Učinkovite plošče za preizkušanje s sodobnimi komponentami ter ustreznimi adapterji in kompleti

Revija logo digikey 300x150 - Učinkovite plošče za preizkušanje s sodobnimi komponentami ter ustreznimi adapterji in kompletiOb vse bolj razširjeni uporabi drobnih pasivnih in aktivnih naprav ter delovnih frekvenc vezij, ki segajo globoko v gigaherčno (GHz) področje, so izdelovanje in ocenjevanje zasnove vezja pred projektiranjem tiskanega vezja ter naknadno oblikovanje skoraj končnega prototipa vse težavnejša in pogostokrat frustrirajoča opravila.

Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2021-299-24

Kompleti in tehnike plošč za preizkušanje, ki so bili učinkoviti za osvinčene naprave in integrirana vezja z DIP ohišjem, niso združljivi z današnjimi ohišji integriranih vezij z visoko gostoto, svinčenimi oblogami pod ohišji in skoraj nevidnimi površinsko nameščenimi napravami (SMT) ter celovitimi radiofrekvenčnimi ali procesorskimi moduli.

K sreči pa obstajajo namizna razvojna orodja, ki omogočajo izdelavo osnovnih plošč za preizkušanje s povezavo ločenih modulov podvezij. S temi sistemi plošč za preizkušanje lahko ljubitelji, navdušenci, amaterski izdelovalci in inženirji izdelujejo, preizkušajo ter integrirajo podsklope celotnega izdelka v celovito in funkcionalno enoto.

V tem članku so opisane osnovne težave pri povezovanju sodobnih elektronskih komponent v ploščo za preizkušanje. Opisane so tudi možnosti uporabe adapterjev in kompletov plošč za preizkušanje Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties in Phase Dock, Inc. kot osnov za prototipe, ki natančneje odražajo končni izdelek.

Na koncu je opisano, kako ti olajšajo izdelavo uporabnih, zanesljivih plošč za preizkušanje, ki omogočajo potrjevanje topologij in vmesnikov vezij ter povezavo z ločenimi moduli in razvojnimi ploščami (če je to potrebno), ter tako zagotavljajo smiselno zasnovane prototipe.

Od kod izvira plošča za preizkušanje elektronike?
Uporaba izraza »breadboard« za ploščo za preizkušanje vezja, ki je videti groba in neobdelana, je morda nenavadna, vendar ta izraz je jasno opredeljen in dokumentiran. V zgodnjem obdobju elektronike s samostojno napajanimi radijskimi sprejemniki s kristali in celo osnovnimi radijskimi sprejemniki z vakuumsko cevjo so amaterski preizkuševalci oziroma izdelovalci (preden se je ta beseda uporabljala v današnjem kontekstu) pri izdelavi vezij uporabljali lesene plošče za rezanje kruha. Na priključnih mestih so pritrdili žeblje, okoli katerih so ovili žice, in take priključke včasih tudi spajkali (slika 1).

Uporaba teh lesenih plošč kot platform za vezja s sodobnimi komponentami je seveda zastarela. Kljub temu sta izraza »breadboard« in »breadboarding« postala standardna izraza, povezana z grobo izdelanimi predstavitvenimi vezji in podvezji. Vendar napredek tehnologije elektronskih komponent od vakuumskih cevi do samostojnih osvinčenih tranzistorjev in pasivnih komponent, integriranih DIP vezij ter današnjih skoraj nevidnih površinsko nameščenih naprav je pomembno vplival na tehnike in platforme plošč za preizkušanje.

Kaj je razlika med ploščo za preizkušanje in prototipom?
Poraja se očitno vprašanje, kaj je razlika med ploščo za preizkušanje in prototipom. Uradnega razlikovanja med obema ni, izraza pa se včasih uporabljata zamenljivo. Vendar večina inženirjev izraz plošča za preizkušanje uporablja za označevanje grobe postavitve vezja ali podvezja za podporo pri predhodni fazi načrtovanja, kar vključuje naslednje:

  • preverjanje izvedljivosti osnovnega koncepta vezja, delovanja ali pristopa k načrtovanju;
  • razvoj in potrjevanje gonilnikov programske opreme;
  • zagotavljanje združljivosti vmesnikov med podvezji ali med vezjem in pretvornikom ali obremenitvijo;
  • vzpostavitev protokolov in oblik podatkovnih povezav;
  • razvoj in potrjevanje predvidenega modela;
  • ocenjevanje vezja in zmogljivosti delovanja.

Na zgornjem seznamu so zlahka razvidne številne pomembne funkcije plošče za preizkušanje pri načrtovanju izdelka, čeprav gre za nepopoln sistem brez ohišja in številnih »naprednih funkcij« končnega izdelka. Plošča za preizkušanje na primer pogosto temelji na zunanjem viru napajanja in ne na notranjem napajanju dobavljenega izdelka. Zaradi široke in odprte postavitve je plošča za preizkušanje običajno primerna za preizkušanje, prilagoditev ter celo zamenjavo komponent. Vendar dejanska fizična zasnova tovrstne široke postavitve pomeni, da nekatere zmogljivosti delovanja niso na voljo (zlasti tiste, povezane z delovanjem pri višjih frekvencah) zaradi odjemalcev postavitve in komponent ter interakcij.

Po drugi strani pa je prototip veliko bližje končnemu izdelku in uporablja enake komponente, ohišje, obliko ter uporabniški vhod/izhod. Poleg tega, da je funkcionalno popoln, se prototip pogosto uporablja za preverjanje proizvodnih značilnosti, kot so fizična razdalja in namestitev, toplotne poti, interakcije z uporabnikom ter vizualna zasnova in videz.

Začetek z osnovnimi adapterji
Današnje plošče za preizkušanje zahtevajo povezljivost in uporabo drobnih integriranih vezij, ki prevladujejo v sodobnih zasnovah. Mogoče je na primer spajkanje integriranega vezja SOT-23 s šestimi priključki na večje tiskano vezje, vendar bo zaradi njegove majhnosti in ozkega razmika priključkov vzpostavitev (in zlasti spreminjanje) povezav z napravo težko izvedljiva. Zadeva je še zahtevnejša, kadar ima integrirano vezje samo BGA priključke.

Ena od rešitev je uporaba naprave, kot je adapter za vtičnico Aries Electronics LCQT-SOT23-6. Tako se SOT-23 pretvori v DIP ohišje s šestimi priključki (slika 2). SOT-23 vezje v DIP obliki z razmikom priključkov 0,1 palca (inča) se lahko uporablja z eno od rešitev plošče za preizkušanje, zasnovano za večje DIP komponente.

Številne zasnove uporabljajo nabor različno velikih SMT komponent z različnimi konfiguracijami priključkov. V teh primerih bo morda težko upravljati in medsebojno povezati več adapterjev za vtičnico z enim integriranim vezjem. Možnost zapletov je mogoče zmanjšati z adaptersko ploščo Schmartboard 202-0042-01 QFN (slika 3). Ta plošča velikosti 2 × 2 palca lahko sprejme do pet različnih integriranih vezij s 16 in 28 priključki z razmikom 0,5 milimetra (mm), 20 priključkov z razmikom 0,65 mm ter 12 in 16 priključkov z razmikom 0,8 mm (za QFN čipe).

202-0042-01-QFN uporablja patentirano tehnologijo, ki omogoča hitro in preprosto ročno spajkanje teh drobnih komponent za površinsko namestitev brez zapletov. Poleg tega številne luknje v plošči, povezane s posameznimi priključki integriranega vezja, po potrebi olajšajo medsebojno povezavo notranjih komponent ali povezavo z drugimi napravami in ploščami.

Glavna težava pri plošči za preizkušanje včasih ni priključevanje integriranega vezja, temveč dostopanje do in nadziranje priključkov kabla ali priključka za zunanje naprave. Ko je bil na primer priključek RS-232 s 25 priključki prevladujoči komunikacijski vmesnik, je bila »prekinitvena omarica« s stikali za vklop/izklop in mostičnimi sponkami za večino priključkov tako pogosta kot multimeter (slika 4).

Čeprav so omarice RS-232 zdaj le redko potrebne, obstaja podobna potreba po prekinitveni funkcionalnosti za zunanje naprave, kot so kartice Micro SD. Uporaben adapter za to funkcijo je Adafruit Industries 254 Micro SD Card Breakout Board, ki načrtovalcem omogoča povezovanje, preizkušanje in preverjanje vmesniških povezav strojne opreme in programske opreme gonilnikov za te zelo razširjene pomnilniške kartice (slika 5).

Plošča vključuje regulator z izjemno nizko izklopno napetostjo za pretvorbo napetosti med 3,3 volta in 6 volti navzdol do 3,3 volta za Micro SD kartico in nivojski pretvornik za pretvorbo logike vmesnika (od 3,3 volta do 5 voltov) na napetost 3,3 volta, da se lahko plošča poveže s 3,3 ali 5 voltnimi mikrokontrolerji. Ločeno glavo je mogoče spajkati na adapter za povezavo priključkov z razmikom 0,1 palca.

Prehod z uporabe adapterjev
Adapterji ponujajo rešitev za povezovanje s posameznimi komponentami, vendar so to le gradniki končne zasnove. Trenutno dostopne komponente morajo biti povezljive z drugimi aktivnimi in pasivnimi komponentami, podpirati vhodno/izhodne (V/I) vmesnike, omogočati zamenjavo komponent ter zagotavljati uradna mesta preizkušanja in celo nenapovedano preizkušanje.

Ena prvih plošč za preizkušanje, ki je omogočala preprosto in neposredno namestitev naprav v DIP ohišja ter uporabo samostojnih osvinčenih komponent, je bila nespajkana plošča za preizkušanje, ki je bila razvita v šestdesetih letih prejšnjega stoletja in se še vedno pogosto uporablja. Je priročna, dostopna in preprosta za uporabo ter podpira razumno gostoto komponent.

Primer je zunanje napajani nespajkani sklop plošče za preizkušanje PB-104M ponudnika Global Specialties, ki je zelo primeren za izdelavo prototipov nizkofrekvenčnih vezij (slika 6). Nameščen je v okvir velikosti 21 × 24 centimetrov (cm) (9,45 × 8,27 in.), ki vključuje 3220 veznih točk in štiri vezne stebričke za priključitev napajanja, ter podpira namestitev 28 integriranih vezij s 16 priključki; mostički so izdelani iz žice premera od 0,4 do 0,7 mm z odstranjeno izolacijo na koncih. Za vsestranskost te plošče za preizkušanje je bistveno, da je razmik med luknjami 0,1 palca, tako da poleg namestitve žičnih vodov omogoča tudi namestitev standardnih DIP komponent ter priključkov adapterjev in glav.

Nespajkana plošča za preizkušanje je v praksi povezljiva platforma, na kateri so DIP integrirana vezja in druge komponente povezane s kratkimi konci trdne žice, vstavljenimi v luknje, ki so povezane tudi z vodi komponent. Zunanja vodnika, napeljana vzdolž vsake strani, sta običajno predvidena za napajanje in ozemljitev, aktivne komponente pa napajata prek kratkih napajalnih žic (slika 7).
Pri uporabi nespajkane plošče za preizkušanje je pomembna doslednost. Smiselno je na primer uporabiti žice različnih barv, na primer rdečo za pozitivni vodnik, črno za negativni vodnik in zeleno za ozemljitev. Prav tega morajo uporabniki paziti, da žice mostičkov napeljejo tik ob plošči, da bo vse čim bolj urejeno, medsebojno povezane mostičke pa napeljejo okoli integriranih vezij in ne nad njimi, tako da jih bo mogoče kar najbolj nemoteno preizkusiti in tudi zamenjati. V nasprotnem primeru se lahko zgodi, da bo nespajkana plošča za preizkušanje – kot mnoge druge »začasne« izvedbe – povsem neurejena, tako da bo morebitne napake zelo težko odpraviti ali izslediti (slika 8).

Kombinacije plošč za preizkušanje za sodobne zasnove
Nespajkana plošča za preizkušanje se zaradi svoje priročnosti, prilagodljivosti in vsestranskosti še vedno pogosto uporablja, vendar je v primerjavi s sodobnimi zasnovami, ki delujejo pri visokih hitrostih in frekvencah ter pogosto zajemajo kombinacijo vnaprej sestavljenih računalniških plošč, radiofrekvenčnih vezij in modulov ter napajalnih modulov, precej omejena. Te zasnove zahtevajo uporabo sistema, ki omogoča integracijo več plošč za preizkušanje, prototipnih platform in podsklopov v večjo enoto, ki lahko nato podpira delovanje celotnega sistema.

Kadar je taka plošča za preizkušanje Phase Dock 10104 Mounting Prototyping System (slika 9), osnovni sistem zajema osnovno matriko velikosti 10 × 7 palcev s 54 kvadratnimi palci delovne površine, petimi »sponami« v dveh velikostih za namestitev elektronskih komponent in »drsniki« za namestitev modulov Arduino, Raspberry Pi ali podobnih modulov. Vključuje tudi majhne dele strojne opreme, na primer vijake, ki uporabniku omogočajo sestavljanje kombiniranih sklopov spon/drsnikov, nameščanje elektronskih komponent na drsnike, nameščanje elektronskih komponent neposredno na spone (brez drsnikov), dodajanje »stolpičnih« elektronskih komponent z višjim profilom ter upravljanje žic in kablov. Na voljo je tudi izbirni prosojni plastični pokrov, ki zagotavlja zaščito, boljši videz in lažjo prenosljivost.

Ta sistem za razvijanje izdelkov omogoča kombiniranje različnih tehnologij plošč za preizkušanje in modulov na eni sami platformi, na primer nespajkanih plošč za preizkušanje, posebnih plošč z vijačnimi sponkami in priključki, procesorskih platform, kot so plošče SparkFunRedBoards, ter celo nosilcev s samostojnimi stikali in potenciometri (slika 10). Vsi so trdno pritrjeni na podnožje Phase Dock in nato po potrebi povezani za namene preizkušanja koncepta sistema ter odpravljanja napak s potrebnim dostopom do ključnih signalov in točk preizkušanja.

Komercialne razvojne plošče vključujejo uporabo plošč za preizkušanje
Visokozmogljiva integrirana vezja (zlasti tista, ki se uporabljajo za šibke signale, natančno ojačenje ali obdelavo radiofrekvenčnih signalov) so zdaj skoraj izključno na voljo razvojnimi ploščami ali razvojnimi kompleti. Ti so pomembni, saj nastavitev tovrstnih naprednih komponent za preverjanje njihove učinkovitosti v ciljni aplikaciji in njihova integracija s preostalim sistemom zahtevata uporabo ustreznih podpornih komponent (večinoma pasivnih) ter natančno postavitev in povezanost. Načrtovalci si prizadevajo zagotoviti kar največjo uporabnost teh razvojnih plošč, ki so lahko glede na končno zasnovo sistema bolj ali manj uporabna.

Razvojna plošča, ki je zasnovana tako, da v celoti omogoča delovanje komponente, vključuje dodatne podporne komponente, kot so pomnilnik, lokalne regulatorje DC-DC in morda celo mikrokontroler. Čeprav so te komponente morda potrebne za samostojno ocenjevanje, lahko vplivajo na dejansko uporabo zadevnega integriranega vezja v načrtovani zasnovi izdelka.

Po drugi strani pa mnoge od teh plošč za ocenjevanje vključujejo komponente, kot je zahtevani posebni priključek. Z uporabo plošče za ocenjevanje načrtovalcu ni treba na novo vzpostaviti krogotoka (»znova izdelati vezja«); dobro izvedena in ustrezno dokumentirana zasnova plošče za ocenjevanje je običajno enako dobra ali boljša od vezja, izdelanega pri ponudniku z bogatimi izkušnjami na področju izdelave integriranih vezij.
Izziv pri načrtovanju plošče za preizkušanje je torej v tem, kako prepoznati in izkoristiti prednosti komercialne razvojne plošče. Pri »majhnem« integriranem vezju, kot je širokopasovni detektor ovoja Analog Devices ADL6012 (2–67 GHz) s pasovno širino 500 megahertzov (MHz), je osnovna medsebojna povezava tega 10-vodnega modula LFCSP na shemi videti precej preprosta, a dejanska uporaba je zahtevnejša, saj zahteva natančno postavitev, obvode in visokozmogljive radiofrekvenčne priključke (slika 11).

Za načrtovalce, ki želijo to radiofrekvenčno integrirano vezje vključiti v svojo zasnovo, je smiselno, da na stopnji uporabe plošče za preizkušanje najprej preučijo njegove lastnosti, preizkusijo njegove vmesnike in »natančno prilagodijo« njegovo funkcijo v celotnem projektu z razvojno ploščo ADL6012-EVALZ, preden izdelajo končno shemo, določijo postavitev in oblikujejo ohišje (slika 12).

Osnovni izziv pri uporabi plošče za preizkušanje je fizično omogočiti uporabo razvojne plošče, dodati napajalnike ter zagotoviti radiofrekvenčni vhodni ojačevalnik in določeno diferenčno izhodno obremenitev, skupaj s poljubnim procesorjem in vmesniki za fazo pred izdelavo prototipov, ki ji sledi konfiguracija prototipa izdelka. To bo zahtevalo kombinacijo tehnik, platform in pristopov na področju uporabe plošč za preizkušanje.

Zaključek
Adapterji in prekinitvene plošče načrtovalcem omogočajo integracijo, medsebojno povezavo, delovanje in ocenjevanje drobnih, pogosto brezvodnih komponent, ki se standardno uporabljajo v skoraj vseh sodobnih izdelkih. Novejše ponovitve presegajo še vedno pogosto uporabljano nespajkano ploščo za preizkušanje in omogočajo kombiniranje oziroma ujemanje komponent, modulov ter drugih sklopov. Te povečujejo fizično trpežnost in zmanjšujejo možnost neprimerne, napačne ter nezanesljive namestitve oziroma ožičenja. Uporaba teh adapterjev in plošč za preizkušanje pospeši fazo preizkušanja oziroma odpravljanja napak ter omogoča hitrejšo izdelavo prototipov.

Povezana vsebina
»How to Breadboard – Another Teaching Moment« (videoposnetek)
https://www.digikey.com/en/products/detail/global-specialties/PB-104M/8134130
»Global Specialties PB-104M Data Sheet«
https://www.digikey.com/htmldatasheets/production/2906260/0/0/1/pb-104m-datasheet.html
»This is WorkBench«
https://www.digikey.com/en/products/detail/phase-dock-inc/10104/12140468(videoposnetek)

Reference
Analog Devices, »What Is a Solder-less Breadboard?«
https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-breadboards
Syko.ru, »How to use a breadboard«
https://yko.ru/en/smesitel/kak-polzovatsya-maketnoi-platoi-breadboard-kak-polzovatsya-maketnoi.html

https://www.digikey.com