【DIY制作】EleLab DIY 电子实验室系统

sunsili

【DIY制作】EleLab DIY 电子实验室系统

“ 适合业余爱好者的低成本 DIY 实验室系统。 ”

这是面向爱好者的低成本、模块化电子实验室系统。可定制的模块包括固定以及可变的电源、测量工具、组件测试仪等等。这里的一切都是通过开源软件完成的，包括用于 3D 打印文件的 FreeCAD 和用于 PCB 的 KiCAD。我已经制作了一组模块，并且正在创建更多模块。原始 PCB 项目文件、Gerbers 和 FreeCAD 项目均上传至此处：https://github.com/Chrismettal/EleLab_v2

该系统采用一组背板总线 PCB 和面板分线 PCB。虽然背板总线并非必要，但它能使系统保持模块化、可热插拔并保持整洁。

对于大多数模块来说，160x160 毫米和 175 毫米高度的打印床就足够了，但 ATX 和 SFX 模块要求打印床宽度达到 250 毫米（Prusa MK2 及以上尺寸）。我用 PLA 打印了所有模块，为了加快速度，我使用了 0.6 毫米的喷嘴，但这完全不是必需的。概念

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该系统包括 3 种基本尺寸的模块：100 毫米、150 毫米和 200 毫米。100 毫米和 150 毫米框架采用背板总线将模块互连在一起，以提供电源。200 毫米框架使用两个 100 毫米印刷电路板。

对于模块，我们通常使用 3 种底座尺寸中的一种，并在上面板或下面板上打孔，以满足安装需要。这可以在 FreeCAD 中通过修改 BaseXXX 文件或最适合新模块的成品模块来完成。或者，您也可以在自己选择的编辑器中编辑 .stl 文件。背板总线可传输 24 V、12 V 和 5 V 电压（以及接地），我们通过其中一个 "供电"模块将这些电压输入系统。目前，我制作了一个 SFX-PSU 电源模块（提供 12 V 和 5 V 电压）和一个带有 5.5 毫米插孔和 XT60 插孔的模块（使用 24 V 电源和降压转换器提供 12 V 和 5 V 电压）。这两种电源模块都配有 PowerFeed PCB，可接入背板总线。由于大多数模块很少需要 24 V 电压，因此使用该系统最简单、最安全的方法是使用 SFX 模块，只需将其插入 PowerFeed PCB 即可。当然，您也可以在模块之间接线，省略背板总线。

如果使用总线，单个模块只需相互插入即可组成一个单元。

使用 2 个小夹子可以将模块固定在一起，这样在偶尔发生地震或实验室熄火时就不会分开。

几乎所有的 3d 打印件都不需要支撑。每个模块的框架都在一个位置集成了支撑件，打印后需要将其切掉：

PCB

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所有的 PCB 都可以在中国以较低成本生产（相信我，这比你想象的容易和便宜）。

Bus100 / Bus150

这是连接各个模块的后面板总线。虽然是可选项，但它能大大提高您在构建该系统时的体验。

元器件：

• 2 件 2.54 毫米直角针座 2x8 母头
• 2 件 2.54 毫米直角针座 2x8 公头
  

PowerFeed

这是将电源连接到后面板总线并接入模块的主要供电装置。它包含用于插入 SFX 电源的插孔、用于外部保险丝的螺丝连接器以及用于 SFX 待机开关的分路。或者，您也可以不使用 ATX 连接器，直接将电源分别连接到标有 24V、12V 和 5V 的位置。

使用 PC 电源时，可通过 4 针或 8 针 CPU 针座电源插头提供 12 V 电压。您不能在高端 ATX PSU 上使用 8 针 GPU 插头。

元器件：

• 24 引脚 4.2mm ATX 固定连接器
• 立式 8 针 4.2 毫米 ATX 连接器
• 6 个 5.08mm 2 针螺丝端子（蓝色廉价端子，可选项）
  
  

Frontpanel_a（前面板）

在这里，我们有一个基本的前面板分线，带有工业风格的螺纹插头连接器和 USB 插孔。USB 插孔的 0805 封装与 5V 电压一致，因此您可以选择在其中安装一个微小的多芯保险丝。每个 USB 端口的数据线都是分开的，因此您既可以将其用于普通数据传输，也可以在数据线上进行任何最佳的快速充电端口配置。(例如，桥接 D+ 和 D-，让老式安卓手机进入快速充电模式）。

元器件：

• 2 件 5.08mm PCB 螺丝接线端子 4 针
• 2 个直立式 USB 端口
• 2 个 0805 的保险丝 1.1A（或您想要的安培数）
  
  

模组

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电源

无论您使用哪种方式供电，一般来说您的目标应该是 100 - 150 W 左右的功率。我使用 24 V、150 W 电源为我的系统供电。对于 PC 电源，您应该注意各个电源轨电流，因为 PSU 可能显示 12 V 的 5 A 电流，但分为 5 个电源轨，因此如果您只使用一个电源轨，您将只能从 PSU 中获得 1 A 电流。

ATX/SFX 供电

为 EleLab 供电的最简单方法是使用普通 ATX 或 SFX 计算机电源。使用 PowerFeed PCB，您可以将 PSU 的 24 针和 8 针连接器直接插入背板总线。该模块已预先配置为 12 V 和 5 V 电压轨使用保险丝。您可以为 PowerON PSU 信号安装一个开关，但我通常只是将其完全桥接，通过 PSU 背面的主电源开关来开关 EleLab。确保 PSU 的风扇如图所示露在外面，以免可怜的 PSU 过热。

图中是我制作的 SFX 版模块，ATX 版模块在撰写本文时正在印刷，尚未经过测试。

元器件：

• 供电PCB
• 2 件螺丝固定保险丝座面板安装
• 您选择的 SFX PSU
• 5 颗 M2x8 自攻螺丝
  
  

XT60/Barrel 供电

通过此电源模块，您可以使用任何所需的外部 12 V 或 24 V 电源。您甚至可以使用 XT60 插孔插入一些电池！然而，该模块需要一些强大的 DC-DC 降压转换器来创建 5 V 电源轨，如果您使用 24 V 电源，则还需要创建 12 V 电源轨。有一个可打印托盘，只需卡入底部即可承载以下两种类型的降压转换器：

如果您在 eBay 上搜索“降压 XL4016”，这些产品就可以从中国以几美元的价格买到。XL4016 是 IC 的名称，但它是最接近我们得到的部件号的。

当您为模块提供 24 V 直流电压时，其中一台转换器将设置为输出 5 V，另一台转换器将设置为输出 12 V。这将为您提供背板总线上的所有 3 个电压。这些模块还可以配置为限流，我将每个模块设置为 2 A。

元器件：

• 供电PCB
• 3 件螺丝固定保险丝座面板安装
• 2 个 DC-DC 降压转换器 XL4016
• 9 颗 M2x8 自攻螺丝
  
  

Meanwell PSU 供电

使用相同的降压转换器，但这次使用内部 PSU，Meanwell 模块直接将高质量电源集成到您的 EleLab 中。由于您需要连接电源电压，因此我无法向您展示如何执行此操作。该模块使用带有集成开关和保险丝的 IEC C14 插头。

Meanwell 电源应为 24 V，最好是 150 W 型号，使用降压转换器将电压分别升至 12 V 和 5 V。

元器件：

• 供电PCB
• 3 件螺丝固定保险丝座面板安装
• 2 个 DC-DC 降压转换器 XL4016
• 9 颗 M2x8 自攻螺丝
• 4 颗 M3x5 公制螺钉
• 明纬RS-150-24
• 带开关和保险丝的 IEC C14 插头
  
  

Bosch 18V 电池供电

通过此模块，您可以使用 18 V 博世电池为便携式实验室系统供电。它还对 18 V - 12 V 和 5 V 电源轨使用相同的降压转换器。此外，您还需要两个锁定刀片边缘连接器。它们广泛用于汽车工业中。我找到的零件号是“8KW048056-033”，用于 6.3 毫米刀片，线容量为 2.5 平方毫米。

请注意，18 V 博世电池组中没有内置过放电保护，如果在低于指定的“空”点运行电池，可能会造成损坏！始终注意电池电量，并确保在健康范围内使用它们。

元器件：

• 供电PCB
• 3 件螺丝固定保险丝座面板安装
• 2 个 DC-DC 降压转换器 XL4016
• 9 颗 M2x8 自攻螺丝
• 2 个“8KW048056-033”连接器
• 博世18V电池
  
  

固定电压的 PSU

第一个实际可用的模块是 5 V、12 V 和可选的 24 V 电源轨的电源分线。使用外径为 12 毫米的廉价香蕉插座，可以访问所有电源。在前面，我们使用 Frontpanel_a PCB 在香蕉插孔旁边进行连接。终端连接到哪个电源取决于您的喜好。显然，请确保不要反转 USB 端口的极性，否则会有烧坏东西的风险。

请务必弯曲连接器，如下所示，因为上前面板没有足够的空间向下滑动：

元器件：

• 12 或 18 个香蕉插座
• Bus100 PCB
• Frontpanel_a PCB
• 10 颗 M2x8 自攻螺丝
  
  

可调电压的 PSU

与固定电源类似，我们在这里使用 Frontpanel_a PCB。两个可变降压转换器（ebay 又是您的朋友，TBDnameOfStepDown）由 24 V 或 12 V 电源轨供电，具体取决于您的供电能力。在每个转换器下面，我放置了两个香蕉插孔作为输出，同时我也将前面的工业螺旋插头连接器连接起来作为输出。如果您喜欢冒险，您也可以使用转换器后面的 USB，但如果您告诉转换器这样做，则可以通过 USB 端口提供高达 24 V 的电压。USB 插孔不会是一个快乐的充电端口，而是用于调试的端口。

元器件：

• 2 个 DPS30005 或类似降压转换器。
• 4个香蕉插孔
• Bus100 PCB
• Frontpanel_a PCB
• 10 颗 M2x8 自攻螺丝
  
  

示波器 DSO138

DSO138 是一款出色的“新手示波器”。如果您不想花大笔钱，如果您打算每年查看一次简单的波形并且不太关心准确性，那么这个超级便宜的东西非常棒。很多时候，我只是想知道是否有东西正在执行代码，而不关心它是如何执行的，所以我仍然经常启动 DSO138。

您必须拆下 DSO138 PCB 的旧电源插孔，并通过 12 V 导轨上的 13mmx19mm 摇杆开关供电才能安装。4 x M3 螺钉和螺母将 DSO PCB 从背面固定到面板上。BNC 插孔也被移除，一个新的前面板旋入式 BNC 插孔安装在前面，并连接到原来插孔的位置。最好使用屏蔽电缆来完成此操作（尽管我怀疑您是否会发现这种质量的 DSO 有很大差异..）

元器件：

• DSO138 套件
• 12mmx19mm 翘板开关
• 总线150 PCB
• 4 颗 M3 螺钉和螺母
• 6 颗 M2x8 自攻螺丝
  
  

电阻排

由于不需要背板，它可以安全地作为 EleLab 的最后一个组件，因为它甚至不需要电源。请按照您喜欢的指南来连接十进制电阻器。

十进制电阻器的两端连接到两个香蕉插孔。此外，我还在面板上安装了两个电位器，这样就有了更大的灵活性。这些电位器也是直接连接到 3 个香蕉插座上。

元器件：

• 7 个拇指轮开关 KSA-2，带尾端电容
• 1、10、100、1k、10k、100k 和 1M 欧姆电阻器各 9 件
• 2 个 9 毫米电位器，任选其一，我用的是 5K B 和 25K B
• 8 个香蕉插孔
• 总线 100 电路板
• 4 个 M2x8 自攻螺丝
  
  

器件测试仪

这个设备会给你带来极大的方便。从 ebay 上订购它们也非常便宜，从背面拧入上面板，几乎可以识别所有元件。它们通常由 9 V 电池供电，虽然你可以这样做，在模块内放置一个电池，但我只是从 12 V 电压轨供电。但不知道会不会造成长期损坏。

元器件：

• 元件测试仪模块
• 3 个香蕉插孔
• 总线 100 电路板
• 9 个 M2x8 自攻螺丝
  
  

Respberry Pi

带有 USB、以太网、HDMI 和 GPIO 接口的 Raspberry Pi ，包括兼容 HAT 的前板。我使用一个 "GPIO 螺旋端子帽 "作为前板，这样就能轻松地将所有 GPIO 分离出来，同时还能将 GPIO 延长线连接到面包板上，或在上面堆叠更多的 HAT。

由于 GPIO 延长线占用了 Pi 顶部的电源，因此通过 GPIO 接头的底部为 Pi 供电。来自后面板的 5 V 电压通过翘板开关直接供电。

确保如图所示插入 GPIO 延长线。这基本上是唯一能让它足够长的方法，也是唯一能让上面板的新接头朝上而不是镜像的方法。我建议如图所示安装一个分线/扩展 HAT，以方便螺丝端子连接所有 GPIO 引脚，同时还能在上面插入 HAT。现在安装 HAT，拧上 PCB 支座，然后从背面将延长线热粘到位，这样安装就容易多了。您还需要一条倾斜的迷你 HDMI 至 HDMI 连接线。确保角度正确，否则无法安装。

元器件：

• 树莓派
• HDMI 母 - 母前面板连接器
• GPIO 延长线（公-母），长约 150 毫米
• 总线 100 PCB
• 12mmx19mm 摇臂开关
• 迷你 HDMI 至 HDMI 的斜角短线
• 可选 - 您选择的 GPIO 分线板
  
  

显示器

7 英寸 HDMI 显示器，带触摸屏，HDMI 和 USB 接口。

警告：目前，为了使用相同的前面板，触摸屏使用的是 USB-A 插头。通常情况下，您需要使用 Micro USB、USB C 或 USB-B 接头来连接。目前，要实际使用触摸屏，您必须使用 USB-A 至 A 连接线，直到有人制作出 USB-C 或 Micro USB 的前面板（可能是我，我不知道）。如果您使用的是Frontpanel_A，请确保不要填充保险丝，以便断开两个 USB 设备的 5 V 电压轨。

如图所示，您需要一条短的带角度的 HDMI 电缆和一条带角度的 USB 微型电缆，因为直电缆无法放入框架。HDMI 电缆直接连接到母头-母头 HDMI 前置面板安装座，而 USB 电缆则剪开并焊接到 Frontpanel_A。

显示屏通过一个直接焊接到电路板上所示点的翘板开关以 5 V 电压供电。我使用了其中一个微型 USB 插头的接地端，5 V 电压被施加到显示器开关的中间。您也可以剪开另一根 USB 电缆来使用，但我不想浪费这些宝贵的带角度的电缆。

该模块与 RPi 模块配合使用效果极佳！

元器件：

• Waveshare 7 英寸 HDMI 显示器 C
• 2 x 总线 100 PCB
• 前面板_A PCB，仅安装一个 USB 插孔
• 12 毫米 x 19 毫米翘板开关
• 8 个 M2x8 自攻螺丝
• 6 个 M3x15 公制螺钉（带螺母
• 母-母 HDMI 前面板连接器
• 带角度的 HDMI 电缆
• 带角度的微型 USB 电缆
  
  

负载

30 W 电子负载模块。该模块实际上使用了机架背面的风扇开口，因为它确实会产生一些热量。它有 4 条测量线，但我选择在此省略，以免混淆。对于这么小的负载和精度这么低的模块，我认为没有什么好处。因此，4 线测量直接连接到内部的 2 个端子上：

元器件：

• WEL3005 或类似电子负载模块
• 总线 100 PCB
• 前面板_A PCB
• 8 个 M2x8 自攻螺丝
• 30 毫米风扇
  
  

信号发生器

4-20mA / 2-10 V / PWM 信号发生器。所有触点均可按您选择的顺序接入香蕉插孔和前面板。

元器件：

• WSFG-06 或类似信号发生器模块
• 总线 100 PCB
• 前面板_A PCB
• 8 个 M2x8 自攻螺丝
  
  

音频放大器/信号跟踪器

单声道扬声器配有微型放大器，主要用于声音信号跟踪。音乐在此设备上听起来并不美妙，因此请不要指望在实验室中使用车间音响系统。左右输入被短接在一起，PAM 的右输入被拉至 GND，因此我们只能在混合-下-单声道配置中使用左输入。

扬声器是用胶水粘合的，以适应各种尺寸的扬声器，因此任何直径在 80 毫米以下的扬声器都可以使用。这些尺寸的扬声器一般功率为 3-4 W。

由于该设备仅为单声道，因此应将两个通道一起连接到一个 PAM 输入。为此，请使用两个电阻器（3k3 至 10k 之间的电阻都可以），如图所示。

我把两个电阻器的输出都接到两个通道上，因此扬声器输出用哪个通道并不重要。我还在两个电阻上套了一些热缩管，以增加机械稳定性。

元器件：

• 带开关电位器的 PAM8403 放大器模块
• 总线 100 PCB
• 一些扬声器 - 我的情况是外径 75 毫米
• 1/4（6.35 毫米）英寸立体声插孔
  
  

TS100 焊接台

用于 TS100 电烙铁的焊接台。烙铁可以放在上面一个难看的支架中，由下面的 XT60 插头供电。前板上部有两个卡入式水桶，因为水桶太深，无法从顶部完全滑入。上部的桶可以放置焊接海绵，下部的桶可以放置焊锡丝。我建议用 PC 等耐热材料印制上部的桶，或者在桶内侧贴上铝箔胶带，这样就不会用灼热的焊头灼伤塑料了。XT60 插头是在焊接了一些粗线后从前面卡入的。然后将电线焊接到 Bus100 PCB（24V）上。滑板轴承只是压在顶部。如果太松，也可以用胶水粘上。请确保在 EleLab 的 "左侧" 使用该模块，因为它的耗电量相当大，您可能不希望通过 20 个模块来消耗电能。

元器件：

• Bus100 PCB
• 用于支架的 608ZZ 滑板轴承
• XT60 母插头
  
  

结束语

以上就是 EleLab 的所有模组了，感兴趣的同学可以亲手 DIY 制作。