班級儀器：核磁共振（NMR）儀、函數波形產生器（AWG）兼實驗室控制器

每個人都打造同一套儀器平台——一台每個實驗室都用得上的桌上型「瑞士刀」。2026 年度的做法是一塊班級板，每個人都一樣；專案 3 就是你在它上面打造的儀器——韌體、App 與外殼——並以一個很棒的專案網站呈現。 硬體刻意標準化，讓工作坊、設計審查與全班統一的印刷電路板（PCB）訂單方向一致； 你發揮的空間在軟體：介面、自動化與細節打磨，讓一塊電路板變成人人愛用的儀器。

專案 3：打造你的儀器

專案 3 是一台由你自己選定、建立在班級板上的儀器：使用板子各項能力的韌體、操控它的 App，以及在工作坊 3 設計的外殼——並以一個很棒的專案網站呈現。要做什麼儀器由你決定：示波器兼訊號產生器、資料記錄器、鎖相放大器、PID 控制器、NMR 儀、LINE 或 Telegram 機器人、Python 掃描、相機模組⋯⋯你要寫哪些韌體驅動程式，取決於你的儀器；你在工作坊 2 參與的那個區塊的驅動程式是很自然的起點，但不是必須。

專案網站是儀器的一部分。它說明 App 做什麼、怎麼用，用使用者能照著做的範例展示它能做什麼，並展現它的能力——螢幕截圖、量測結果、影片或動畫，以及很棒的介面。整個專案 3 只有一個儲存庫、一個專案網站，以及專案牆上的一張卡片。

這台儀器能做什麼

重點能力：它能做核磁共振（NMR）實驗。這塊電路板就是一台小型 NMR 儀。你自己繞的線圈套在一管水上，置於 2 mT 的磁場中，質子的頻率落在 89 kHz；電路板送出一個短脈衝進線圈、把自己的接收器暫時關閉，記錄自旋回傳的自由感應衰減（FID），App 就顯示出頻譜。板上其他東西——波形產生、類比輸入、開關——本來就是這樣一台儀器需要的。經驗法則：磁場決定頻率。同一台儀器只要換線圈、功率放大器與前置放大器，就能用在更高的磁場，訊號也大得多。

• 產生訊號：16 位元雙通道任意波形產生器——直流電位、斜波、正弦波與任意波形表，頻率到約 50 kHz、振幅 ±10 V（AO1、AO2）——再加上兩路硬體定時的觸發／時鐘輸出（5 V TTL），可達數十 MHz；還有 NMR 發射器：一組直接數位合成（DDS）訊號源與功率放大器，從約 40 kHz 起向上驅動線圈，接在 TX 接頭上。
• 監測訊號：八路 16 位元 ±10 V 類比輸入，全部走 SMA 接頭（AI1–AI8），量程可由軟體切換、最小到 ±0.64 V 以配合感測器量測，並記錄、繪圖。第 7、8 路輸入預設接 NMR 接收器的 I 與 Q 輸出；改接焊接跳線後，也能走它們自己的 SMA 接頭。
• 切換開關：前面板上的一組模組排針：七路 5 V TTL 訊號 MODULE OUT 1–7（另一支為保留腳），另有 +5 V 與接地，用來驅動光耦隔離的模組；另有螺絲端子的八路 5 V TTL 輸出、兩路高速光耦隔離輸入，一個可由韌體（firmware）切換輸入／輸出方向的 TRIG 接頭，以及驅動 NMR 磁場線圈用的 H 橋與大電流 MOSFET 開關（由外接 7–18 V 電源供電）——警報、連鎖保護（interlock）、序列動作。
• 什麼都能連：以原生 USB 連 Python；以 WiFi 連網頁、手機與訊息機器人。你的手機就是前面板（板上一顆小 OLED 顯示狀態）；選配的相機節點可把影像串流進同一個 App——想試做相機 App 的人，有一台 ESP32-S3-N16R8-CAM 開發板 + OV3660 鏡頭（金華 #41395）可用。

系統架構

   ┌────  the CLASS BOARD: base (instructor) + 3 sections, A · B · C · one design, JLCPCB-assembled ×5, nothing to solder  ────┐
 AO1 AO2 ◄── ±10 V stages ◄── DAC8563 16-bit AWG ───────┐          ┌─── ADS8688 8 × 16-bit ±10 V ◄── AI1–AI8 (SMA)
 TX SMA ◄── OPA564 power amp ◄── AD9834 DDS ────────────┤          ├─── NMR receiver ◄── RX SMA ◄── your coil
 8 TTL out · 2 fast trigger out · TRIG in/out ──────────┤          │    preamp · blanking · I/Q mixer ──► ADC ch 7, 8
   [section B: generation, timing, NMR transmitter]     │          │    [section A: inputs and the NMR receiver]
                          ESP32-S3 dev board (socketed, u.FL antenna → SMA)
 USB-C 5 V + data (or 5 V jack) ──► ±12 V · 5 VA · 3V3 ─┤          ├─── module header: MODULE OUT 1–7 · 2 isolated inputs
 7–18 V external input ──► H-bridge · MOSFET ──► coils ─┤          └─── 16 SMA · OLED · LEDs · TTL terminals · Qwiic
   [base: socket, buses, power entry and coil drivers]  │               [section C: the front panel board]
                                                        └──────────── WiFi (phone/web app · WebSocket · OTA) · native USB (Python API)
                    │                                                              │
       [Python host: API, logging, plots]                    [PWA on your phone · bot alerts · optional camera node]
                    └──────────────── GitHub class repository + your project website + video ───────────────┘
      + main board 180 × 100 mm, 4 layers   + front panel 180 × 100 mm flat on its back: 16 SMA (3 × 6, two positions free), TTL terminals, module header, OLED, 3 LEDs   + 3D-printed box

MCU——微控制器（microcontroller，單晶片上的小電腦）的選擇（2026 年度已定案）：採用標準 DevKitC-1 腳位、附外接天線接頭的 ESP32-S3 N16R8 開發板（dev board）（金華，NT$400），插在班級板的插座上，執行 Arduino 框架。有 WiFi 就能發展網頁／手機／機器人方向；u.FL 天線接到 SMA 穿板座，讓 WiFi 在密閉的金屬或壓克力外殼內也能用；開發板留下 31 個可用 GPIO（通用腳位）與一條 80 MHz 的 SPI 匯流排（晶片與微控制器對話的常見接線標準）給轉換器使用。核心電路採統一規格，讓全班訂單與設計審查得以順利進行——你的創意展現在韌體（在微控制器上執行的程式）、主機端軟體、介面與外殼上。

一塊班級板，大家一起完成。整塊電路板是同一個 KiCad（電路設計軟體）專案，放在一個班級儲存庫（repository：由 git 保存完整歷史的共用專案資料夾，放在 GitHub 上）裡。主板為 180 × 100 mm、四層板；第二塊同尺寸的 PCB 以三排 2×20 排針平貼在主板背面、與它平行，它的外側就是前面板——也就是儀器的正面：3 × 6 排列的 16 個 SMA 接頭（AO1 AO2 TRIG AUX TX FAST1 · AI1–AI4 RX FAST2 · AI5–AI8 與一個備用位置）、八路 TTL 的螺絲端子排、TX 線圈端子、一個 Qwiic、OLED 與三顆 LED、兩路隔離輸入，以及模組排針。儀器的背面則是主板的後緣：USB-C、5 V 電源插孔、外接 7–18 V 輸入，以及線圈端子。授課教師先把整塊板子做完——基礎部分（開發板插座、匯流排、電源輸入與電源軌、外接 7–18 V 輸入、驅動磁場線圈的 H 橋與 MOSFET 開關、擴充排針）加上全部三個區塊——全班再於工作坊 2 一起把它完成。三個區塊：A——輸入與 NMR 接收器：電路板用來「聽」的全部，八路 ±10 V 16 位元輸入（ADS8688），以及把線圈聽到的訊號轉成 I 與 Q 的接收器；B——訊號產生、時序與 NMR 發射器：電路板用來「說」的全部，±10 V 輸出、TTL 與觸發輸出，以及驅動 NMR 線圈的合成器與功率放大器；C——前面板電路板：儀器的正面，本身就是一塊四層板：SMA 陣列、OLED 與三顆 LED、八路 TTL 的螺絲端子排、TX 線圈端子、Qwiic、兩路隔離輸入，以及帶 5 V 緩衝器的模組排針。合併後的設計在 9月28日（一）下午 2 點送進全班訂單，製作五份——每人一台組裝完成的儀器。

規則：儀器本身由 USB-C 或 5 V 電源供電，日常使用是 ≤ 30 V DC。若要切換更大的負載，可以用模組排針驅動光耦隔離的模組：金華四路繼電器模組（NT$150，約 US$4.7）的輸入是光耦隔離的，每通道觸發電流約 5 mA；12 V 版本的繼電器線圈需要自備 12 V 電源，另有 5 V 版本可以直接用排針上的 +5 V。市電接線是你自己的責任，並且必須由有資格的人施作。零件須為 JLCPCB 現貨；開發板由課程提供。成本：班級板是同一份設計製作五份，零件依「每一塊錢能學到多少」挑選——每位學生約 NT$5k（≈ US$155）全包：開發板、零件、四層 PCB、前面板 PCB 與 JLCPCB 全部組裝，沒有任何需要你自己焊接的東西——接合兩塊板子的排針由授課教師焊接。每個零件都必須物有所值，JLC 報價在下單前檢查。

其他想法：可加在 ESP32 這類開發板上的擴充硬體

本課程的硬體是固定的——同一份電路板設計，全班一次訂購；下面這份清單裡沒有任何一項屬於課程內容，也不是給學生的延伸題。放在這裡純粹作為靈感：把哪些擴充硬體加到 ESP32 這類開發板上，可以做出其他對實驗室有用的工具——課程結束之後，或在你自己的工作裡。班級板保留了一組 2×10 擴充排針、兩個 Qwiic 接頭與幾個預留的封裝（footprint：尚未裝件零件的銅箔圖形），日後仍有可能加上這些東西。以下皆採 JLCPCB 現貨零件。

超越基準線：做出很棒的東西

成果發表與展示（10月26–30日，每人約 15 分鐘）展示你的儀器、你的 App 與你的網站。軟體、韌體、App，以及圍繞這台儀器的一切，都由你決定要推到多遠——挑一個對你自己的實驗室真正有幫助的方向，或單純挑一個你會很自豪拿出來展示的東西：

你自己實驗室的需求指向不同的想法？很好——寫進你的規格書。電路板本身不會改變。

展示

10月26–30日，每人約 15 分鐘。展示你的儀器：它是什麼、用來做什麼、你的 App 如何操控它、你的專案網站以及使用者會怎麼用它、你的影片（如果有）。順序與重點由你決定——這是你做出來的產品，不是練習；想規劃展示流程的話，家教會幫你。

備援方案：韌體的模擬模式能在單獨的開發板上跑出 App 與每個面板——如果板子遲到或故障，就展示這個，完全不丟臉。

影片：歡迎在成果發表與你的專案網站上加入一支介紹你的 App 與你的儀器的影片（例如透過專案 1 的流程：Markdown → 投影片 → 網站 → YouTube）；這是選配，現場展示出狀況時就播放它。

製作計畫（與工作坊同步進行）

專題在工作坊的幾週內同步進行，與你的研究並行——而不是課程結束後的第二份工作。每次工作階段（session）結束都要提交（commit：附一行說明、存下你修改的快照）並留下交接筆記；每一章都由 Claude 家教陪你走完。

製造交期是硬性限制：PCB 製作、組裝與運送到台灣約需 2 週（板子約 10月16日回來），因此 9月28日（一）下午 2 點的全班訂單截止沒有商量餘地。外殼在所內列印與切割——設計檔須在 10月9日（五）下午 2 點前交出。

成果發表與展示（2026 年 10月26–30日）

約在 10月16日（五）領取製作完成的 PCB 與外殼；組裝你的 ESP32、PCB 與外殼；測試並精修你的韌體與 App。然後在 10月26–30日那一週發表並展示你的專題——每人約 15 分鐘，以英文進行；鼓勵使用 AI 協助準備。

• 展示——你的儀器、你的 App 與你的網站實際運作，順序由你決定；影片是備援。
• 發表——你做了什麼、為什麼做，哪些成功、你學到什麼；建立在共用硬體之上的軟體，正是你展現實力的地方。
• 你的專案網站——每個專案一個，即各公開儲存庫的 GitHub Pages 網站：專案 1 與它的報告、你的手機 App，以及專案 3——你的儀器（韌體、App、外殼）放在同一個儲存庫的同一個網站上。把它做成一個很棒的網站：App 做什麼、怎麼用、能做什麼，給使用者的範例與展現其能力的示範——螢幕截圖、影片或動畫，以及很棒的介面。

每個專案都在班級專案牆上。

專題構想庫

本課程較早的版本曾提供十六個儀器專題的選單——流量連鎖保護、雷射光束快門、PID 控制器、鎖相放大器等等。 基於實務考量我們統一為單一平台，但這個構想庫仍值得一逛：它是軟體方向的寶庫 （許多可直接對應到這台儀器的輸入、輸出與觸發），也是課程結束之後你可以打造什麼的靈感來源。 → 瀏覽專題構想庫。