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附录 H · 面包板实验清单
18 个递进实验，从认识电压到综合小系统。每个含目标、所需元件、接线步骤、预期现象与思考题。建议配万用表、面包板、5 V 电源（或 USB）。每个“预期”都给了可复算的数值，做完先算一遍再测，对不上才知道是哪一步错了。
安全提示：实验电压限 5 V/3.3 V，不要接市电；上电前先用万用表通断档确认电源轨与地无短路；电解电容注意极性，LED 串限流电阻；发热的稳压器/电机驱动不要直接用手摸。
实验 1：认识面包板与电压测量
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 熟悉面包板内部连接，学会万用表测电压 |
| 元件 | 面包板、USB 5 V 线、万用表 |
| 步骤 | ① USB 5 V 接面包板红轨；② 黑表笔接蓝轨，红表笔测红轨；③ 用通断档验证电源轨是否整条连通 |
| 预期 | 万用表读数约 5.0 V（USB 允许 4.75–5.25 V）；红轨内部所有孔连通；红轨与蓝轨不导通 |
| 思考 | 面包板的 a–e 五孔一列连通、f–j 五孔一列连通，中间凹槽两侧不连通；400 孔板的电源轨常在中间断开，怎么用万用表确认？ |
实验 2：点亮 LED
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 理解限流电阻的必要性 |
| 元件 | LED（红/绿/蓝任选）、220 Ω 电阻、5 V |
| 步骤 | 5 V → 220 Ω → LED 阳极 → LED 阴极 → GND |
| 预期 | 红光 LED（V_F\approx2.0 V）电流 (5-2)/220=13.6 mA，正常亮度；蓝/白光（V_F\approx3.0 V）约 9.1 mA。不加电阻时电流只受 USB 电源限制，LED 可能瞬间烧毁 |
| 思考 | 要更暗应加大还是减小电阻？把 220 Ω 换成 1 kΩ，红光电流变成多少？ |
实验 3：电阻分压
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 验证分压公式 V_{out}=V_{in}\cdot R_2/(R_1+R_2) |
| 元件 | 10 kΩ、10 kΩ 电阻、5 V、万用表 |
| 步骤 | 5 V→R1(10 k)→节点 Vout→R2(10 k)→GND，测 Vout |
| 预期 | Vout ≈ 2.5 V；万用表 10 MΩ 输入阻抗对 5 kΩ 的分压网络影响 <0.1% |
| 思考 | 把 R2 换成 1 kΩ，Vout 变为 5\times1/11=0.455 V；接负载后为何偏低？（分压器输出阻抗 R_1\parallel R_2 与负载再分压） |
实验 4：上拉电阻与按键
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 理解上拉电阻与机械开关 |
| 元件 | 10 kΩ 电阻、轻触按键、LED、5 V |
| 步骤 | 节点经 10 kΩ 上拉到 5 V，按键一端接 GND，节点接 LED→GND |
| 预期 | 常态节点被上拉到 5 V，LED 微亮（电流 (5-2)/10\text{k}=0.3 mA）；按下按键节点被拉低到 GND，LED 灭 |
| 思考 | 若无上拉电阻，松开后节点电平为何不确定？0.3 mA 太暗，想正常亮度该怎么改？（用三极管/MOSFET 做开关，或把 LED 串 1 kΩ 后由 GPIO 直接驱动） |
实验 5：RC 充电时间常数
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 观察电容充电曲线，理解 \tau=RC |
| 元件 | 100 µF 电解电容（耐压 ≥10 V）、10 kΩ 电阻、5 V、万用表/示波器 |
| 步骤 | 5 V→R→C→GND，上电后每隔 1 s 记录电容两端电压 |
| 预期 | \tau=RC=10\,\text{k}\Omega\times100\,\mu\text{F}=1 s；1 s 时约 3.16 V（63.2%），3 s 约 4.75 V（95%），5 s 约 4.97 V（99.3%） |
| 思考 | 若电容换成 10 µF，充电快多少倍？（τ=0.1 s，快 10 倍）电解电容反接会怎样？ |
实验 6：RC 低通滤波
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 观察 RC 低通对信号的衰减 |
| 元件 | 1 kΩ、1 µF、信号发生器/MCU PWM |
| 步骤 | PWM（1 kHz、0–5 V 方波）→R→输出节点→C→GND，示波器看输入输出 |
| 预期 | 截止频率 f_c=1/(2\pi RC)=159 Hz；1 kHz 处基波被衰减到 0.157，输出是约 1 Vpp 纹波的直流，不是“干净直流” |
| 思考 | 把 C 换成 10 µF（f_c=15.9 Hz），1 kHz 处衰减到 1.6%，纹波还剩多少？R 取太大会有什么问题？ |
实验 7：BJT 三极管开关
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 用小基极电流控制大集电极电流 |
| 元件 | S8050/2N3904 NPN、1 kΩ、LED、220 Ω、5 V |
| 步骤 | GPIO(或按键+上拉)→1 kΩ→基极；集电极→LED→220 Ω→5 V；发射极→GND |
| 预期 | 5 V GPIO 时 I_B=(5-0.7)/1\,\text{k}\Omega=4.3 mA，I_C=(5-2-0.2)/220\,\Omega=12.7 mA，强制 β≈3，深度饱和；3.3 V GPIO 时 I_B=2.6 mA，仍饱和 |
| 思考 | 基极电阻取多大？饱和条件为什么是 I_B\ge(3\sim5)I_C/\beta_{min} 而不是 I_B>I_C/\beta？ |
实验 8：MOSFET 开关
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 对比 MOSFET 与 BJT，理解电压控制 |
| 元件 | AO3400（或 BSS138）N-MOS、LED、220 Ω、5 V、10 kΩ 下拉 |
| 步骤 | GPIO→1 kΩ→栅极，栅极经 10 kΩ 下拉到 GND；漏极→LED→220 Ω→5 V；源极→GND |
| 预期 | GPIO 高电平 MOS 导通，LED 亮；栅极静态几乎不取电流（只有漏电 nA 级） |
| 思考 | 为什么 MOS 栅极不需要持续电流？栅极电容充电/放电对 PWM 边沿有什么影响？2N7000 在 3.3 V 栅压下为什么可能“半开”？ |
实验 9：LDO 稳压
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 用 AMS1117-3.3 把 5 V 变 3.3 V |
| 元件 | AMS1117-3.3、10 µF 输入电容、10 µF 输出电容（datasheet 推荐 22 µF 钽，用陶瓷要确认 ESR）、5 V |
| 步骤 | 5 V→IN，GND→GND，OUT 接负载，输入/输出各并电容 |
| 预期 | OUT 稳定 3.3 V；输入波动被抑制；0.5 A 时芯片功耗 (5-3.3)\times0.5=0.85 W，明显发热 |
| 思考 | 压差约 1.1–1.3 V，5 V 输入够不够？1 A 时功耗 1.7 W，SOT-223 不加铜箔会怎样？ |
实验 10：Buck 降压模块
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 认识开关电源高效率 |
| 元件 | LM2596/MP1584 模块、电位器、万用表、5–10 Ω 功率电阻（做负载） |
| 步骤 | 12 V（或 9 V）输入，空载调电位器使输出 5 V，再接 0.5 A 负载复测 |
| 预期 | 输出稳定 5 V；12 V 输入、0.5 A 负载时输出 2.5 W，效率约 85% 则输入约 2.94 W/0.245 A，明显低于 LDO 的 0.5 A |
| 思考 | 为什么开关电源效率比线性高？纹波大在哪？（开关频率及其谐波，约 30–50 mVpp） |
实验 11：反相比例放大器
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 用 LM358 搭反相放大器，验证 G=-R_f/R_1 |
| 元件 | LM358、10 kΩ、100 kΩ、双电源 ±5 V（或单电源+2.5 V 偏置）、信号源 |
| 步骤 | Vin→10 kΩ→反相端；反相端→100 kΩ→输出；同相端接地（单电源时接 2.5 V 偏置） |
| 预期 | G=-10；输入 0.2 Vpp/1 kHz，输出 2 Vpp 且反相；闭环带宽约 1\text{ MHz}/10=100 kHz，1 kHz 远在带内 |
| 思考 | 单电源 5 V 下输出负半周为什么被削？LM358 的输出摆幅到不了电源轨，输入 0.5 Vpp 时输出会怎样？ |
实验 12：同相比例放大器
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 高输入阻抗缓冲/放大 |
| 元件 | LM358、10 kΩ、10 kΩ、信号源 |
| 步骤 | Vin→同相端；反相端经 R1 接地、经 Rf 接输出 |
| 预期 | G=1+R_f/R_1=2，输出与输入同相；输入 1 Vpp 时输出 2 Vpp |
| 思考 | 电压跟随器（Rf=0、R1 开路）输入阻抗为什么极高？只把 Rf 短接、R1 保留会怎样？ |
实验 13：比较器与迟滞
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 用 LM339 做阈值检测，加迟滞抗抖 |
| 元件 | LM339、10 kΩ 电位器、10 kΩ、100 kΩ、1 kΩ、LED、5 V |
| 步骤 | 同相端接电位器分压（约 2.5 V）与 100 kΩ 正反馈；反相端接输入；输出经 10 kΩ 上拉到 5 V；LED 阳极经 1 kΩ 接 5 V、阴极接输出（输出低电平时点亮） |
| 预期 | 输入越过阈值时输出翻转，LED 亮/灭（低电平点亮）；R_1=10 kΩ、R_f=100 kΩ、5 V 摆幅时迟滞约 5\times10/110=0.45 V，门限约 2.27 V/2.73 V |
| 思考 | 没有迟滞时输入在阈值附近抖动，LED 为何闪烁？Rf 越小迟滞越宽还是越窄？ |
实验 14：按键去抖
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 观察机械按键抖动，用 RC 去抖 |
| 元件 | 按键、100 nF/1 µF、10 kΩ、MCU 或示波器、74HC14（可选） |
| 步骤 | 按键节点直接接示波器 vs 并联 100 nF 到 GND，再换 1 µF 对比 |
| 预期 | 直接接：按下/松开瞬间有 1–20 ms 抖动；100 nF×10 kΩ 的 \tau=1 ms 只能滤掉最窄的毛刺；1 µF 时 \tau=10 ms，波形明显平滑 |
| 思考 | RC 时间常数取多少合适？太大有什么副作用？（响应变慢、按键“发肉”） |
实验 15：I²C 上拉与扫描
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 理解 I²C 开漏+上拉 |
| 元件 | MCU、24C02 EEPROM、两个 4.7 kΩ 电阻 |
| 步骤 | SDA/SCL 各经 4.7 kΩ 上拉到 3.3 V，连 MCU 与 EEPROM；跑 I²C 扫描 |
| 预期 | 扫描到 0x50（7 位地址）的 EEPROM；无上拉则总线高电平不确定，扫描失败 |
| 思考 | 为什么 I²C 用开漏+上拉而不是推挽？4.7 kΩ 在 400 kHz、100 pF 总线下够快吗？（t_r\approx0.85RC=0.4 µs，超过 400 kHz 规定的 0.3 µs，只适合 100 kHz） |
实验 16：整流与滤波
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 观察交流变直流的全过程 |
| 元件 | 1 kΩ、1N4148×4、电解 100 µF、信号发生器（1 kHz、5 Vpp） |
| 步骤 | 信号源→桥式整流→电容滤波→1 kΩ 负载，示波器逐级观察 |
| 预期 | 正弦→馒头波（2 kHz 脉动）→平滑直流；5 Vpp 输入时峰值 2.5 V，减两个二极管压降约 1.2 V，输出约 1.3 V 峰值；1 kΩ 负载、100 µF 时纹波约 1.3\text{mA}/(2\times2\text{kHz}\times100\mu\text{F})=3.25 mV |
| 思考 | 为什么 1 Vpp 输入整流失效？（两个二极管压降就 1.2 V，输入峰值只有 0.5 V）全波整流后频率变成多少？ |
实验 17：H 桥电机驱动
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 用 L9110S（或 4 个 MOSFET）控制电机正反转 |
| 元件 | L9110S 模块、小直流电机（5 V/0.1–0.3 A）、MCU、100 µF+0.1 µF 电容 |
| 步骤 | IN1/IN2 接 GPIO：IN1=1/IN2=0 正转；0/1 反转；0/0 滑行；1/1 刹车；PWM 调速 |
| 预期 | 电机按 GPIO 状态正反转；PWM 占空比 50% 时转速约一半；电源并 100 µF 后换向尖峰明显减小 |
| 思考 | 什么是“直通”（shoot-through）？为什么必须避免？电机换向时电流往哪里流？ |
实验 18：综合小系统——ADC 采样点灯
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 目标 | 把前面所有实验串起来：分压→ADC→LED |
| 元件 | MCU（12 位 ADC、3.3 V）、10 kΩ 电位器、1 kΩ+100 nF（ADC 前滤波）、LED、1 kΩ 限流 |
| 步骤 | 电位器分压接 ADC，程序读 ADC 值；ADC 脚串 1 kΩ、并 100 nF 到地；超过阈值点亮 LED |
| 预期 | 12 位、3.3 V 时 1 LSB=0.806 mV；阈值取 2048（约 1.65 V），旋转电位器过阈值时 LED 亮 |
| 思考 | 电位器线很长时 ADC 读数为什么跳动？（工频/开关噪声耦合）去耦、滤波、差分输入各解决什么问题？ |
建议按顺序做，每完成一个实验用示波器抓波形存档。面包板接触不良是最常见故障——导线插紧、IC 引脚确认插在同一纵列；电源轨中间断开、地线回路太长、忘记共地，是“电路没错但不工作”的三大元凶。
实验记录模板
| 项 | 记录内容 |
|---|---|
| 日期/温度 | 室温影响半导体与电阻 |
| 电源 | 实测电压、限流值 |
| 元件 | 标称值 + 万用表实测值（电阻、电容） |
| 波形 | 示波器截图：幅度、频率、上升时间 |
| 偏差 | 实测 vs 计算，差多少、可能原因 |
| 结论 | 验证了什么、下次改什么 |
<>
现象：电路完全不动，测电源轨有 5 V。
原因：电源轨中间断开，或 IC 跨在中央凹槽两侧。
解决：通断档逐段确认电源轨；IC 引脚按同一列插。
现象：ADC 读数乱跳。
原因：模拟地/数字地回路太长、去耦不足、源阻抗太高。
解决：ADC 脚加 1 kΩ+100 nF，缩短地回路，必要时加缓冲。
现象：电机一转，MCU 复位。
原因：电机换向尖峰经电源/地耦合。
解决：电机电源并 100 µF+0.1 µF，逻辑地与功率地单点连接，必要时独立供电。
现象：LDO 输出掉压/发烫。
原因：压差×电流的功耗超出封装散热能力。
解决：算 T_j、加铜箔/过孔，或换开关电源。
现象：运放输出削顶/自激。
原因：单电源没偏置、负载电容太大、反馈走线太长。
解决：同相端偏置到中点、输出串 50–100 Ω 隔离容性负载、缩短反馈路径。