De riktige adapterne og settene muliggjør fleksibel, effektiv forsøksoppbygging med moderne komponenter

Takket være den utbredte bruken av bittesmå passive og aktive enheter og kretsoperasjonsfrekvenser godt inn i gigahertz (GHz)-området, er det en stadig vanskeligere og ofte en frustrerende utfordring å lage og evaluere en kretsdesign før man forplikter seg til kretskort (PCB), og deretter gå videre til en nesten-finale-prototype. Koblingsbrett-settene og teknikkene som fungerte for enheter med utstikkende ledere IC-er med DIP-kapsling (dual in-line package er ikke kompatible med dagens høydensitets IC-kapslinger, tilkoblingsplater under kapslingen, eller nesten usynlige overflate enheter (SMT) -enheter, ei heller komplette RF- eller prosessormoduler.

Det er imidlertid gode nyheter i form av benk-baserte utviklingsverktøy som gjør det mulig å lage grunnleggende koblingsbrett, samtidig som tilkobler separate underkretsmoduler. Ved hjelp av disse koblingsbrettsystemene kan hobbybyggere, amatørbyggere, produsenter, gjør-det-selv-entusiaster og profesjonelle designere og ingeniører bygge, teste og integrere underseksjoner av det samlede produktet i en komplett og funksjonell enhet.

Denne artikkelen undersøker de grunnleggende problemene som er forbundet med forsøksoppbygging av den moderne elektronikkomponenten. Den ser deretter på hvordan adaptere og koblingsbrettssett fra leverandører som f.eksVæren elektronikk ,Schmartboard, Inc. .,Adafruit Industries LLC ,Globale spesialiteter , og Phase Dock, Inc. kan brukes som grunnlag for prototyper som mer ligner det endelige produktet.

Til slutt viser den hvordan disse gjør det enklere å konstruere nyttige, pålitelige brett som kan validere kretsens topologier og grensesnitt, muliggjøre tilkobling til uavhengige moduler og evalueringskort etter behov, og føre til meningsfylte prototyper.

Hvor kom koblingsbrettet for elektronikk fra?

Bruken av begrepet «koblingsbrett» (engelsk: breadboard som betyr brødfjøl) for en krets som ser primitiv ut, kan virke litt som et rar, men avledningen er klar og godt dokumentert. I elektronikkens tidlige tid, med selvdrevne krystallradioer og til og med grunnleggende vakuumrørradioer, brukte både hjemmebyggere faktisk brødfjøler til sine gjør-det-selv-eksperimenter (DIY-eksperimenter), det samme for profesjonelle produsenter, treplaten som ble brukt til å skjære brød. De brukte stift eller spiker som koblingspunkter og pakket ledningene rundt dem, noen ganger til og med lodde disse koblingene (figur 1).

Figur 1: Begrepet «brødfjøl» kommer fra bruken av et treskjærebrett som underlag for elektroniske gjør-det-selv-kretser som denne tre-rørs-radioen. (Bildekilde: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Selvfølgelig er disse trebrettene foreldet som plattformer for kretser som bruker moderne komponenter. Til tross for dette har begrepene «breadboard» og «breadboarding» blitt engelske standarduttrykk knyttet til grovt bygde demonstrasjonskretser eller delkretser. Imidlertid har utviklingen av elektronisk teknologi fra vakuumrør til diskrete ledende transistorer og passive komponenter, DIP IC-er, og nå til nesten usynlige overflatemonteringsenheter, hatt betydelig innvirkning på forsøksoppbyggingsteknikker og plattformer.

Hva er forskjellen mellom et koblingsbrett og en prototype

Et åpenbart spørsmål gjelder forskjellen mellom et koblingsbrett og en prototype. Det er ingen formell avgrensning mellom de to, og begrepene brukes noen ganger om hverandre. De fleste ingeniører bruker imidlertid begrepet koblingsbrett for å tegne ut en grov utforming av en krets eller underkrets som må støtte foreløpige designfaser, inkludert:

• Kontroll av levedyktigheten til en grunnleggende kretsidé, funksjon eller designtilnærming.
• Utvikling og verifisering av programvaredrivere.
• Sikre kompatibilitet mellom grensesnitt mellom delkretser eller mellom en krets og transduser eller last.
• Utarbeide datalink-protokoller og -formater.
• Utvikling og verifisering av en antatt modell.
• Evaluering av krets og funksjonell ytelse.

Fra listen ovenfor er det lett å se de mange viktige rollene som koblingsbrettet spiller i produktdesign, selv om det ikke er et komplett system, og det mangler emballasje så vel som mange av «bjeller og fløyter» til sluttproduktet. For eksempel er et koblingsbrett ofte avhengig av en ekstern strømforsyning i stedet for den interne forsyningen til det sendte produktet. På grunn av det brede og åpne oppsettet, er koblingsbrettet vanligvis egnet for sondering, justering og til og med bytte av komponenter. De fysiske realitetene ved et slikt spredt oppsett betyr imidlertid at noen av ytelsesmulighetene ikke er tilgjengelige, særlig de som er forbundet med høyere frekvens, på grunn av oppsett og krypestrømstap på komponenter (komponentparasittikk) og interaksjoner.

Derimot er en prototype mye nærmere det endelige produktet og bruker de samme komponentene, emballasjen, formfaktoren og bruker-I/O (inngang/utgang). I tillegg til å være funksjonelt komplett, brukes en prototype ofte til å kontrollere produksjonsproblemer som fysisk klaring og montasje, termiske baner, brukerinteraksjon og visuelt appellerende utseende.

Begynn med grunnleggende adaptere

Dagens forsøksoppbygging på koblingsbrett krever muligheten til å koble til og bruke de bittesmå IC-ene som dominerer moderne design. Det er for eksempel mulig å lodde en seks-ledet SOT-23 IC til et større kretskort (PCB), men å lage – og spesielt endre – tilkoblinger til enheten vil være vanskelig på grunn av sin lille størrelse og smale lederavstand. Situasjonen er mer utfordrende når IC bare har støtkuler under kroppen.

En løsning er å bruke en enhet som Aries Electronics' LCQT-SOT23-6-sokkeladapter. Dette forvandler en SOT-23 til et seks-leders DIP-hus (figur 2). Når SOT-23-enheten ser ut som en DIP med 0,1 tommers lederavstand, kan den brukes med en av forsøksoppbygging for design for større DIP-enheter.

Figur 2: LCQT-SOT23-6-sokkeladapteret omdanner en liten, vanskelig håndterbar seksleddet SOT-23-kapsling til en mye mer håndterbar DIP-enhet med standard DIP-ledningsavstand. (Bildekilde: Aries Electronics)

Mange design bruker en rekke SMT-komponenter med forskjellige kapslingsstørrelser og pinne-konfigurasjoner. I disse situasjonene kan flere enkelt-IC-sokkeladaptere bli vanskelige å håndtere og koble sammen. Schmartboards sitt 202-0042-01 QFN-adapterkort kan minimere den potensielle forvirringen (figur 3). Dette 2 × 2-tommers kortet tar opptil fem forskjellige IC-er med 16 og 28 pinner med 0,5 millimeter (mm) lederavstand, 20 pinner med en 0,65 mm lederavstand, samt 12 og 16 pinners med en 0,8 mm lederavstand (for QFN-enheter).

Figur 3: Et adapterkort som 202-0042-01-QFN har plass til lodding om bord og utvendig kontakt (utbrytning) for flere SMT IC-kapslinger. (Bildekilde: Schmartboard)

202-0042-01-QFN bruker patentert teknologi for å muliggjøre rask, enkel, problemfri manuell lodding av disse bittesmå overflatemonteringskomponentene. I tillegg gjør de flere belagte hullene forbundet med hver IC-pinne det enkelt å koble de residente komponentene til hverandre, om ønskelig, eller til andre enheter og kort.

Noen ganger er ikke utfordringen med å koble til en IC, men i stedet å få tilgang til og overvåke pinner i en kabelkontakt eller periferienhetskontakt. For eksempel, når den 25-pinners RS-232-kontakten var det dominerende kommunikasjonsgrensesnittet, var en «kontaktboks» med utvendige kontakter med av/på-brytere og forbindelseskabel-terminaler for de fleste pinnene like vanlig som et multimeter (figur 4).

Figur 4: Denne RS-232-boks med utvendige kontakter (breakout-boksen) er avgjørende for overvåking og omarrangering av ledningene i 25-pinners kabelen til den tidligere meget brukte kontakten og standarden. (Bildekilde: Wikipedia)

Selv om disse RS-232-boksene sjelden trengs nå, er det et analogt behov for funksjonalitet for utvendige kontakter (utbrytning) for perifere enheter som Micro SD-kort. En nyttig adapter for denne funksjonen er Adafruit Industries kort med utvendige kontakter 254 Micro SD Card Breakout Board, som gjør det mulig for designere å koble til, teste og verifisere både tilkoblingsforbindelser for maskinvare og driverprogramvare for disse mye brukte minnekortene (figur 5).

Figur 5: Ved hjelp av Adafruitkort med utvendige kontakter 254 Micro SD Card Breakout Board kan designere enkelt grensesnitt med, få tilgang til og overvåke signaler mellom en systemprosessor og denne frittstående (perifere) minneenheten. (Bildekilde: Adafruit)

Kortet inkluderer en ultra-lav dropout regulator for å konvertere spenninger mellom 3,3 volt og 6 volt ned til 3,3 volt for Micro SD-kortet, og en nivåskifter for å konvertere grensesnittlogikken (3,3 volt til 5 volt) til 3,3 volt slik at kortet kan koble til med 3,3 volt eller 5 volts mikrokontroller. Den separate toppteksten kan loddes inn i adapteren for å bringe tilkoblingene ut til stiftene med en avstand på 0,1 tommer.

Vi beveger oss forbi adaptere

Adaptere kan løse problemer med tilkobling til individuelle komponenter, men dette er bare byggklossene i den endelige utformingen. De nå tilgjengelige komponentene må kobles til andre aktive og passive komponenter, støtte inndata/utdata (I/O)-tilkoblinger, aktivere komponentutskifting og sørge for formelle testpunkter og til og med uventet sondering.

Et av de første koblingsbrettene som enkelt og direkte rommet enheter i doble kapslinger på linje (dual in-line packages – DIP), samt frittstående (diskrete) blyholdige komponenter, var det loddefrie koblingsbrettet, som ble utviklet på 1960-tallet og fortsatt er i stor bruk. Det er praktisk, tilgjengelig, enkel å bruke og støtter en rimelig komponentdensitet.

Et eksempel erPB-104M eksternt drevet loddefritt koblingsbrett fra Global Specialties, som er godt egnet for prototyping av lavfrekvente kretser (figur 6). Den er montert i en 21 × 24 cm ramme (9,45 × 8,27 tommer) og inkluderer 3220 bindingspunkter, fire bindestifter for tilkobling av strømforsyninger, og støtter 28 16-pinners IC-er. Forbindelseskabler lages ved hjelp av 0,4 mm til 0,7 mm diameter kabel som er avisolert i enden. Nøkkelen til allsidigheten til dette koblingsbrettet er at hullene er 0,1 tommer fra hverandre for å imøtekomme standard DIP-komponenter, så vel som tappene på adaptere og hoder, i tillegg til ledninger.

Figur 6: Det loddfrie koblingsbrettet PB-104M fra Global Specialties har plass til flere DIP-IC-er, adaptere for DIP-format, frittstående (diskrete) komponenter med ledninger og individuelle forbindelseskabler. (Bildekilde: Global Specialties)

I bruk er det loddefrie koblingsbrettet en tilkoblingsbar plattform der DIP-IC-er og andre komponenter kobles til ved hjelp av korte stykker solid ledning som er satt inn i hullene, som også kobles til komponentledningene. De to ytre skinnene langs hver side er vanligvis reservert for strøm og jord, og de forsyner de aktive komponentene via korte mateledninger (figur 7).

Figur 7: I et loddefritt koblingsbrett er de to ytre skinnene langs hver side vanligvis reservert for strøm og jording. Korte mateledninger kobler skinnene til de aktive komponentene. (Bildekilde: Analog Devices)

Det er viktig å opprettholde litt disiplin når du bruker et brett uten lodding. Det er for eksempel en god idé å bruke fargekoding for å identifisere ledningene, for eksempel rød for en positiv skinne, svart for en negativ skinne og grønn for jord. Brukere må også passe på å legge bryterledningene flatt på brettet for å minimere rot, og rut forbindelsesledninger til sammenkobling rundt IC-ene i stedet for over dem, slik at IC-ene kan sonderes og endres med minimal forstyrrelse. Ellers kan det loddefrie koblingsbrettet – som så mange andre «midlertidige» implementeringer » bli et «kråkereir» og være svært vanskelig å feilsøke eller spore (figur 8).

Figur 8: Forsiktighet og disiplin er nødvendig når du installerer forbindelseskablene (jumperne) for alt annet enn det minste prosjektet i et loddefritt brett; ellers er en labyrint av uforklarlige ledninger resultatet. (Bildekilde: Wikipedia)

En miks av koblingsbrett for dagens design

Det loddefrie koblingsbrettet er fremdeles mye brukt på grunn av bekvemmeligheten, fleksibiliteten og allsidigheten, men har alvorlige begrensninger med moderne konstruksjoner som opererer med høye klokkefrekvenser og frekvenser, som ofte kombinerer forhåndsmonterte datakort, Rf-kretser, samt moduler og strømmoduler. For å imøtekomme disse er det nødvendig med et system som muliggjør integrering av flere brett, prototypeplattformer og delmonteringer i en større enhet som da kan støtte den fullførte systemfunksjonaliteten.

Når et slikt koblingsbrett er Phase Dock 10104-monteringsprototypesystem (figur 9). Et kjernesystem består av en 10 × 7 tommers grunnmatrise med 54 kvadratcentimeter arbeidsflate, fem «klikk» i to størrelser som brukes til å montere elektronikk, samt «sleider» som brukes til å montere Arduino, Raspberry Pi eller lignende moduler; det inkluderer også de små maskinvareelementene som for eksempel skruer som gjør det mulig for ingeniøren å montere klikk/sleider-kombinasjonene, montere elektronikk på sleidene, montere elektronikk direkte på klikkene (uten sleider), legge til høyere profil «tårn»-elektronikk og administrere ledninger og kabler. Det er også et valgfritt, klart plastdeksel som gir beskyttelse, forbedrer utseendet og letter transporten.

Figur 9: Det grunnleggende Phase Dock 10104-monteringsssystem for prototyping inkluderer en basismatrise (topp); Klikk for monteringselektronikk (midtre rad); Sleider for bruk av Arduino og lignende plattformer (nederste rad); og den viktige monteringsdelen (nederste rad – venstre). (Bildekilde: Phase Dock, Inc.)

Dette produktutviklingssystemet tillater blanding av forskjellige koblingsbrett- og modulteknologier på en enkelt plattform, for eksempel loddefrie koblingsbrett, spesialbrett med skrueterminaler og kontakter, prosessorplattformer som f.eks.SparkFun sine RedBoards, og til og med braketter som holder diskrete brytere og potensiometre (Figur 10). De er alle montert fast på Phase Dock-basen og deretter koblet til etter behov for å teste systemkonseptet og feilsøke det med nødvendig tilgang til nøkkelsignaler og testpunkter.

Figur 10: Phase Dock-systemet støtter «bland og match»-montering med sammenkobling av systemelementer, inkludert loddefritt koblingsbrett (i hvitt), spesial-kretskort (PCB) (grønt) og prosessorplattformer som SparkFuns Redboards (rødt) for dette automatiserte styresystemet. (Bildekilde: Phase Dock, Inc.)

Leverandørevalueringskort benytter koblingsbrett

Høyytelses-ICer-spesielt de som brukes for lavnivåsignaler, presisjonsforsterkning eller RF-signalbehandling-tilbys nå nesten uunngåelig med evalueringskort eller -sett. Dette er nødvendig siden det å sette opp slike avanserte komponenter for å kontrollere deres ytelse i målutrustningen, samt at det å integrere dem med resten av systemet krever bruk av egnede støttekomponenter (for det meste passive), pluss nøye utforming og tilkoblinger. Problemet for konstruktørene er hvordan de best kan jobbe med disse evalueringskortene, siden deres nytte i forhold til den endelige systemdesignen varierer fra svært nyttig til en hindring.

Overvei et evalueringskort som er utformet for å utøve en komponent fullt ut. Slik inkluderer den ekstra støttekomponenter som minne, lokale DC-DC-regulatorer (likestrøm-likestrøm) og kanskje til og med en mikrokontroller. Selv om disse komponentene kan være nødvendige for en frittstående evaluering, kan de også forstyrre den faktiske bruken av aktuelle IC-en i ingeniørens produktdesign.

I den andre enden har mange av disse evalueringskortene komponenter som den nødvendige spesialkontakten. Ved å bruke evalueringskortet, slipper designeren å måtte gjøre kretskoplingen om igjen («finne opp hjulet på nytt»); en godt utført og riktig dokumentert evalueringskortdesign, er vanligvis like bra eller bedre enn en krets opprettet av noen hos leverandøren som kan være nært kjent med IC.

Designerens utfordring er derfor å gjenkjenne og utnytte fordelene med det leverandørleverte evalueringskortet i arrangementet for forsøksoppbygging. Vurder en «liten» IC, for eksempel Analog Devices ADL6012, en 2 GHz til 67 GHz, 500 megahertz (MHz) bredbåndskonvoluttdetektor. Den grunnleggende sammenkoblingen av denne 10-leders LFCSP ser ganske enkel ut på sitt skjemadiagram, men faktisk bruk er vanskeligere da det krever en nøye layout, omgåelse og luksus RF-kontakter (figur 11).

Figur 11: Tilkobling og bruk av ADL6012 bredbånds-konvoluttdetektor ser enkelt nok ut «på papiret», men det er mange design- og layoutflekker. (Bildekilde: Analog Devices)

For designere som ønsker å innlemme denne RF IC i designet, er det fornuftig å først forstå egenskapene, teste grensesnittene og "finjustere" passformen i det totale prosjektet ved å utnytteADL6012-EVALZ evalueringstavle på breadboard -stadiet, før du lager en endelig skjematisk og utarbeider layout og emballasje (figur 12).

Figur 12: ADL6012-EVALZ-evalueringskort avlaster designeren fra å håndtere de mange subtile finessene ved å designe i denne enkle, men sofistikerte IC-en; integrert i et koblingsbrett, så det minimerer produktutviklingstid og frustrasjon. (Bildekilde: Analog Devices)

Utfordringen med koblingsbrett er å fysisk muliggjøre bruk av evalueringskortet, legge til strømforsyninger og gi RF-inngangsforsterkeren og spesifisert differensiell utgangsbelastning, sammen med en hvilken som helst prosessor og grensesnitt for fasen før prototypen som fører til prototypens produktkonfigurasjon. Dette vil kreve en kombinasjon av forsøksoppbygging-teknikker, plattformer og tilnærminger.

Konklusjon

Adaptere og kort med utvendig kontakt (utbrytningskort) gjør det mulig for designere å integrere, koble sammen, trene og evaluere de små, ofte blyfrie komponentene som er standard i nesten alle moderne produkter. Nyere iterasjoner går utover det fortsatt mye brukte loddefrie koblingsbrettet og muliggjør blanding og matching av komponenter, moduler og andre enheter. Disse forbedrer den fysiske robustheten, minimerer uskikkelige, feilutsatte og upålitelige monteringer og ledninger. Bruk av disse adapterne og koblingsbrettene akselererer test- og feilsøkingsfasen og fører til levedyktige prototyper på kortere tid.