电子实验室设备：从头开始组建实验室

我曾多次移居，并在多家没有强大电子工程团队的公司（或部门）工作过，因此我不得不为自己和客户建立多个电子实验室。规划内部测试的初创公司还需要建立实验室并获得合适的设备。有时候，这一切都是在预算非常紧张的情况下发生的，而在其他情况下，我可能会有几百万美元的预算。我将尝试在本文中涵盖各种预算情况，因此无论您是业余爱好者、希望扩展到尖端电子产品的大型公司/组织，还是介于两者之间，您都可以找到从头开始建立新实验室所需的知识和内容。

本文所选设备包含以下假设：

• 您主要从事数字电子产品，而非无线电模块或高端音频。
• 您在内部手工构建和重做原型。
• 您正在使用微控制器、FPGA或其他需要同时调试代码和硬件的数字处理器。

如果您只是出于业余爱好开始接触电子产品，则此列表中的所有内容可能有些大材小用；下表列出众多工具和硬件。但是，如果您正在设计和构建仅供自己使用的产品，即使您是业余爱好者或电子工程专业的学生，我认为您最终也会发现自己能够掌握列表中的一切内容。

经济型选项对学生和爱好者很有用，但可能对专业人士来说性能或易用性不高。专业人士使用中端或高端工具会更有效率，这些工具价格更高，但可以节省劳动力。一位有钱购买优秀工具的认真业余爱好者可能会考虑折中选项而不是经济型选项。所有选项均基于我对目标受众的预估；这些建议侧重于每美元达成的总体性能和能力（包括相关方面的工资），而不只是疯狂增加支出（对于高端选项）或尽可能减少支出（对于低端选项）。

我不太愿意推荐特定品牌，但如果我偶尔这样做，那是因为我尝试过很多竞争品牌，并且不会使用其他任何品牌。例如，在测试设备方面，这样做的原因是该品牌提供了该细分市场中物有所值的最佳规格。我通常不会只针对某一品牌而购买或推荐产品，因为我更关心适合工作的正确工具。

绝对基础知识

这些是我认为每个人都应该放在办公桌上的元件和工具。无论您是从事航空航天元件的工作还是装配首个PCB，这里的所有内容都适用。

手动工具

焊台

廉价焊台/烙铁和Weller之间的焊接体验质量存在巨大差异。我强烈推荐直接使用优质Weller烙铁。即使用过了广受欢迎的Hakko，我也可以确定Weller的传热速度和热控制非常出色，并且经过数小时的焊接后，笔柄仍然保持凉爽。焊台质量取决于在0402或更小元件连接到大型接地平面的PCB上快速工作的能力。Weller可以在一秒内取下元件，而大多数焊台只会稍微加热这个小焊盘。Weller很昂贵，但我试过的大约六个顶级竞品中没有一个能与之媲美。

如果不想购买Weller，您至少需要一个配备可互换烙铁头的60W焊台，这样可以轻松购买替换零件。选择可互换烙铁头时，烙铁头越过烙铁的部分越短越好。较短的烙铁头意味着烙铁头将尽可能靠近温度传感器和热源，因此冷却速度不会那么快，在处理较粗的导线或具有较大接地平面的PCB时，焊台设定的温度将更接近烙铁头上的实际温度。

我个人觉得WE1010不像WT1012那样值得购买。对于处理具有较大接地平面的PCB或具有较大热容量的元件的专业人士来说，WX1010是一个不错的选择。WT和WX都有各种各样的笔，您可以根据未来的需求单独购买。不过，上述选项将适合大多数用途。

WT1012兼容LT系列烙铁头，而WX1010兼容XNT系列烙铁头。一般来说，我不推荐圆形/圆锥形烙铁头，因为接触面积有限，很难通过它们获得良好的热传递。凿尖有多种尺寸，其中我最常用的是1.6毫米、2.4毫米和3.2毫米。我很喜欢用标准的2.4毫米凿尖焊接0402元件。

您还需要一些焊接配件：

您可能会注意到，在焊接方面，我会非常具体地说明特定的零件号。这是通过十多年的试验和错误总结出来的经验，一旦找到完美的解决方案并坚持下去，就会事半功倍。幸运的是，我有机会尝试许多产品，找出哪些有效，哪些无效。上述建议是多年来对我有用的产品，没有它们我就无法工作。

热风站

在推荐最昂贵的专业焊台之一后，您可能对我推荐的热风返工站有点担心。别担心，我实际上更喜欢市场上最便宜的选项之一！不像焊锡笔需要将热量合理、准确、有力地直接传递到元件中，热风站只需要加热空气并将其吹向电路板、导线或热缩即可。858D系列热风返工站价格实惠，可精确控制温度和气流速度。如果您需要预热电路板的一部分，甚至完全回流焊接，858D就能胜任。与没有温度控制功能的打火机或热风枪相比，热风站还是一种更好的热缩选择。

原型制作耗材

无论您是刚开始接触电子产品还是正在设计复杂产品，在面包板上构建项目或至少部分项目，通常都是个不错的选择。如果您正在编写固件，则可以确保在进行PCB设计之前所有功能都正常工作。

我通常不喜欢电子零件套件，因为我觉得它们不太适合我的设计。但是，我确实发现拥有各种通孔电阻器、LED和电容器很方便。在过去的十年里，我没有在生产PCB方面使用过通孔电阻器，但对于面包板来说，它们非常方便，并且能够修复原型PCB上的错误。LED可能看起来是一个奇怪的选择，但您可以将其用于面包板或将其焊接到几乎任何逻辑线路上，以便快速直观地了解其所处的状态（如果该线路可处理电流消耗）。

您会发现自己还需要更多的物料来进行原型制作。然而，这些一般取决于具体项目。您最终需要收集一系列开发套件、硬件调试器、分路板、显示器等，这将允许您在提交EDA/ECAD软件中的原理图之前在面包板上构建完整的设计。

测试设备

现在，让我们开始了解组建实验室的有趣部分——小装置！每位工程师都喜欢测试设备，但与其他工程领域相比，电子工程师尤其幸运。如果我们有足够的测试设备，他们就可以轻易可视化处理工作的方方面面。大多数实验室需要三种关键设备：数字万用表、示波器和逻辑分析仪。

我还打算在此追加实验室电源。它不是严格意义上的测试设备，但能够调高您需要的任何电压。更重要的是，限流新装配的电路板可以迅速暴露故障，而不会损坏电路板。

数字万用表

万用表是最基本的测试设备。性能优秀的万用表可支持读取交流和直流电压、交流和直流电流、连续性、电阻、电容、频率和测试二极管。它们有两种形式：手持式和台式。手持式更便于携带，而台式通常具有更高的精度和附加功能。大多数台式数字万用表的主要优点之一是允许您使用4线电阻测量而不是典型的2线方法，可以借助低电阻值提供更高的精度。有些非常低端的台式和手持式万用表具有完全相同的功能和精度，我会忽略这一点，如果我必须选择其中一种，我总是会选择手持式万用表。

在万用表中，除了功能集之外，您要考虑的主要规格是以数字或计数表示的分辨率，越大越好。您还需要确保仪表具有适当的安全等级，如CAT III或CAT IV。您可以在美国国家仪器阅读有关这些类别的更多信息。

无论您是电子产品的新手还是老手，我都会建议您使用自动量程的真RMS仪。更廉价的仪表将需要您手动选择测量范围，这会浪费自动量程本可以节省的时间。真正的RMS仪可供您读取交流波形上的实际均方根电压，而不仅仅是平均电压。

您应该只从信誉良好的电子产品经销商或测试设备供应商处购买万用表，例如DigiKey、Mouser、Element14/Farnell/Newark、RS Components等。从信誉良好的来源购买，就能确保仪表是正品并且已经过适当的安全测试。虽然廉价仪表很不错，但如果错误的设置（例如，连续性测试模式）下测量交流电压，那么更廉价的品牌真的会成为在手上爆开。

十多年来，我一直在使用Fluke 87手持式仪表，非常好用。它已经失去了mA电流测量能力，一些内部塑料支架已经损坏，所以今年我可能会考虑升级，届时我会按照本文提出的建议购买设备。尽管Fluke享有盛誉、质量很高，但我仍将关注下面的Keysight型号之一，因为我认为Keysight目前提供的价值高于Fluke。

如果您正在为多位工程师组建实验室并试图省钱，请考虑为每位工程师提供一台中端手持式仪表，并在桌子上配备一台高端台式设备，以便在需要更精确的测量时供团队使用。

手持式数字万用表

台式数字万用表

数字存储示波器

示波器是开发和调试电子设备的最有用的工具之一。它支持您以非常小的时间尺度和非常高的分辨率在一条线路上（或具有多个通道的多条线路上）观测信号。示波器种类繁多，从几百美元到远超豪华跑车甚至家庭住宅的价格不等。下方示波器确实处于这类设备的低端。如果是第一次组建实验室，您几乎不需要价值数十万美元的示波器。

购买示波器时，您需要考虑三个关键规格，并且由于本指南并非旨在作为购买示波器的深入指南，我将为您简单讲解。

首先，您有带宽。所需带宽应该至少是您要测量的信号基频的三到五倍。如果使用的电源开关频率为2.5MHz，您只需要12.5MHz的带宽。不过，如果要查看时钟频率为40MHz的SPI数据，您将需要200MHz带宽示波器。如果您开始观测到显示器的LVDS信号，信号的时钟频率可能超过100MHz，这意味着您需要带宽为500MHz的示波器。带宽也是示波器成本的主要因素之一，随着带宽的增加，成本几乎呈指数级增长。一般的业余爱好者可能会对50-100MHz的示波器感到非常满意。如果您从事专业工作，根据您的设计，200-500MHz示波器可能更合适。

第二是采样率。要使示波器正常工作，您至少需要两倍于采样速率的带宽，因此最好选用五倍以上的带宽。您会发现，在我们此处关注的带宽范围内，大多数现代数字示波器的带宽至少是其采样率的十倍。

第三是内存深度。更大的内存深度几乎总是合适的，因为它可以延长测量时间。您一次可以测量的持续时间是一种内存深度除以采样频率（即，每个样本占用一个内存点）的函数。如果有更多的内存，您可以在更长的时间内或以更精细的分辨率可视化处理信号，这样您就更有机会发现导致硬件问题的故障。

示波器有多种配置，大多数基本示波器都有双通道。我发现双通道非常有限，因为我通常需要第三个通道来测量或观察与前两个通道相关的另一个信号。例如，在H桥上，您可能在观察两个MOSFET的门引脚，同时也在观察门驱动器IC的输入；或者在开关模式电源上，监测输入、输出和滤波器后的电压。与许多设备一样，购买超越当下需求的设备，通常比数月后再购买另一台满足届时需求的设备更便宜。

现代示波器的另一个配置选项是混合信号示波器，它可以将逻辑分析仪集成到示波器中。乍一看，与连接计算机的逻辑分析仪相比，配备示波器小屏幕的逻辑分析仪似乎并不特别有用。在我看来，集成逻辑分析仪的真正优势在于能够触发来自逻辑分析仪的数据，而不是仅仅扮演着标准通道触发器的角色。

如前所述，我们在本文不讨论高端示波器。如果您有一个工程师团队，我建议您设置一张配备高端设备的办公桌，正如我在万用表部分中提到的那样。上面的基本专业示波器是每位工程师办公桌上的绝佳选择，而您共享的“高级调试”办公桌上可以配备更高端的示波器。

逻辑分析仪

逻辑分析仪可支持您轻松分析和解码数字信号。如果您正在使用任何数字协议，那么查看设备之间的通信可能非常宝贵。在微控制器或FPGA和传感器之间通常使用的大多数数字通信协议都可以轻松解码和可视化处理。当您无法理清问题时，这在调试与传感器或外围设备通信的代码方面非常有帮助。此外，如果您需要查看两个设备之间的通信，逻辑分析仪对于逆向工程也非常有用。

正如我上面提到的，您可以在示波器中内置逻辑分析仪，它们非常适合用来为您提供更多触发选项。尽管如此，示波器的触发选项也可能非常昂贵，而且示波器相对较小的屏幕无法在处理设备通信时提供最佳的用户体验。

至于USB逻辑分析仪，您有两种主要选择，非常廉价的Jiankun/Kingst和更昂贵的Saleae单位。这两种选择我都用过，尽管Jiankun的性价比令人难以置信，但用户界面可能需要改善，并且难以提供较高速的通信。PC软件是旧版Saleae软件的克隆产品。LA2016非常适合预算有限的业余爱好者或专业人士。另一方面，Saleae的高级软件更适合那些没有时间浪费在故障和错误上的专业人士。Saleae Logic Pro的USB 3.0连接支持连续的样本流，而LA2016使用USB 2.0，样本长度将取决于您对输入进行采样的速率。

实验室电源

作为一名定期设计新PCB的人员，高质量的实验室电源对我的实验室办公桌至关重要。原理图或PCB布局中的一个小错误很容易导致新装配的电路板消耗的电流远超其最初设想。更不用说，您在装配过程中可能会错过电路板上的短路。通过使用电流控制的电源为电路板供电，您可以将电流限制设为略高于您期望的电路板工作电流。这种情况下，如果电源立即以恒流模式而非恒压模式启动，您就会知道电路板可能存在问题，并可以进行一些额外诊断，以避免电路板烧到冒烟。

您还可以使用一个优秀的实验室电源来产生可能很容易从电池中获得的电压，这将使您能够轻松地为LED、电机、螺线管等元器件供电，并实时观察其电流消耗。大多数现代数字电源具有良好的电流计量功能，这使万用表可以自由地检查电路板上的电压，而无需监控电流消耗情况。

许多非常廉价的开关模式电源在其输出端都存在大型电容器，这使得它们成为首次为电子设备供电的糟糕选择。如果在待测设备已切换为开启时插入电源，无论电流限制设为多少，您都可以立即使用该电容器中的所有可用能量，这几乎可以使您测试的任何电路或LED蒸发。如果在电源关闭的情况下插入设备，然后在准备测试时将其打开，您必须在计算电流限制时考虑该大型电容器的涌入电流。该电容器充电后，电路将获得更高电流限制的全部效果，这可能足以损坏放置不当或值不正确的元件。因此，我不会在本文列举任何低成本的开关模式电源。

优质电源的一个优秀指标是重量；由于内部存在大型散热器，线性电源非常重。廉价、劣质电源的重量仅为具有相似额定值的优质电源的零头。

Rigol在Keysight、Tektronix、Keithly和B&K Precision等台式测试设备的传统冠军选项中高居榜首，这似乎有点奇怪。然而，这是基于我多年来使用DP832A的经验。DP832A不仅借助一些绝佳的分析工具将许多功能集成到电源中，而且其本身也是一款高质量电源。如果预算有数百万美元，我很难找到比Rigol更好的日常运营选择。

专用设备

除了前面提到的测试设备之外，还有各种各样的专业测试设备，以及上述设备的高度专业化版本。由于该设备具有更多特定应用的性质，因此我不会介绍具体型号，而是让您大致了解每台设备的用途。

功能/信号发生器

大多数中端和高端示波器均内置基本的函数发生器，可以处理函数发生器的大多数用例，但有时您需要的信号比这些可以生成的信号更复杂或更专业。只需不到200美元，您就可以购买单通道任意函数发生器，其功能远多于示波器中内置的功能发生器。如果您需要生成RF信号或其他非常高频的信号或协议，那么您可以选择数万美元的选项。

在应用的最基本端，函数发生器对于表征逻辑设备和测试模拟元件非常有用。如果您在设备上遇到时钟问题，可轻松将其替换为函数生成器发出的信号。凭借更高级的函数发生器，您可以模拟复杂的波形或协议，从而支持您创建RF信号并仿效蓝牙、WiFi或蜂窝网络协议等RF协议，或者CAN、SPI或I2C等更基本的通信协议。

可编程负载

如果您正在使用电源、电池或太阳能电池，则可编程负载可能正是您简化测试所需要的。可编程负载支持您以极高的精确度对电源进行压力测试。通常，您会发现它们能够以恒定电流、恒定电阻或恒定功耗模式运行。您可以对测试配置文件进行编程以仿真设备，或者直接不断吸收能量。最基本的单位将低于200美元，您可以轻松花费数万美元购买具有快速摆率和数百千瓦范围内脉冲负荷曲线的高级单位。

热成像

即使在适度的电流下工作，也可能很快使IC过热，从而导致其关闭或损坏。在处理高电流消耗的项目时，热像仪可以快速诊断这些问题，而无需将温度探头粘在电路板上。热像仪可以观测到长波红外线（辐射热），并非普通摄像机的可见光谱。拥有一台热像仪对于可视化电路板的散热路径以及峰值和平均温度非常重要。数百美元可以买到一台可连接到智能手机的低分辨率相机，数千美元可以买到精确度更高、分辨率更高的手持式相机。

如果您要购买热像仪，请考虑购买一罐黑色喷漆。裸露的金属会反射红外光，因此无法观测焊料、RF屏蔽和露铜的温度。通过将整块电路板喷成黑色，摄像机可以轻易捕捉到热辐射。

RF测试

如果直接在创建或接收无线电信号的射频设备上工作，您可能需要购买一些专门的RF测试设备。

RF测试最基本的测试设备是频谱分析仪，它可以支持您分析RF频谱和功率电平。频谱分析仪可用于调试RF电路、观察设备之间的相互通信以及基本的合规性测试。频谱分析仪是相对昂贵的测试设备，随着频率的增加，其价格会呈指数级增长。软件无线电（SDR）等成本较低的选项使用计算机的屏幕和处理能力来分析信号。

如果您正在布置RF电路或设计天线，网络分析仪可以让您快速调整和优化RF路径和元件。网络分析仪可用作标量网络分析仪（SNA）或矢量网络分析仪（VNA）。如果您只需要查看频率的幅度，则标量网络分析仪的成本效益要高得多，可以支持您测量VSWR和反射率。虽然大多数大型测试设备供应商不再生产SNA，但如果VSWR和反射率值足以满足您的测试需求，您可以选择某些台式频谱分析仪和很多SDR频谱分析仪，它们集成了跟踪生成功能，允许频谱分析仪充当SNA。

另一方面，矢量网络分析仪允许您可视化处理幅度和相位。这使您能够生成史密斯图，该图表可用于快速调整电路或天线，或者对设备进行表征。

在RF测试设备的最基本方面，您可以使用频率计数器来查找无线电传输的主频率。这可以帮助确认没有边带或任何跳频的基本RF传输的输出频率。此外，RF功率计可以显示来自电路的RF功率，非常准确地指示其产生的功率量。频谱分析仪使这些测量变得更容易、更直观，但成本要高得多。

数据采集和记录

数据采集单元在实验室中用途广泛。您可以将其视为具有记录功能的多通道数字万用表。这有助于故障分析、生产通过/失败测试以及电缆线束的快速测试。

长时间同时监控电路板上的多个通道，即可更轻松地分析任何故障以确定问题。

借助众多可用通道，您可以为生产设备构建自定义测试夹具，以从测试点快速准确地读取电压、电流、光线或任何其他数字或模拟信号。比起在微控制器上开发软件以进行所有这些读取操作，这可能要快得多。

最后，如果存在复杂的电缆线束，您可以使用采集单元，因为它有很多通道，支持快速构建自定义线束测试仪，不仅可以检查连接器之间的连续性，还可以检查电缆上的压降或电容，以确保其正确压接和端接。

存储

最后，我发现仓储是电子实验室中最大的挑战之一。存放原型设计中的多余元件、备用PCB，甚至是仅仅存放工具，对任何工作空间都至关重要。存放空间永远是不够用的，而且要留出一些办公桌空间和支架空间，同时还要把您需要的一切物品摆在手边，这往往需要一个持续优化的过程。

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