, некоторые - интерфейсом вывода.
Очевидно подобные логические модули должны очень сильно облегчать жизнь схемотехнику, т.к. поднимают его на один уровень выше в иерархии успрощающих абстракций - чтобы в этом убедиться, достаточно сравнить размер элемента 4011 (который содержит 4 оператора NAND) и схему одного оператора NAND, который мы собрали выше руками. Для того, что воспользоваться готовым логическим модулем достаточно посмотреть на его принципиальную схему и выяснить, какие ножки за что отвечают.
В случае с 4011, чтобы воспользоваться например первым оператором NAND из 4х доступных, можно подключить провода ввода A и B к ножкам 1 и 2 соответственно, а провод вывода Q к ножке 3 (ну и подать питание - минус (-) на ножку 7, плюс (+) на ножку 14) - таблица истинности для Q будет показывать действие оператора NAND точно как и в прошлом примере.
(в конце ролика небольшая помарка - в последней строке должно быть записано "0, 0, 1" вместо "1, 1, 1")
Понятное дело, что подобных логических элементов создано большое количество на все случаи жизни (от базовых логических операторов до генераторов импульса типа 555 или драйвера 7мисегментного дисплея 4511) - как и в случае с 4011, для того, чтобы ими пользоваться, не особо важно знать, как они устроены внутри - достаточно посмотреть в документацию про то, что и при каких обстоятельствах можно подавать и что снимать с его лапок. В общем, почти полная аналогия с библиотеками готовых функций или объектов в мире программирования.
(Если не разбирать NAND из упражнения AND+NOT и уместить NAND из 4011 рядом с ним, то можно убедиться, что лампочки обоих NAND"в при одинаковых входных значениях должны давать одинаковые выходные значения, т.е. схема собранная руками из сопротивлений, диодов и транзисторов, дает тот же результат, что и схема, прошитая внутри черного модуля 4011).
8. Таймер из двух элементов NAND и конденсатора
И опять важный новый элемент - генератор периодического сигнала - таймер (Clock). До этого момента все собираемые логические схемы были статичными - при подаче нужных сигналов на входные подсети (A и B) их значение однозначно преобразовывалось через последовательную цепочку логических операторов в значение выходного сигнала Q, которое без ручного изменения значений входящих сигналов (A и B) (например ручного перетыкания провода из плюса в минус) никак меняться не будет. Элемент "таймер" (или "часы" - в tron.ix он называется Clock, при этом был еще дополнительный специальный элемент Timer) добавляет динамики в этот процесс - значение выходного сигнала таймера самостоятельно меняется с HIGH (TRUE) на LOW (FALSE) и обратно с определенной частотой и при этом человек в этом процессе никак не участвует (нет нужды руками перетыкивать провод из плюса в минус).
В связке с триггерами (flip-flop"ами - элементами, которые умеют "запоминать" свое значение) это в будущем позволит строить конечные автоматы, которые на каждый "такт" таймера будут последовательно переходить из одного состояния в другое.
Последовательность выходных значений HIGH/LOW в каждый момент времени изображают в виде ломаной линии на специальном графике - в дальнейшем с такими графиками будет более плотное знакомство в следующих лабах при симуляции поведения конечных автоматов.
Таймер можно собрать из 2х элементов NAND (взять из логического элемента 4011) и конденсатора C1 (новый элемент на схеме - см. замечание ниже). У конденсатора две ножки - одна длинне (условный плюс), вторая короче (условный минус), но судя по всему какой стороной втыкать конденсатор по крайней мере в данную схему особой роли не играет, т.к. их полярность все равно меняется в процессе колебания (в этом весь смысл).
Замечание: по физике процесса - новый электрический элемент схемы, без которого таймер не смог бы работать - конденсатор - внутри устроен достаточно просто - две изолированные друг от друга пластины - если на одной из них накопить заряд (+), а на второй оставить минус (-) (т.е. конденсатор будет заряжен ) и потом подсоединить ножки к разным участкам цепи, через цепь потечет ток от плюса к минусу пока заряды не уравняются (конденсатор разрядится ). После разрядки конденсатор можно опять зарядить, подав на одну пластину плюс, а на другую - минус. На данной схеме при помощи двух элементов NAND организован процесс, при котором конденсатор будет постоянно то заряжаться, то разряжаться с определенной периодичностью и таким образом генерировать периодический импульс. Когда половинка конденсатора C1, подсоединенная на схеме к выходу 3 1го элемента NAND через сопротивление R1, заряжена плюсом (+), входы 1 и 2 1го элемента NAND имеют значение TRUE (+) и TRUE (+), что на выходе 3 дает значение FALSE (-) (см таблицу истинности NAND) и таким образом конденсатор имеет возможность разрядить свой плюс (+) в этот минусовой участок цепи через сопротивление R1. После того, как плюсовой (+) заряд конденсатора полностью спущен, те. превращается в минус (-), входы 1 и 2 1го элемента NAND логично получают значения FALSE (-) и FALSE (-), что соответственно меняет значение значение выхода 3 на значение TRUE (+) - в итоге получаем, что ток идет уже в противоположном направлении обратно в конденсатор до тех пор, пока он не зарядится обратно до плюса (+) - т.е. попадаем в исходное состояние. И так по кругу - частота процесса будет зависеть от емкости конденсатора (это его физическая характеристика) и силы сопротивления R1 (F=1/R1*C1). Можно в качестве дополнительного эксперимента заменить R1 на сопротивление с другим значением и убедиться, что частота мигания лампочки изменится.
Замечание: для генерации периодического сигнала на схемах можно использовать специальный логический модуль 555, но эксперименты с ним в лабу не вошли.
9. Устройство вывода
—
семисегментный диодный дисплей
В качестве расслабляющего упражнения напоследок - знакомство с первым "человеческим" устройством вывода - семисегментным диодным дисплеем. По сути те же светодиодные лампочки, но подавая ток на нужные сегменты экрана, можно "рисовать" на нем все цифры от 0 до 9 и некоторые буквы.
Рассказывать об устройстве особо нечего - для общеанодного дисплея нужно подать на общую для всех сегментов ножку (анод) плюс, а на ножки нужных сегментов - минус; для общекатодного дисплея - наоборот на общую для всех сегментов ножку (катод) минус, а на ножки нужных сегментов - плюс.
Но главный эффект думаю производит сам факт того, что дисплей впервые показывает способ донести внутреннее состояние собранной схемы до человека в привичном для него виде (читабельными цифрами и буквами), т.е. в конечном итоге задает цель, к которой должна прийти любая собранная схема - сделать что-нибудь с устройством вывода (черный ящик без устройства вывода - это "вещь в себе", от которой не понятно какая польза и зачем она нужна).
Всем очень понравились семисегментные диодные дисплеи с общим анодом. Даже вместо того, чтобы расходиться после длинного занятия, было принято стихийное решение составить из них название группы "10-ПМ" (Прикладная Математика 2010го года поступления - букву "М" сделали в виде повернутой на бок цифры "3") и заснять его на фото.
10. Замечание
- выпавший триггер
В список упражнений не вошел последний важный концептуально элемент - это триггер (flip-flop) - элемент схемы, который может запоминать последнее установленное в него значение. Без этого элемента было бы невозможно строить конечные автоматы (в частности процессоры). Изначально планировалось включить знакомство с понянием триггера на примере RS-триггера (т.к. у него довольно простая схема), но по ходу занятия стало понятно, что количество новой информации воспринимаемой за один раз уже подошло к лимиту усвояемости. Поэтому знакомство с триггерами (простым RS-триггером и более важным D-триггером) перенесено на следующие лабораторные работы непосредственно перед их использованием, когда будем рассматривать уже конкретно конечные автоматы.
Заключение
Мои впечатления от лабораторной работы как выпускника специальности Прикладная Матемитика и Java-программиста. Самый важный результат заключается в том, что эта лабораторная работа показала существование надстройки основ дискретной математики (булевой алгебры) над школьной электродинамикой (из которой лично у меня мало чего оставалось кроме смутных воспоминаний о законе Ома) - осознание этого факта открывает дорогу к пониманию принципов построения более сложных электронных систем, в основе которых лежит все та же дискретка.
С практической точки зрения игры с лампочками на макетных платах оказались довольно важны для визуального ускоренного усвоения новой информации, но за осуществление каких-то относительно сложных проектов лично я бы имея на руках одни макетные платы и россыпь разных логических гейтов не взялся - все-таки при увеличении сложности схемы процесс соединения проводков на схеме становится довольно утомительным и затратным по времени, при этом сложность (а значит и ценность проекта) собираемой системы будет довольно сильно ограничена чисто физически - площадь макетной платы можно увеличить, но как делать "рефакторинг кода" или искать ошибки, когда из одной куче торчит тысяча проводов я представляю слабо (хотя судя по информации в интернете кто-то умудряется водружать на них целые процессоры, поэтому так категорично утверждать не буду) - при этом вопрос создания проектной документации и конвертация собранного таким образом прототипа в формат документа, который мог бы быть использован для серийного производства, вообще не рассматривается. Совершенно другое дело - это чипы ПЛИС (FPGA) с программируемой цифровой логикой (в их основе лежат все те же самые базовые элементы, которые были рассмотрены в текущей лабе, но процесс манипуляции с ними организован на качественно более высоком уровне) - знакомство с ними сразу на порядки расширяет границы для фантазии в выборе целей возможных проектов - первое знакомство с ними запланировано на следующую лабораторную работу.
Если в первой части статьи упор сделан на обзор макетных плат и описание их устройства, то сейчас рассмотрим некоторые полезные тонкости и ньюансы, которые нужно знать при работе с такими макетными платами.
Если в инструкции беспаечной макетной платы сказано, что диаметр провода, вставляемого в контакты 0,4 - 0,7 мм, то не следует пытаться вставлять выводы деталей, которые толще указанной величины. Это приведет к ослаблению и износу контактов. Если же возникает необходимость применения таких деталей, то лучше припаять к толстым выводам проволочки указанного диаметра, или просто обмотать. Естественно, проволочка должна быть без изоляции.
Беспаечные макетные платы продаются в двух комплектациях: с проводами - джамперами и без них. В первом варианте плата получается несколько дороже, но вовсе не беда, если удалось купить отдельно плату, - всегда можно что-нибудь приспособить.
Коммутационные провода, конечно, продаются отдельно, но если нет желания или возможности их купить, то вполне подойдет провод КСВВ 4*0,4, используемый для монтажа .
Такой провод содержит 4 изолированных жилы с диаметром как раз 0,4 мм. Изоляция с провода легко снимается бокорезами или ножом, а сами жилы не имеют лакового покрытия.
В случае необходимости макетирования сложного устройства его отдельные функционально завершенные части лучше собрать на отдельных макетных платах небольших размеров, после чего из полученных узлов собрать всю конструкцию.
Иногда случается, что одно устройство еще не собрано, а требуется почему-то срочно собрать другое, совсем новое. И вот тут начинается! Надо разобрать собранную, еще не отлаженную схему, которую потом, возможно, придется собирать еще раз. А ведь единственный невосполнимый ресурс это время, которое теряется на эти бессмысленные сборки - разборки. Поэтому лучше не скупиться, а приобрести несколько макетных плат, дело пойдет быстрее.
Не следует забывать о том, что макетные платы рассчитаны на слаботочную аппаратуру, - и . Поэтому ни в коем случае недопустимо подавать на них напряжение сети - 220 В. Это может привести к перегреву контактов и пробою изоляции, а что будет после этого всем, наверно, известно.
Но даже и в транзисторах и микросхемах может случиться короткое замыкание, что вызовет перегрев этих элементов, приведет к нагреву контактов и расплавлению пластмассового основания платы. Поэтому при первом включении схемы желательно померить потребляемый ток или хотя бы проконтролировать пальцем температуру всех элементов.
Общее правило, не только для макетных плат. Сначала устанавливаются компоненты не подверженные воздействию статического электричества: , и .
На макетной плате также кроме деталей устанавливаются соединительные провода. Соединительные провода лучше устанавливать пинцетом или маленькими плоскогубцами. Этими же инструментами проводить и демонтаж проводов.
Как и во всех подобных случаях проверить плату на правильность монтажа, на отсутствие коротких замыканий или неконтактов. Неиспользуемые выводы микросхем не оставлять «висеть в воздухе», а подключать либо к общему проводу либо к шине питания. Свободные входы приведут к появлению на выходах таких элементов просто напросто помех, которые будут распространяться по всей схеме и ее наладка станет намного проблематичней.
Наверное, здесь же придется отметить, что макетные платы имеют большую емкость монтажа за счет длинных соединительных проводов, а также множества контактов. Поэтому слишком высокочастотные схемы на таких платах работать будут плохо, а может, не будут совсем.
Чтобы избежать влияния длинных проводников желательно выводы питания микросхем шунтировать керамическими конденсаторами небольшой емкости, как это делается на печатных платах.
Проверяя правильность монтажа, можно воспользоваться «дубовыми» микросхемами ТТЛ, которые практически не чувствительны к статике. Можно, конечно, обойтись и без них, но не очень удобно просовывать щупы мультиметра в отверстия на плате, удобнее касаться ножек микросхем. После завершения проверки и устранения неточностей «учебные» микросхемы следует заменить настоящими.
При использовании микросхем структуры КМОП для защиты от статики очень желательно применение антистатических заземляющих браслетов. Если таких в наличии нет, то можно рекомендовать использование проволочной мочалки для мытья сковородок. Такая мочалка имеет форму кольца, куда можно просунуть руку. С помощью гибкого провода через резистор сопротивлением не более 1МОм подключиться к заземлению.
После проверки схемы можно вставить в плату упомянутые микросхемы КМОП. При настройке схемы, замене деталей, либо внесении изменений защитный антистатический браслет лучше не снимать.
Все люди в мире от мала до велика знают, что перед тем, как создать что-либо, надо сначала создать макет этого “что-либо”, будь это макет здания, стадиона или даже небольшого сельского туалета. В электротехнике это называют прототипом. Прототип – это работающая модель устройства. Поэтому опытные электронщики, перед тем собрать устройство по схеме в интернете, выложенной не пойми кем и не пойми зачем, должны убедиться, что эта схема реально заработает. Поэтому, схему надо быстренько тяп-наляп собрать и убедиться в ее работоспособности, то есть собрать макет. Ну а для того, чтобы его собрать нам то как раз и понадобится макетная плата.
Давным-давно, когда еще вас не было даже и в планах, наши дедушки, а может быть и бабушки, мало ли:-), использовали толстый картон. Это самый быстрый и дешевый способ проверки схем. В картоне прорезались дырочки под выводы радиоэлементов и с другой стороны они соединялись с помощью проводов и других элементов, если те не влезали на лицевую сторону. Выглядело это примерно как-то так:
А – типа лицевая сторона, В – обратная сторона.
Все бы хорошо, но приходилось паять выводы, смотреть, чтобы ничего нигде не замкнуло, да и пока “лепишь” эту схемку можно даже ненароком растеряться:-). Да и не красиво как-то.
Эти времена я еще застал на радиокружке. Тогда мы делали макетные платы сами. Брали острый резец и нарезали квадратики на фольгированном текстолите. Далее покрывали их припоем.
Если надо где-то было соединить дорожки, мы просто делали перемычки между квадратиками каплей припоя. Получалось качественно и красиво. Если было лень перепаивать радиоэлементы на нормально-разведенную плату с дорожками, просто оставляли как есть и пользовались устройством.
Производители все-таки это дело “чухнули”, или как говорится в экономике, спрос рождает предложение. Стали появляться готовые макетные платки односторонние и даже двухсторонние на любой размер и вкус.
Кстати, их можно найти на Али сразу целым набором .
Отверстия очень удобно подобраны по размерам выводов микросхем, а также других радиоэлементов. Поэтому очень удобно на таких макетных платах собирать и проверять радиоэлектронное устройство. Да и стоят они недорого.
Обратная сторона таких макетных плат уже с готовыми устройствами будет выглядеть приблизительно вот так:
В чем же минусы этих макетных плат? Лучше все-таки их использовать единожды, так как при многоразовом использовании у них могут отлетать пятачки, что приведет к ее непригодности.
Прогресс шагает своим уверенным шагом по нашему миру, и вот на рынке появились беспаечные макетные платы.
Стоят они чуть подороже, чем простые одноразовые макетные платы, но честно говоря, оно того стоит.
Они очень удобны в плане установки деталей, а также их связи между собой. В такие макетные платы можно вставлять провода не более, чем 0,7 мм и не менее, чем 0,4 мм в диаметре. Чтобы узнать, какие отверстия и дорожки между собой звонятся, проверяем все это дело . Для конструирования больших схем (вдруг вы будете разрабатывать какой-нибудь блок управления адронным коллайдером) можно добавлять такие же макетные платы впритык. Для этого есть специальные ушки. Одно движение, и макетная плата станет чуток больше.
Ну какая же макетная плата может быть без соединительных проводов? Соединительные провода, или джамперы (от английского – прыгать), нужны для соединения радиодеталей на самой макетной плате.
Чуть позже с Алиэкспресса я купил вот такие джамперы. Они намного удобнее, чем проволочные:
.JPG)
Здесь все просто, берем джампер и вставляем его легким движением руки
Давайте соберем простейшую схемку включения светодиода через кнопочку на макетной плате
Вот так она будет выглядеть
Выставляем на Блоке питания 5 Вольт и нажимаем на кнопочку. Светодиод загорается ярко-зеленым цветом. Значит схема работоспособная, и мы ее можем использовать по своему усмотрению.
Беспаечные макетные платы завоевывают мир. Любую схему на них можно собрать и разобрать за считанные минуты. После сборки и проверки схемы на макетной плате, можно смело приступать к ее сборке в чистом виде. Думаю, у каждого уважаемого себя электронщика должна быть такая макетная. Но имейте ввиду, схемы с большим током в цепи лучше все таки на ней не проверять, так как контакты макетные платки могут просто-напросто выгореть – закон Джоуля-Ленца . Удачи вам в разработке и конструировании радиоэлектронных устройств!
Макетную плату с гибкими джамперами и даже с готовым блоком питания 5 Вольт можно сразу купить набором на Алиэкспрессе. Выбирайте на ваш вкус и цвет!
Если же не хотите , то проще всего будет купить одноразовую макетную плату и собрать на ней готовое устройство:
Breadboard (макетная (монтажная) беспаечная плата) – один из основных инструментов как для познающих основы схемотехники, так и для профессионалов.
В этой статье вы познакомитесь с тем, где и как использовать breadboard и какие они бывают. После ознакомления с приведенными основами, вы сможете собрать свою электросхему с использовнием макетной беспаечной платы.
В начале 1960 создание прототипов микросхем выглядело примерно так:
На платформе устанавливались металлические стойки, на которые наматывались проводники. Процесс прототипирования был достаточно длительным и сложным. Но человечество не стоит на месте и был придуман более элегантный подход: Беспечные монтажные платы - breadboards!
Если знать, что bread переводится как хлеб, а board - доска, то одна из ассоциаций, которая может возникнуть при упоминании слова breadboard - это деревянная подставка, на которой нарезают хлеб (как на рисунке ниже). В принципе, вы недалеки от истины.
Так откуда появилось это название - breadboard? Много лет назад, когда электронные компоненты были большими и неуклюжими, многие "самодельщики" в своих "гаражах" собирали схемы с использованием подставок для нарезки хлеба (пример показан на рисунке ниже).
Постепенно электронные компоненты становились меньше и получилось свести прототипирование к использованию более ли менее стандартных проводников, коннекторов и микросхем. Подход несколько изменился, но название перекочевало.
Breadboard - это беспаечная монтажная плата. Это отличная платформа для разработки прототипов или временных электросхем, с использованием которой вам не понадобится паяльник и все связанные с этим проблемы и затраты времени на распайку.
Прототипирование (prototyping) - это процесс разработки и тестирования модели вашего будущего устройства. Если вы не знаете как будет себя вести ваше устройство при определенных заданных условиях, лучше сначала создать прототип и проверить его работоспособность.
Беспаечные монтажные платы используют как для создания простеньких электросхем, так и для сложных прототипов.
Еще одна сфера применения breadbord"ов - проверка новых деталей и компонентов - например, микросхем (ICs).
Как уже упоминалось выше, созданная вами электросхема вполне может меняться и в этом основное преимущество использования беспаечных монтажных плат. Например, в любой момент вы можете включить в схему дополнительный светодиод, который будет реагировать на те или иные условия в вашей цепи. На рисунке ниже показан пример электросхемы для проверки работоспособности чипа Atmega, который используется в платах Arduino Uno.
Лучший способ объяснить как именно работает breadboard - выяснить как плата выглядит изнутри. Рассмотрим на примере миниатюрной платы.
На рисунке ниже показан breadboard, на котором снято основание на нижней части. Как вы видите, на плате установлены ряды металлических пластин.
Каждая металлическая пластина имеет вид, приведенный на рисунке ниже. То есть, это не просто пластина, а пластина с клипсами, которые прячутся в пластиковой части монтажной платы. Именно в эти клипсы вы подключаете ваши провода.
То есть, как только вы подключили проводник к одному из отверстий в отдельном ряде, этот контакт будет одновременно подключен и к остальным контактам в отдельном ряде.
Обратите внимание, что на одной рельсе пять клипс. Это общепринятый стандарт. Большинство беспаечных монтажных плат реализуются именно таким образом. То есть, вы можете подключить до пяти компонентов включительно к отдельной рельсе на breadboard"е и они будут связаны между собой. Но ведь на плате десять отверстий в ряде!? Почему мы ограничены пятью контактами? Вы, наверное, обратили внимание, что по центру монтажной платы есть отдельная рельса без пинов? Эта рельса изолирует пластины друг от друга. Зачем это делается, мы разберем немного позже. Сейчас важно запомнить, что рельсы изолированы друг от друга и мы ограничены пятью связанными контактами, а не десятью.
На рисунке ниже показан светодиод, установленный на беспаечную монтажную плату. Обратите внимание, что две ноги светодиода установлены на изолированных параллельных рельсах. В результате не будет замыкания контактов.
Давайте теперь рассмотрим breadboard больших размеров. На таких платах, как правило, предусматривают две вертикально расположенные рельсы. Так называемые рельсы для питания.
Эти рельсы аналогичны по исполнению с горизонтальными, но при этом соединены друг с другом по всей длине. При разработке проекта вам часто необходимо питание для многих компонентов. Именно эти рельсы используются для питания. Обычно их отмечают "+" и "-" и двумя разными цветами - красным и голубым. Как правило, рельсы соединяют между собой, чтобы получить одинаковое питание по обоим сторонам макетки (смотрите на рисунке ниже). Кстати, нет необходимости подключать плюс именно к рельсе с обозначением "+", это исключительно подсказка, которая поможет вам структурировать ваш проект.
Центральная рельса без контактов изолирует две стороны беспаечной монтажной платы. Помимо изоляции, эта рельса выполняет вторую важную функцию. Большинство микросхем (ICs), изготавливаются в стандартных размерах. Для того, чтобы они занимали минимум места на монтажной плате, используется специальный форм-фактор под названием Dual in-line Package, или сокращенно - DIP.
У DIP-микросхем контакты расположены по двум сторонам и отлично садятся на две рельсы по центру breadboard"а. Именно в этом случае изоляция контактов - отличный вариант, который позволяет сделать разводку каждого контакта микросхемы на отдельную рельсу с пятью контактами.
На рисунке ниже показана установка двух DIP микросхем. Сверху - LM358, ниже - микроконтроллер ATMega328, который используется во многих платах Arduino .
Наверняка вы обращали внимание, что на беспаечных монтажных платах нанесены числа и буквы возле строк (горизонтальных рельс) и столбцов (вертикальных рельс). Эти обозначения нанесены исключительно для удобства. Прототипы ваших устройств очень быстро обрастают дополнительными компонентами, а одна ошибка в подключении приводит к неработоспособности электрической схемы или даже к выходу из строя отдельных компонентов. Гораздо проще подключить контакт к рельсе, которая отмечена цифрой и буквой, чем отсчитывать контакты "на глаз".
Кроме того, во многих инструкциях номера рельс тоже указываются, что значительно облегчает сборку вашей схемы. Но не забывайте, что даже если вы используете инструкцию, номера контактов на макетке не обязаны совпадать!
Некоторые монтажные платы изготавливаются на отдельной подставке, на которой установлены специальные колки. Эти колки используются для подключения источника питания к вашему breadboard "у. Более детально подобные макетки рассмотрены ниже.
Когда вы разрабатываете электрическую схему, не обязательно ограничиваться одним breadboard "ом. На многих монтажных платах предусмотрены специальные пазы и выступы по бокам. С помощью этих слотов, вы можете соединить несколько макеток и сформировать необходимое для вас рабочее пространство. На рисунке ниже показаны четыре мини breadboard "а, соединенных вместе.
На некоторых монтажных беспаечных платах предусмотрена самоклеющаяся основа на задней части. Очень полезная фича, если вы хотите надежно установить макетку на какой-то поверхности.
На некоторых больших макетках вертикальные рельсы, на которые подается питание, состоят из двух изолированных друг от друга частей. Очень удобно, если в вашем проекте надо два разных источника питания: например, 3.3 В и 5 В. Но надо быть предельно осторожным и перед использованием breadboard "а подключить один источник питания и проверить напряжение на двух концах вертикальной рельсы с помощью мультиметра.
Подавать питание на breadboard можно по разному.
Если вы работаете с Arduino, вы можете соединить пины 5 В (3.3 В) и Gnd с двумя разными рельсами макетки. На рисунке ниже показано подключение контакта Gnd с Arduino к рельсе мини макетной монтажной платы.
Как правило, Arduino запитывается от USB порта на компьютере или от внешнего источника питания, которые мы можем предать на рельсу макетки.
Выше уже упоминалось, что на некоторых монтажных платах устанавливают колки для подключения внешнего источника питания.
Для начала работы, необходимо подключить колки к рельсам на breadboard "е с помощью проводников. Колки не связаны ни с одной рельсой, что дает вам пространство для маневра: на какую именно рельсу подавать питание и землю.
Для подключения провода к колку, открутите пластиковый колпачок и поместите конец провода в отверстие (смотрите на фото ниже). После этого, закрутите колпачок обратно.
Как правило, вам будут необходимы два колка: для питания и для земли. Третий колок можно использовать, если вам понадобится альтернативный источник питания.
Колки соединены с рельсами, но это не конец. Теперь надо подключить внешний источник питания. Вариантов несколько.
Можно использовать специальные джеки, как это показано на фото ниже.
Можно использовать "крокодилов" и даже обычные проводники. Зависит исключительно от ваших предпочтений и деталей, которые есть у вас в наличии.
Один из достаточно универсальных вариантов - распаять контакты на джеке под ваш источник питания и подключить провода к колкам, как это показано ниже.
Можно использовать и специальные модули-стабилизаторы питания, которые выпускаются под беспаечные монтажные платы. Некоторые модули дают возможность запитывать макетку от USB порта, некоторые изготавливаются со стандартными джеками под блоки питания. На большинстве подобных модулей стабилизаторов питания предусмотрена регулировка напряжения. Например, можно выбрать напряжение, которое пойдет на рельсу: 3.3 В или 5 В. Один из вариантов подобных модулей регуляторов/стабилизаторов напряжения показан на рисунке ниже.
Основы работы с беспаечной монтажной платой мы рассмотрели. Давайте рассмотрим пример простой электрической цепи, в которой будем использовать breadboard.
Ниже приведен список узлов, которые понадобятся для нашей цепи. Если у вас нет именно этих деталей, можете заменить их на аналогичные. Не забывайте: одну и ту же электрическую цепь можно собрать, используя разные компоненты.
Фотография собранной электрической цепи с использованием беспаечной монтажной платы приведена ниже. В проекте используются две кнопки, резисторы и светодиоды. Обратите внимание, что две аналогичные цепи собраны по разному.
Красная плата слева - стабилизатор напряжения, который обеспечивает питание 5 В на рельсах макетки.
Схема собирается следующим образом:
При прототипировании важно разбираться в электрических схемах. Давайте кратко рассмотрим электрическую схему нашей небольшой электрической цепи.
Электрическая схема - это схематическое изображение, в котором используются универсальные обозначения для отдельных электрических компонентов и отображается последовательность их подключения. Подобные элекрические схемы можно получить, используя программу Fritzing .
Электрическая схема нашего проекта показана на рисунке ниже. Питание 5 В изображено стрелкой в верхней части схемы. 5 В подключается к светодиоду (треугольник и горизонтальная линия со стрелками). После этого светодиод подключается к резистору (R1). После этого установлена кнопка (S1), которая замыкает цепь. И в конце цепи - земля (Gnd - горизонтальная линия снизу).
Наверняка возникает вопрос: а зачем нам электрические схемы, если можно просто создать принципиальную схему подключения с использованием того же Fritzing? Например, как на подобном рисунке:
Как уже упоминалось выше, собрать одну и ту же схему можно по-разному, а вот электрическая принципиальная схема останется одинаковой. То есть, практическая имплементация может отличаться, что дает вам пространство для фантазии и более общее понимание процессов, которые происходят в вашем проекте.
