Megfelelő adapterekkel és készletekkel rugalmas és hatékony „deszkamodellek” készíthetők modern komponensekkel

Az apró passzív és aktív eszközök, valamint a GHz-es tartományba eső áramköri működési frekvenciák széles körű elterjedésének köszönhetően egyre nehezebb és gyakran frusztráló problémát jelent egy-egy áramköri terv létrehozása és kiértékelése annak a nyomtatott áramköri lapra történő átültetése előtt, majd ezt követően a továbblépés egy majdnem végleges prototípus elkészítésére. Azok a próbapanel-készletek és módszerek, amelyek működtek a kivezetésekkel rendelkező alkatrészek és a dual in-line (DIP) tokozású IC-k esetében nem kompatibilisek a mai nagy sűrűségű IC-tokozásokkal, a tok alá került kontaktusokkal („pad”-ok) és a szabad szemmel szinte alig látható SMT (felületszerelt technológiás) alkatrészekkel, valamint a komplett rádiófrekvenciás- vagy processzormodulokkal.

Vannak azonban jó hírek is, mégpedig munkaasztal-alapú fejlesztőeszközök formájában, amelyek lehetővé teszik az alapvető deszkamodellek létrehozását, különálló aláramköri modulokhoz való kapcsolódással. Ezekkel a próbapanel-rendszerekkel a hobbisták, építők, barkácsolók és mérnöki szakemberek egy termék alrészeit tesztelni tudják, azokat integrálhatják és egy teljes és működőképes egységgé alakíthatják.

Ez a cikk a modern elektronikai alkatrészek próbapanelezésével kapcsolatos alapvető kérdéseket tárgyalja. Ezután megvizsgálja, hogy az Aries Electronics, a Schmartboard, Inc., az Adafruit Industries LLC, a Global Specialties, és a Phase Dock, Inc. gyártók adapterei és próbapanel-készletei segítségével hogyan hozhatók létre olyan alapvető prototípusok, amelyek már jobban egy végtermékre hasonlítanak.

Végül bemutatja, hogyan könnyítik meg ezek a hasznos és megbízható deszkamodellek megépítését, amelyekkel áramköri topológiák és interfészek validálhatók, lehetővé teszik a különálló modulokhoz és fejlesztőlapokhoz való kapcsolódást, és használható prototípusokhoz vezetnek.

A deszkamodell elnevezés eredete

Talán rejtelmesnek tűnhet „deszkamodell”-nek nevezni egy durva, sőt akár kidolgozatlannak tűnő áramkört, de ennek eredete egyértelmű, és jól dokumentált. Az elektronika kezdeti időszakában ugyanis a barkácsoló kísérletezők és építők (még mielőtt ezt a szót a mai értelemben kezdék volna el használni) a saját tápellátású kristályrádiókat, de még az egyszerű elektroncsöves rádiókat tartalmazó áramköreiket is egy igazi, kenyérvágásra használt fadeszkára építették. A csatlakozási pontokhoz gombostűket vagy tűzőszögeket használtak, amelyekre rátekerték a vezetékeket, sőt az így kialakított kötéseket néha még forrasztással is erősítették (1. ábra).

1. ábra: A „deszkamodell” kifejezés a fából készült vágódeszkák használatából származik, amelyeket például olyan barkácselektronikai áramkörök alapjául használtak, mint ez a háromcsöves rádió. (Kép: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Természetesen, ezek a fából készült deszkák mára már nem alkalmasak arra, hogy modern alkatrészeket tartalmazó áramkörök alapjaként szolgáljanak. Ennek ellenére a „deszkamodell” szabványos kifejezéssé vált, amely alatt a szakemberek a durván felépített, demonstrációs céllal készített áramköröket vagy aláramköröket értik. Az elektronika technológiai fejlődése azonban, az elektroncsövektől kezdve a diszkrét kivezetéses tranzisztorokig és passzív alkatrészekig, a DIP tokozású IC-kig, és mostanra a szinte láthatatlan felületszerelt alkatrészekig jelentős hatással volt a próbapanelezési módszerekre és platformokra.

Mi a különbség egy deszkamodell és egy prototípus között?

Adja magát a kérdés, hogy mi a különbség egy deszkamodell és egy prototípus között? Hivatalosan a kettő között nincs különbség, és e kifejezéseket néha egymás helyett is használják. A legtöbb mérnök azonban, ha „deszkamodell”-t (vagy próbapanelt) mond, akkor azt egy olyan durván kidolgozott áramkörre vagy aláramkörre érti, amely hasznos, és az előzetes tervezési fázisokban használható, többek között a következő célokra:

• egy alapvető áramköri ötlet, funkció vagy tervezési megközelítés megvalósíthatóságának ellenőrzése;
• szoftverillesztőprogramok fejlesztése és ellenőrzése;
• az aláramkörök közötti, illetve az áramkör és a jelátalakító vagy terhelés közötti interfészek kompatibilitásának biztosítása;
• adatkapcsolati protokollok és formátumok kidolgozása;
• egy feltételezett modell kidolgozása és ellenőrzése;
• az áramkör és annak funkcionális működésének kiértékelése.

A fenti felsorolásból könnyen kiderül, hogy egy deszkamodellnek mennyire fontos szerepe van a terméktervezésben, még akkor is, ha az nem egy komplett rendszer, nincs burkolatba helyezve, valamint hiányzik belőle a végtermék számos „csicsás” eleme. Egy deszkamodellt például gyakran egy külső tápegység működteti, nem pedig egy saját belső tápellátás, mint ahogy az érvényes egy végtermék esetében. A tágas és nyitott elrendezésének köszönhetően azonban egy deszkamodell általában alkalmas mérések, beállítások végzésére és akár az alkatrészek cseréjére is. Egy ilyen terebélyes kialakítás viszont azt jelenti, hogy annak fizikai jellemzői miatt az áramkör bizonyos működésbeli jellemzői nem állapíthatók meg, és ez különösen érvényes a magasabb frekvenciákon működő áramkörökre, amikor az alkatrészek saját és az elrendezés parazita értékei és kölcsönhatásai nagymértékben kifejezésre kerülnek.

Ezzel szemben egy prototípus sokkal közelebb áll a végtermékhez. Ugyanazokból az alkatrészekből áll mint az, valamint a tokozása, mérete és a felhasználói bemeneti/kimeneti tulajdonságai is egyeznek azzal. Amellett, hogy egy prototípus funkcionálisan teljes, gyakran használják a gyártási szempontok, például a fizikai távolság és az összeszerelési problémák, a termikus útvonalak és a felhasználói interakció ellenőrzésére valamint a tetszetősség és a megjelenés felmérésére.

Kezdjük az alapvető adapterekkel

A mai próbapanelezés megköveteli, hogy a modern tervekben domináló apró IC-khez való csatlakozás és azok használata megvalósítható legyen. Egy hat kivezetéses SOT-23 IC-t például rá lehet forrasztani egy nagyobb nyomtatott áramköri lapra, de kis mérete és a rövid osztástávolság miatt nehéz lesz bármit is csatlakoztatni az eszközhöz, és ugyanúgy megváltoztatni a csatlakozásokat is. Még nagyobb probléma, ha az IC csak a tokozás alján található kiálló kontaktusokkal rendelkezik.

Erre a problémára megoldás egy másik eszköz használata, mint például az Aries Electronics LCQT-SOT23-6 aljzatadaptere. Ezzel egy SOT-23-as egy hat-érintkezős DIP tokká alakítható át (2. ábra). Miután az SOT-23 alkatrész átalakult egy 2,54 mm-es vezetéktávolságú DIP formává, így a nagyobb DIP alkatrészekhez méretezett próbapanelezési megoldásokkal már használható.

2. ábra: Az LCQT-SOT23-6 aljzatadapter egy apró, nehezen kezelhető hatkivezetéses SOT-23 tokot alakít át egy sokkal kezelhetőbb, szabványos DIP vezetéktávolságú DIP alkatrésszé. (Kép: Aries Electronics)

Sok áramköri terv különböző méretű és lábkiosztású SMT-alkatrészek sokaságát tartalmazza. Ilyen esetekre, a több darab csupán egyetlen IC-t befogadni képes aljzatadapterek kezelése és azok összekapcsolása nehézkessé válhat. A Schmartboard 202-0042-01 QFN adapterlapjával az ilyen természetű problémák a minimumra csökkenthetők (3. ábra). Ez a 5 × 5 cm méretű panel akár öt darab különböző, 16 és 28 tűvel rendelkező, 0,5 mm-es osztástávolságú, 20-tűs 0,65 mm-es osztású, valamint 12 és 16-tűs 0,8 mm-es osztású IC-t tud befogadni (QFN tokozású alkatrészekhez).

3. ábra: Egy adapterlap, mint például a 202-0042-01-QFN, több SMT technológiás tokozású IC számára teszi lehetővé a panelre történő forrasztást és csatlakoztatást. (Kép: SchmartBoard)

A 202-0042-01-QFN szabadalmaztatott technológia segítségével használható, ami lehetővé teszi ezen apró, felületszerelt alkatrészek gyors, egyszerű és problémamentes kézi forrasztását. Ezenkívül az IC-k érintkezői számára rendelkezésre álló galvanizált átmenő furatok a panelen megkönnyítik a beültetett alkatrészek (szükség esetén) egymáshoz, vagy azoknak más eszközökhöz és panelekhez való csatlakoztatását.

Néha a próbapanelezési problémát nem egy IC-hez való kapcsolódás jelenti, hanem meg kell oldani egy kábel érintkezőinek vagy a perifériás eszköz csatlakozóján lévő érintkezőkhöz való hozzáférést és azok figyelését. Amikor például a 25-tűs RS-232-es csatlakozó volt az uralkodó kommunikációs interfész, ugyanolyan gyakran találkozhattunk az egyes tűkhöz (ki-be kapcsolókkal) kapcsolódni tudó és átkötőkkel ellátott ellenőrző dobozzal (vonalfigyelővel), mint egy multiméterrel (4. ábra).

4. ábra: A korábban igen széles körben használt szabványos RS-232 típusú, 25-tűs csatlakozós kábelek vezetékeinek ellenőrzésére és átrendezésére egy ilyen RS-232 ellenőrző doboz használata elengedhetetlen. (Kép: Wikipedia)

Míg ezekre az RS-232-es dobozokra ma már ritkán van szükség, addig a perifériás eszközök, például a Micro SD-kártyák esetében hasonlóan nagy szükség van ilyen ellenőrzési funkciókra. Ehhez hasznos adapter az Adafruit Industries 254 Micro SD Card Breakout Board nevű kifejtő kártyája, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy csatlakozni tudjanak ezen széles körben használt memóriakártyákhoz, valamint egyaránt tesztelni és ellenőrizni tudják azok hardveres interfészkapcsolatait, és meghajtószoftvereit (5. ábra).

5. ábra: Az Adafruit 254 Micro SD Card Breakout Board segítségével a tervezők könnyen csatlakoztathatják ezeket a perifériás memóriaeszközöket, hozzájuk tudnak férni, és megfigyelhetik a jeleket a memóriakártya és rendszerprocesszor között. (Kép: Adafruit)

A kártya tartalmaz egy ultra-alacsony feszültségesésű szabályozót, amely a 3,3 és 6 V közötti feszültségeket a Micro SD kártya számára 3,3 V-ra konvertálja, valamint egy szinteltolót, amely az interfész logikai feszültségeit (3,3-5 V) 3,3 V-ra alakítja, így a kártya 3,3 V-os vagy 5 V-os mikrokontrollerekhez csatlakoztatható. A különálló tűsort be lehet forrasztani az adapterbe, hogy a kivezetések 2,54 mm-es osztású érintkezők formájában elérhetők legyenek.

Túl az adaptereken

Az adapterekkel az egyes komponensekhez való csatlakoztatás problémája megoldható, de ezek csupán építőelemei a végső kialakításoknak. A most már hozzáférhető komponenseknek más aktív és passzív alkatrészekhez kell csatlakozniuk, kompatibiliseknek kell lenniük bemeneti/kimeneti (I/O) interfészekkel, a komponenseknek cserélhetőknek kell lenniük, valamint a kialakításnak tervezett, de akár előre nem látott tesztelési pontokkal is rendelkeznie kell.

Az egyik első olyan próbapanel, amelybe a dual in-line (DIP) tokozású alkatrészek, valamint a diszkrét, kivezetésekkel rendelkező alkatrészek is könnyen és közvetlenül beültethetők voltak, az az 1960-as években kifejlesztett és még mindig széles körben használt forrasztás nélküli próbapanel. Kényelmes, hozzáférhető, könnyen használható, és ésszerű mértékű alkatrészsűrűséget biztosít.

Erre példa a Global Specialties PB-104M jelű külső tápellátású, forrasztás nélküli szerelt próbapanelje, amely jól alkalmazható alacsony frekvenciájú áramkörök prototípusainak készítésére (6. ábra). Egy 21 × 24 cm méretű vázra van szerelve, 3220 kötési ponttal, valamint négy póluskapoccsal rendelkezik tápellátás csatlakoztatásához. 28 db. 16-tűs IC befogadására képes és az átkötők 0,4 mm és 0,7 mm közötti átmérőjű, a végeken lecsupaszított huzalból készültek. Ez a próbapanel azért olyan sokoldalú, mert a lyukak egymástól 2,54 mm (0,1 hüvelyk) távolságra találhatók egymástól, hogy a huzalok mellett a szabványos DIP alkatrészek, valamint az adapterek és tűsorok érintkezői is beültethetők legyenek.

6. ábra: A Global Specialties PB-104M forrasztás nélküli szerelt próbapanelje több DIP tokozású IC, DIP-lenyomatú adapter, kivezetésekkel rendelkező diszkrét alkatrészek és huzalokból készült különálló átkötő vezetékek befogadására alkalmas. (Kép: Global Specialties)

Funkcióját tekintve a forrasztás nélküli próbapanel egy csatlakozásokkal rendelkező platform, amelyen a lyukakba helyezett rövid tömör vezetékekkel DIP IC-k és más alkatrészek köthetők össze egymással, és a diszkrét alkatrészek kivezetéseinek a lyukakba helyezésével azok is csatlakoztathatók. A mindkét oldalon vonuló két szélső sín általában a tápellátás és a földelés számára van fenntartva, és ezek a feszültségeket rövid tápvezetékek segítségével biztosítják az aktív alkatrészek számára (7. ábra).

7. ábra: A forrasztás nélküli próbapanelek mindkét oldalán lévő két külső sínt általában a tápellátás és a földelés számára tartják fenn. Rövid tápvezetékek kötik össze a síneket az aktív alkatrészekkel. (Kép: Analog Devices)

Fontos, hogy a forrasztás nélküli próbapanel használatakor következetesek maradjunk. Jó gyakorlatnak számít például színkódolást alkalmazni a vezetékek azonosításának megkönnyítésére, például pirosat használni a pozitív táp, feketét a negatív táp és zöldet a föld esetében. A felhasználóknak arra is ügyelniük kell, hogy az átkötő vezetékeket minél jobban a lapra fektessék, hogy a lehető legkisebb legyen a rendetlenség, és az összekötő vezetékeket inkább az IC-k körül, mint azok felett vezessék át, hogy az IC-ket minimális zavaró tényezővel vizsgálni, sőt akár cserélni is lehessen. Ellenkező esetben a forrasztás nélküli próbapanel – oly sok más „ideiglenes” megoldáshoz hasonlóan – igazi „szénaboglyává” válhat, és nagyon nehéz lesz a hibakeresés vagy bárminek is a megfigyelése (8. ábra).

8. ábra: A legkisebb projektek kivételével egy forrasztás nélküli próbapanel használatakor az átkötő vezetékek elhelyezésekor gondosságra és odafigyelésre van szükség, különben eredményként egy kibogozhatatlan halmot kaphatunk. (Kép: Wikipedia)

Egy deszkamodell keverék a mai tervekhez

A forrasztás nélküli próbapanelt kényelmessége, rugalmassága és sokoldalúsága miatt még mindig széles körben használják, de komoly korlátai vannak a modern, nagy órajelekkel és frekvenciákkal működő, gyakran előre összeszerelt számítógépes lapok, RF áramkörök és modulok, valamint tápegységek kombinációit tartalmazó terveknél. Ezek befogadásához olyan rendszerre van szükség, amely lehetővé teszi több próbapanel, prototípus platform és részegység egy nagyobb egységbe integrálását, amely aztán teljes rendszerszintű funkcionalitással működhet.

Egy ilyen deszkamodell a Phase Dock 10104 jelű szerelhető prototípus-rendszere (9. ábra). Az alaprendszer egy 25,4 × 18,8 cm-es, kb. 350 négyzetcentiméteres munkafelülettel rendelkező bázisból, az elektronikai elemek rögzítését lehetővé tevő öt darab, kétféle méretű Click elemből, valamint az Arduino, Raspberry Pi vagy hasonló modulok rögzítésére szolgáló Slide-okból áll. Tartalmazza továbbá a kisebb szerelési alkatrészeket is, például a csavarokat, amelyek lehetővé teszik a tervezők számára Click/Slide kombinációk kialakítását, az elektronikának a Slide-okra rögzítését, az elektronikának közvetlenül a Click-ekre történő rögzítését (Slide-ok nélkül), a magasabb profilú „toronyméretű” elektronikai alkatrészek hozzáadását, valamint a vezetékek és kábelek kezelését. Opcionálisan kapható hozzá egy átlátszó műanyag burkolat is, amely védelmet nyújt, javítja a megjelenést és megkönnyíti a szállítást.

9. ábra: Az alapvető Phase Dock 10104 prototípusrögzítő rendszer tartalmaz egy bázist (felső sor), Click elemeket az elektronika rögzítéséhez (középső sor), Slide-okat az Arduino és hasonló platformok használatához (alsó sor), valamint a rendkívül fontos szerelési anyagokat (alsó sor - balra). (Kép: Phase Dock, Inc.)

Ez a termékfejlesztési rendszer lehetővé teszi a különböző próbapanel- és modultechnológiák, például forrasztás nélküli próbapanelek, csavaros sorkapcsokkal és csatlakozókkal ellátott speciális panelek, processzorplatformok, például a SparkFun-tól a RedBoards, sőt a diszkrét kapcsolókat és potenciométereket tartó konzolok egyetlen platformon történő keverését (10. ábra). Mindegyikük szilárdan a Phase Dock bázisára rögzíthető, majd a szükséges kapcsolatok létrehozhatók a rendszerkoncepció teszteléséhez és a hibakereséshez úgy, hogy közben a kulcsfontosságú jelek és mérőpontok hozzáférhetők.

10. ábra: A Phase Dock rendszernél a különálló elemek vegyesen szerelhetők és összekapcsolhatók, beleértve a forrasztás nélküli próbapaneleket (fehér színben), a speciális NyÁK-lapokat (zöld) és a processzorplatformokat, mint például a SparkFun Redboards moduljait (piros) a képen látható bemutatott automatizált vezérlőrendszer esetében. (Kép: Phase Dock, Inc.)

A gyártók fejlesztői kártyáit tartalmazó a próbapanelek

A nagy teljesítményű IC-ket – különösen az alacsony szintű jelekhez, precíziós erősítéshez vagy rádiófrekvenciás jelfeldolgozáshoz használtakat – ma már szinte kivétel nélkül saját fejlesztői kártyákkal vagy készletekkel együtt kínálják. Erre azért van szükség, mert az ilyen modern alkatrészek konfigurálásához a célalkalmazásban való működésük ellenőrzése céljából, valamint a rendszer többi elemével való integrálásukhoz megfelelő támogató alkatrészekre (többnyire passzív elemekre), és ezenkívül gondosan kialakított elrendezésre és csatlakozásokra van szükség. A tervezők szemszögéből legfőbb szempont az, hogy a munka szempontjából hogyan tudják a legjobban kihasználni ezeket a fejlesztői kártyákat, mivel hasznosságuk a rendszer végső kialakítása szempontjából a „nagyon hasznos” és az „akadály” kategóriák között mozog.

Vegyünk példaként egy olyan fejlesztői kártyát, amelyet arra terveztek, hogy segítségével egy alkatrész képességei teljes mértékben kihasználhatók legyenek. Mint ilyen, az kiegészítő támogató komponenseket tartalmaz, például többlet memóriát, helyi DC-DC szabályzókat és talán még akár egy mikrovezérlőt is. Bár ezekre az összetevőkre egy önálló kiértékelés esetén mind szükség lehet, a mérnök saját termékkialakításában az érintett IC tényleges működését akár akadályozhatják is.

Másrészről, sok ilyen fejlesztői kártyán olyan alkatrészek találhatók, mint például a használathoz szükséges speciális csatlakozó. A fejlesztői kártya használatával a tervezőnek nem kell azzal foglalkoznia, hogy újra megcsinálja ezt az áramkört („újra feltalálja a kereket”). Egy jól elkészített és megfelelően dokumentált fejlesztői kártya kialakítása általában ugyanolyan jó vagy jobb, mint egy olyan áramkör, amelyet a gyártó egyik olyan tervezője készített, aki jól ismeri az IC-t.

A tervezőre háruló feladat ezért az, hogy felismerje és kihasználja a gyártó által kiadott fejlesztői kártya előnyeit a próbapaneles elrendezésben. Vegyünk például egy „kis” IC-t, mint például az Analog Devices ADL6012 jelű alkatrésze, amely egy 2 GHz-től 67 GHz-ig terjedő, 500 MHz sávszélességű szélessávú burkolódetektor. Ez a 10 kivezetéses LFCSP tokozású elem alapvető kapcsolása meglehetősen egyszerűen néz ki az áramköri rajzon, de a valós életben történő használata sokkal nehezebb, mivel gondos elrendezést, áthidalásokat és csúcsminőségű RF-csatlakozókat igényel (11. ábra).

11. ábra: Az Analog Devices ADL6012 szélessávú burkolódetektor csatlakoztatása és használata „papíron” elég egyszerűnek tűnik, de számos tervezésbeli és elrendezésbeli finomságra ügyelni kell. (Kép: Analog Devices)

Azoknak a tervezőknek, akik ezt az RF IC-t szeretnék beépíteni a tervükbe, érdemes még a próbapanelezési fázisban az ADL6012-EVALZ fejlesztői kártya felhasználásával megismerni annak jellemzőit, tesztelni az interfészeit, és azt „finomhangoltan” illeszteni be a projektbe, mielőtt létrehozzák a végleges kapcsolási rajzot és kidolgozzák az elrendezést és a tokozást (12. ábra).

12. ábra: Az ADL6012-EVALZ fejlesztői kártya mentesíti a tervezőt attól, hogy ezen egyszerűnek tűnő, de mégis kifinomult IC-nek a tervekben való alkalmazásakor szükséges számos kifinomult szemponttal foglalkozzon. Egy próbapanelbe való beépítésével a termékfejlesztésre fordított idő és frusztráció minimalizálható. (Kép: Analog Devices)

A próbapanelezést tekintve a probléma abból áll, hogy meg kell oldani a fejlesztői kártya fizikai használatát, biztosítani kell számára a tápellátásokat valamint az RF bemeneti erősítő és a meghatározott differenciális kimenet számára a terhelést, bármely más, a prototípus előtti fázisban szükséges olyan processzorral és interfésszel együtt, amely a prototípus végső kialakításához vezet. Ehhez a próbapanelezési módszerek, platformok és megközelítések kombinációjára lesz szükség.

Összegzés

Az adapterek és a kifejtő kártyák lehetővé teszik a tervezők számára, hogy integrálják, összekapcsolják, használják és kiértékeljék az apró, gyakran kivezetések nélküli alkatrészeket, amelyek szinte minden modern termék alapvető elemeit képezik. Az újabb változatok már túlmutatnak a ma még mindig széles körben használt forrasztás nélküli próbapanelek ilyen célú alkalmazásán, mert lehetővé teszik az alkatrészek, modulok és egyéb szerelvények elegyítését és egymáshoz illesztését. Ezek fokozzák a fizikai robusztusságot valamint minimalizálják a csúnya, hibalehetőségekkel teli, megbízhatatlan szerelést és vezetékezést. Az adapterek és próbapanelek használata felgyorsítja a tesztelési és hibakeresési fázist, és rövidebb idő alatt életképes prototípusokhoz vezet.