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.
Давайте рассмотрим устройство и назначение беспаечных макетных плат. В чем их преимущество перед другими видами сборки, и как с ними работать, а также какие схемы можно быстро собрать на них новичку.
Предыстория
Первой проблемой с которой сталкивается радиолюбитель это даже не отсутствие теоретических знаний, а отсутствия средств и знаний о способах монтажа электронных устройств. Если вы не знаете как работает та или иная деталь, это не помешает вам подключить её по схеме электрической принципиальной, а вот чтобы наглядно и качественно собрать схема нужна печатная плата. Чаще всего их изготавливают по методу ЛУТ, но лазерный принтер есть не у всех. Наши отцы и деды рисовали платы вручную лаком для ногтей или краской, а потом их вытравливали.
Здесь новичка настигает вторая проблема — отсутствие реактивов для травления. Да, безусловно, хлорное железо продается в каждом магазине радиоэлектронных компонентов, но на первых порах и так нужно много всего приобрести и изучить, что уделить внимания технологии травления плат из фольгированного текстолита или гетинакса просто сложно. Да и не только новичкам, но и опытным радиолюбителям порой нет смысла травить плату и тратить средства на недоработанное изделие на этапах его наладки.
Чтобы избежать проблем с поиском хлорного железа, текстолита, принтера и не получить от жены (мамы) за несанкционированное использование утюга, можно практиковаться в монтаже электронных устройств на беспаечных макетных платах.
Что такое беспаечная макетная плата?
Как видно из названия это такая плата, на которой можно собрать макет устройства без использования паяльника. Макетка - так её называют в народе - в магазинах присутствует разных размеров и модели несколько отличаются по компоновке, но принцип действия и внутреннее их устройство одинаковы.
Макетная плата состоит из корпуса из ABS пластика, в котором расположены разъёмные соединения, которые напоминают сдвоенные металлические шины между которыми зажимается проводник. На лицевой части корпуса отверстия, пронумерованные и промаркированные, в них можно вставлять провода, ножки микросхема, транзисторов и других радиодеталей в корпусах с выводами. Взгляните на картинку ниже, на ней я всё это изобразил.
На рассмотренной печатной плате крайние два столбца отверстий с каждой из сторон объединили вертикально общими шинами, из которых обычно формируют шину плюсового контакта источника питания и минусовую (общую шину). Обычно обозначаются красной и синей полосой по краю платы плюс и минус соответственно.
Средняя часть платы разделена на две части, каждая из частей объедены по строчно по пять отверстий в ряд на данной конкретной плате. На рисунке изображено схематическое соединение отверстий (черными сплошными линиями).
Внутренняя структура платы изображена на рисунке ниже. Сдвоенные шины зажимают проводники, что и проиллюстрированно. Жирными линиями обозначены внутренние соединения.
Такие платы в англоязычной среде называются Breadboard именно по такому названию вы сможете найти её на aliexpress и подобных интернет магазинах.
Как с ней работать?
Просто в отверстия вставляете ножки электронных компонентов, соединяя между собой детали по горизонтальным линиям, а с крайних вертикальных подаёте питание. Если нужна перемычка часто используют специальные с тонкими штекерами на конца, в магазинах их можно встретить под название «перемычки dupont» или перемычки для ардуино, её кстати тоже можно вставить в такую макетку и собирать свои проекты.
Если вам не хватило размеров одной макетной платы вы можете совместить несколько, он словно пазлы вставляются друг в друга, обратите внимание на первой картинке в статье схема собрана на двух соединенных платах. На одной из них есть шип, а на другой выемка, скошенные от наружной части к корпусу платы, чтобы конструкция не развалилась.
Сборка простых схем на макетной плате
Начинающему радиолюбителю важно быстро собрать схему чтобы убедиться в работоспособности и понять как она работает. Давайте рассмотрим как выглядят разные схемы на макетной плате.
Схема симметричного мультивибратора советуется как первая многим новичкам, она позволяет научиться соединять детали последовательно и параллельно, а также определять цоколевку транзисторов. Её можно собрать навесным монтажом или развести печатную плату, но это требует пайки, а навесной монтаж несмотря на свою простоту, на самом деле очень сложен для начинающих и чреват замыканиями или плохим контактом.
Посмотрите как просто она выглядит на беспаечной макетной плате.
Кстати обратите внимание здесь не использовались перемычки Dupont. Вообще, их не всегда можно найти в радиомагазинах, а особенно в магазинах маленьких городов. Вместо них можно использовать жилы от интернет-кабеля (Витая пара) они в изоляции, а жила не покрыта лаком, что позволяет быстро оголить конец кабеля, сняв небольшой слой изоляции и вставить в разъём на плате.
Соединять вы можете детали как угодно, лишь бы обеспечить нужную цепь, вот та же схема, но собрана слегка иначе.
Кстати для описания соединений вы можете пользоваться маркировкой платы, столбцы обозначают буквами, а строки цифрами.
Для ваших конструкций встречаются такие блоки питания, на них есть штекера которые монтируются в беспаечную плату подключаясь к шинам «+» и «-». Это удобно, на нём есть выключатель и линейный малошумящий стабилизатор напряжения. В целом вам не составит труда развести такую плату самому и собрать её.
Вот так , например для его проверки. На картинке изображена более “продвинутая” версия печатной платы с зажимными клеммами для подключения источника питания. Анод светодиода подключен к плюсу питания (красная шина) а катод на горизонтальную шину рабочей области, где и соединен с токоограничительным резистором.
Источник питания на линейном стабилизаторе типа L7805, или любой другой микросхеме серии L78xx, где хх - нужное вам напряжение.
Собранная схема пищалки на логике. Правильное название такой схемы - Генератор импульсов на логических элементах типа 2и-не. Сначала ознакомьтесь со схемой электрической принципиальной.
В качестве логической микросхемы подойдет отечественная К155ЛА3, либо иностранная типа 74HC00. Элементы R и C задают рабочую частоту. Вот её реализация на плате без пайки.
Справа заклееный белой бумажкой - буззер. Его можно заменить светодиодом, если уменьшить частоту.
Чем больше Сопротивление ИЛИ ёмкость - тем меньше частота.
А вот так выглядит типовой проект Ардуинщика на стадии тестирования и разработки (а иногда и в конечном виде, зависит от того насколько он ленив).
Собственно в последнее время популярность “бредбордов” существенно возросла. Они позволяют быстро собирать схемы и проверять их работоспособность, а также использовать в качестве разъёма при перепрошивке микросхем в DIP корпусе, и в других корпусах, если есть переходник.
Ограничения беспаечной макетной платы
Несмотря на свою простоту и очевидные преимущества перед пайкой, беспаечные макетки имеют и ряд недостатков. Дело в том что не все цепи нормально работают в такой конструкции, давайте рассмотрим подробнее.
На беспаечных макетных платах не рекомендуется собирать мощные преобразователи, а особенно импульсные схемы. Первые не будут нормально работать по причине токовой пропускной способности контактных дорожек. Не стоит залазить за токи более 1-2 Ампер, хотя в интернете встречаются и сообщения о том что включают и 5 Ампер, делайте сами выводы и экспериментируйте.
Электробезопасность
Не стоит забывать и о том, что высокое напряжение опасно для жизни. Макетирование устройств работающих, например от 220 В ЗАПРЕЩЕНО категорически. Хоть и выводы закрыты пластиковой панелью, но куча проводников и перемычек могут привести к случайному замыканию или поражению электрическим током!
Заключение
Беспаечная макетная плата годится для простых схем, аналоговых схем которые не предъявляют высоких требованиям к электрическим соединениям и точности, автоматики и цифровых схем, которые не работают на высоких скоростях (ГигаГерцы и десятки МегаГерц - это уже слишком). При этом высокое напряжение и токи опасны и в таких целях лучше использовать навесной монтаж и печатные платы, при этом новичку не следует производить и навесного монтажа таких цепей. Стихия беспаечных макетных плат — простейшие схемы до десятка элементов и любительские проекты на Ардуино и других микроконтроллерах.
Для надёжной сборки устройств создаются индивидуальные печатные платы. Если делать их самостоятельно, это займёт много времени и заставит повозиться с химикатами и паяльником. Индивидуальные платы с промышленным монтажом на заказ крайне дороги при малом тираже.
Для быстрой сборки электрических схем без пайки и без проблем существует макетная плата . Её же называют макетной доской, макеткой или breadboard ’ом.
Под слоем пластика скрываются медные пластины-рельсы, выложенные по незамысловатому принципу:
Одну и ту же схему на макетной доске можно собрать множеством способов. Пример одной из конфигураций разберём для такой схемы:
На макетной доске её физическое воплощение может быть сделано таким способом:
На что стоит обратить внимание:
Цвета проводов, конечно же, значения не имеют. Однако хорошим тоном является использование красных проводов для линии питания и чёрных или синих для линии земли
Мы подключили источник питания к длинным боковым рельсам. Это позволяет не тянуть к нему самому большое количество проводов с разных участков схемы, а задача по его замене или перемещению сильно упрощается
Положение всей схемы на макетной доске не так важно. Важно взаимное положение компонентов друг относительно друга
Часто для того чтобы быстро собрать макет какой-нибудь электронной схемы на столе, удобно воспользоваться макетной платой, которая позволяет обойтись без пайки. И лишь затем, когда вы убедитесь в работоспособности своей схемы, можно озаботиться созданием печатной платы с пайкой. Для человека, только начинающего познавать мир электроники, совсем не очевидным может быть использование такого инструмента как макетная плата или «бредборд» (breadboard). Давайте посмотрим, что же такое макетная плата и как с ней работать.
Видов макетных плат существует множество. Они различаются количеством выводов, количеством шин, конфигурацией. Но устроены все они по одному принципу. Макетная плата состоит из пластикового основания со множеством отверстий, расположенных обычно со стандартным шагом 2,54 мм. С таким же шагом обычно располагаются ножки у выводных микросхем. Отверстия нужны для того, чтобы вставлять в них выводы радиоэлементов или соединительные провода. Типичный вид макетной платы представлен на рисунке.
Различные виды макетных плат (breadboard)
Своё английское название - breadboard («доска для хлеба») - такой вид плат получил из-за сравнения с доской для нарезки хлеба: она подходит для быстрого «приготовления» несложных схем.
Также существуют макетные платы под пайку. Отличаются они тем, что сделаны обычно из стеклотекстолита, а их металлизированные площадки хорошо подходят для пайки проводов и выводных радиоэлементов к ним. В этой статье мы не рассматриваем такие платы.
Давайте посмотрим, что внутри у макетной платы. На рисунке слева показан общий вид платы. На правой части рисунка цветом обозначены шины-проводники. Синий цвет - это «минус» схемы, красный - «плюс» , зелёный - это проводники, которые вы можете использовать по своему усмотрению для соединений частей электрической схемы, собираемой на макетной плате. Обратите внимание, что центральные отверстия соединены параллельными рядами поперёк макетной платы, а не вдоль. В отличие от шин питания, которые размещены по краю макетной платы вдоль её краёв. Как видно, имеется две пары шин питания, что позволяет при необходимости подавать на плату два разных напряжения, например, 5 В и 3,3 В.
Устройство макетной платы (breadboard)
Две группы поперечных проводников разделены широкой бороздкой. Благодаря этому углублению на макетную плату можно ставить микросхемы в DIP-корпусах (корпусах с «ножками»). Как на рисунке ниже:
Существуют также радиоэлементы для поверхностного монтажа (их «ножки» при монтаже вставляются не в отверстия в печатной плате, а припаиваются прямо на её поверхность). Их использовать с подобной макетной платой можно лишь со специальными переходниками - прижимными или под пайку. Универсальные переходники называются «панели с нулевым усилением» или ZIF-панели, используя иностранную терминологию. Такие переходники бывают чаще всего под 8-выводные микросхемы и под 16-выводные микросхемы . Пример таких элементов и такого переходника показан на иллюстрации.
Цифры и буквы на макетной плате нужны для того, чтобы вы легче могли ориентироваться на плате, а в случае необходимости - нарисовать и подписать свою принципиальную схему. Это иногда может пригодиться при монтаже больших схем, особенно если вы монтируете по описанию. Пользоваться ими примерно так же, как буквами и цифрами на шахматной доске, например: подключаем вывод резистора в гнездо E-11 и т.п.
Для приобретения навыка работы с макетной платой соберём простейшую схему, как показано на рисунке. «Плюс» батарейки подключим к плюсовой шине макетной платы, «минус» - к отрицательной шине. Яркие красные и чёрные линии - это соединительные провода, а бледные полупрозрачные - это соединения, которые обеспечивает макетная плата, они показаны для наглядности.
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.
