Właściwe adaptery i zestawy umożliwiają elastyczne, wydajne wykorzystanie płytek prototypowych z nowoczesnymi komponentami

Dzięki szerokiemu zastosowaniu małych pasywnych i aktywnych urządzeń oraz częstotliwości pracy obwodów sięgających gigaherców (GHz), tworzenie i ocena projektu obwodu przed wykonaniem płytki drukowanej, a następnie przejście do prawie ostatecznego prototypu, jest coraz trudniejszym i często frustrującym wyzwaniem. Zestawy płytek prototypowych i techniki, które działały w przypadku urządzeń z odprowadzeniami i układów scalonych DIP (dual-in-line), nie są kompatybilne z dzisiejszymi obudowami układów scalonych o wysokiej gęstości, polami odprowadzeniowymi pod nimi, prawie niewidocznymi urządzeniami do montażu powierzchniowego (SMT), a także kompletnymi modułami o częstotliwości radiowej (RF) czy modułami procesorowymi.

Mamy jednak dobrą wiadomość w postaci warsztatowych narzędzi rozwojowych, które pozwalają na tworzenie podstawowych płytek prototypowych oraz łączenie ich z oddzielnymi modułami podobwodów. Korzystając z omawianych systemów płytek prototypowych, hobbyści, twórcy, entuzjaści majsterkowania i inżynierowie mogą budować, testować oraz integrować podsekcje całego produktu w kompletną i funkcjonalną całość.

W artykule omówiono podstawowe zagadnienia związane z wykorzystaniem płytek prototypowych do łączenia nowoczesnych komponentów elektronicznych. Następnie przybliżono sposób, w jaki adaptery i zestawy płytek prototypowych od dostawców, takich jak Aries Electronics, Schmartboard Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties czy Phase Dock Inc. mogą stanowić podstawę dla prototypów, które bardziej przypominają produkt końcowy.

Artykuł pokazuje też, w jaki sposób omawiane produkty ułatwiają budowę użytecznych, niezawodnych płytek prototypowych, które mogą pomóc w sprawdzaniu topologii obwodów i interfejsów, umożliwiają w razie potrzeby połączenie z niezależnymi modułami i płytkami ewaluacyjnymi oraz otwierają drogę ku solidnym prototypom.

Skąd wzięły się płytki prototypowe w elektronice?

Określanie wyglądających surowo lub nawet prymitywnie płytek prototypowych angielskim terminem „breadboard” (co znaczy po angielsku „deska do krojenia„) może wydawać się tajemnicze, ale pochodzenie jest jasne i dobrze udokumentowane. We wczesnych dniach elektroniki, domowi eksperymentatorzy i majsterkowicze budowali radia kryształkowe, a nawet lampowe na prawdziwej drewnianej desce używanej do krojenia chleba. Jako punktów połączeń używali pinezek lub gwoździ i owijali wokół nich przewody, czasami nawet lutując połączenia (ilustracja 1).

Ilustracja 1: termin „breadboard” wywodzi się z zastosowania drewnianej deski do krojenia jako podstawy do obwodów elektronicznych domowej roboty, takich jak to radio z trzema lampami. (Źródło ilustracji: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Oczywiście drewniane deski jako platformy do obwodów z nowoczesnymi komponentami są przestarzałe. Mimo to w języku angielskim słowo „breadboard” stało się standardowym terminem kojarzonym z podstawowymi demonstracyjnymi obwodami lub podobwodami. Jednak postęp w technologii elektronicznej, od lamp próżniowych do tranzystorów dyskretnych z odprowadzeniami i komponentów pasywnych, układów scalonych typu DIP, a teraz do prawie niewidocznych urządzeń do montażu powierzchniowego, wywarł znaczący wpływ na techniki i platformy prototypowe.

Jaka jest różnica między płytką prototypową a prototypem

Oczywiste pytanie dotyczy różnicy między płytką prototypową a prototypem. Nie ma między nimi formalnego rozgraniczenia, a terminy są czasami używane zamiennie. Jednak większość inżynierów używa terminu „płytka prototypowa”, aby podkreślić surowy charakter układu obwodu lub podobwodu, który musi ułatwiać wstępne fazy projektowania, w tym:

• Sprawdzanie wykonalności podstawowego pomysłu na obwód, funkcji lub podejścia projektowego.
• Opracowywanie i weryfikacja sterowników oprogramowania.
• Zapewnianie kompatybilności interfejsów między podobwodami lub między obwodem a przetwornikiem lub odbiornikiem.
• Opracowywanie protokołów i formatów łączy danych.
• Opracowywanie i weryfikacja założonego modelu.
• Ocena obwodu i parametrów działania.

Na powyższej liście łatwo dostrzec wiele ważnych ról, jakie odgrywa płytka prototypowa w projektowaniu produktu, mimo że nie jest to kompletny system i brakuje w nim obudowy oraz wielu detali końcowego produktu. Na przykład płytka prototypowa często opiera się na zewnętrznym, a nie wewnętrznym zasilaniu gotowego produktu. Ze względu na szeroki i otwarty układ, na płytce prototypowej zwykle łatwo można wykonywać pomiary, regulacje, a nawet wymianę komponentów. Jednak fizyczne realia takiego rozległego układu oznaczają, że niektóre możliwości wydajnościowe są niedostępne, szczególnie te związane z działaniem przy wyższych częstotliwościach, ze względu na pasożytnicze oddziaływania oraz interakcje układu i komponentów.

Prototyp z kolei jest znacznie bliższy produktowi końcowemu i ma te same komponenty, obudowę, kształt i wejścia/wyjścia użytkowe. Oprócz tego, że jest kompletny pod względem funkcjonalnym, prototyp jest często używany do sprawdzania problemów produkcyjnych, takich jak np. związane z odległościami fizycznymi i montażem, ścieżkami termicznymi, interakcją z użytkownikiem oraz atrakcyjnością wizualną i wyglądem.

Zacznijmy od podstawowych adapterów

Dzisiejsze płytki prototypowe wymagają możliwości łączenia się z małymi układami scalonymi, które dominują w nowoczesnych konstrukcjach, oraz korzystania z nich. Na przykład sześcioodprowadzeniowy układ scalony SOT-23 można przylutować do większej płytki drukowanej, ale wykonanie, a zwłaszcza zamiana połączeń z urządzeniem będzie utrudniona ze względu na jego małe rozmiary i mały raster wyprowadzeń. Sytuacja jest trudniejsza, gdy układ scalony ma tylko spodnie pola lutownicze.

Jednym z rozwiązań jest użycie urządzenia takiego jak adapter gniazda LCQT-SOT23-6 firmy Aries Electronics. Przekształca on układ SOT-23 w obudowę DIP z sześcioma wyprowadzeniami (ilustracja 2). Gdy układ SOT-23 wygląda jak układ DIP z odstępem między odprowadzeniami wynoszącym 2,54mm, może być używany z jedną z płytek prototypowych zaprojektowanych dla większych urządzeń DIP.

Ilustracja 2: adapter gniazda LCQT-SOT23-6 przekształca maleńką, trudną w obsłudze obudowę SOT-23 z sześcioma wyprowadzeniami w znacznie łatwiejsze w zarządzaniu urządzenie DIP ze standardowym odstępem między wyprowadzeniami. (Źródło ilustracji: Aries Electronics)

W wielu projektach wykorzystuje się szereg komponentów SMT o różnych rozmiarach obudów i konfiguracjach wtyków. W takich sytuacjach wiele adapterów z jednym gniazdem układu scalonego może stać się nieporęcznymi w obsłudze i podłączaniu. Płytka adaptera 202-0042-01 QFN firmy Schmartboard może zminimalizować potencjalny zamęt (ilustracja 3). Do tej płytki o wymiarach 5×5cm można podłączyć do pięciu różnych układów scalonych posiadających 16 i 28 wtyków o rastrze 0,5mm, 20 wtyków o rastrze 0,65mm oraz 12 i 16 wtyków o rastrze 0,8mm (dla urządzeń QFN).

Ilustracja 3: przykładowa płytka adaptera 202-0042-01-QFN umożliwia lutowanie na płytce i przerywanie połączeń dla wielu obudów układów scalonych SMT. (Źródło ilustracji: Schmartboard)

Płytka 202-0042-01-QFN wykorzystuje opatentowaną technologię umożliwiającą szybkie, łatwe i bezproblemowe ręczne lutowanie tych niewielkich elementów do montażu powierzchniowego. Ponadto wiele otworów metalizowanych powiązanych z poszczególnymi wtykami układu scalonego ułatwia w razie potrzeby łączenie stałych elementów ze sobą lub z innymi urządzeniami i płytkami.

Czasami wyzwaniem związanym z płytką prototypową nie jest połączenie z układem scalonym, ale raczej dostęp do wtyków kabla lub złącza urządzenia peryferyjnego i ich monitorowanie. Na przykład: gdy 25-wtykowe złącze RS-232 było dominującym interfejsem komunikacyjnym, „skrzynka rozdzielcza” z wyłącznikami i zaciskami mostkowymi dla większości styków była tak samo powszechna jak multimetr (ilustracja 4).

Ilustracja 4: ta skrzynka rozdzielcza RS-232 jest niezbędna do monitorowania i zmiany układu przewodów w 25-wtykowym kablu tego wcześniej bardzo szeroko stosowanego złącza i standardu. (Źródło ilustracji: Wikipedia)

Chociaż wspomniane skrzynki RS-232 są obecnie rzadko potrzebne, istnieje analogiczna potrzeba funkcji rozdzielczej dla urządzeń peryferyjnych, takich jak karty Micro SD. Przydatnym adapterem do realizacji tej funkcji jest płytka breakout 254 do kart Micro SD firmy Adafruit Industries, która umożliwia projektantom podłączanie zarówno do złączy interfejsu sprzętowego, jak i oprogramowania sterownika dla tych powszechnie używanych kart pamięci, a także ich testowanie i weryfikację (ilustracja 5).

Ilustracja 5: używając płytki breakout 254 do kart Micro SD firmy Adafruit, projektanci mogą łatwo podłączać się do sygnałów między procesorem systemowym a peryferyjnym urządzeniem pamięci oraz uzyskiwać do nich dostęp i je monitorować. (Źródło ilustracji: Adafruit)

Płytka zawiera regulator o ultraniskim spadku napięcia do konwersji napięć z wartości w zakresie od 3,3V do 6V na napięcie 3,3V dla karty Micro SD oraz translator napięć logicznych do konwersji logiki interfejsu (od 3,3V do 5V) do wartości 3,3V, dzięki czemu płytka może łączyć się z mikrokontrolerami 3,3V lub 5V. Do adaptera można przylutować oddzielną listwę, aby wyprowadzić połączenia na styki rozmieszczone w rastrze 2,54mm.

Wyjście poza adaptery

Adaptery mogą rozwiązać problemy z podłączaniem poszczególnych komponentów, ale to tylko elementy składowe ostatecznego projektu. Dostępne teraz komponenty muszą łączyć się z innymi aktywnymi i pasywnymi komponentami, obsługiwać interfejsy wejścia/wyjścia (I/O), umożliwiać wymianę komponentów i zapewniać formalne punkty testowe, a nawet nieprzewidziane sondowanie.

Jedną z pierwszych płytek prototypowych, które pozwalały na łatwą i bezpośrednią obsługę urządzeń w obudowach DIP (dual-in-line), a także dyskretnych komponentów z wyprowadzeniami, była bezlutowa płytka prototypowa, opracowana w latach 60. XX wieku, która nadal pozostaje w powszechnym użyciu. Jest wygodna, dostępna, łatwa w użyciu i obsługuje rozsądną gęstość komponentów.

Przykładem jest zasilany z zewnątrz zespół bezlutowej płytki prototypowej PB-104M firmy Global Specialties, który doskonale nadaje się do prototypowania obwodów niskiej częstotliwości (ilustracja 6). Jest zamontowany w ramie o wymiarach 21×24cm (9,45" × 8,27") i zawiera 3220 punktów połączeniowych, cztery śruby zaciskowe do podłączania zasilaczy i obsługuje 28 16-wtykowych układów scalonych. Mostki są wykonywane z drutu o średnicy od 0,4mm do 0,7mm pozbawionego izolacji na końcu. Kluczem do uniwersalności tej płytki prototypowej jest to, że otwory są oddalone od siebie o 2,54mm, aby pomieścić oprócz przewodów standardowe komponenty DIP, a także styki adapterów i listew.

Ilustracja 6: zespół bezlutowej płytki prototypowej PB-104M firmy Global Specialties obsługuje wiele układów scalonych DIP, adaptery o rozmiarach DIP, elementy dyskretne z odprowadzeniami przewodowymi oraz pojedyncze mostki drutowe. (Źródło ilustracji: Global Specialties)

W praktyce bezlutowa płytka prototypowa jest platformą, którą można wykorzystać tam, gdzie układy scalone DIP i inne komponenty są połączone za pomocą krótkich kawałków drutu litego włożonych do otworów, które również łączą się z wyprowadzeniami komponentów. Dwie zewnętrzne szyny wzdłuż każdego boku są zwykle zarezerwowane dla zasilania oraz masy i zasilają komponenty czynne za pomocą krótkich przewodów zasilających (ilustracja 7).

Ilustracja 7: w bezlutowej płytce prototypowej dwie zewnętrzne szyny wzdłuż każdego boku są zwykle zarezerwowane dla zasilania i masy. Krótkie przewody zasilające łączą szyny z komponentami czynnymi. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ważne jest, aby podczas korzystania z bezlutowej płytki prototypowej zachować pewną dyscyplinę. Dobrym pomysłem jest na przykład używanie oznaczeń kolorystycznych, aby ułatwić identyfikację przewodów, na przykład czerwony dla szyny dodatniej, czarny dla szyny ujemnej i zielony dla masy. Ponadto użytkownicy muszą uważać, aby ułożyć przewody mostkowe płasko na płycie, aby zminimalizować bałagan, i poprowadzić mostki połączeń wokół układów scalonych, a nie nad nimi, aby układy scalone można było sondować, a nawet wymieniać przy minimalnych zakłóceniach. W przeciwnym razie bezlutowa płytka prototypowa - podobnie jak wiele innych „prowizorycznych” implementacji, może stać się prawdziwą stajnią Augiasza i być bardzo trudna do debugowania lub śledzenia (ilustracja 8).

Ilustracja 8: w przypadku bezlutowej płytki prototypowej zawsze podczas instalowania mostków potrzebne są dbałość i dyscyplina. W przeciwnym razie powstałaby plątanina trudnych do odszyfrowania przewodów. (Źródło ilustracji: Wikipedia)

Płytki prototypowe do współczesnych projektów

Bezlutowe płytki prototypowe są nadal szeroko stosowane ze względu na wygodę, elastyczność i wszechstronność, ale przy nowoczesnych konstrukcjach działających z wysokimi częstotliwościami, w tym również częstotliwościami taktowania, w ramach których często łączy się wstępnie zmontowane płytki komputerowe, obwody i moduły o częstotliwości radiowej oraz moduły zasilania, uwidaczniają się istotne ograniczenia. Aby sobie z nimi poradzić, potrzebny jest układ, który umożliwia integrację wielu płytek prototypowych, platform prototypowych i podzespołów w większą jednostkę, która mogłaby następnie obsługiwać pełną funkcjonalność systemu.

Jedną z takich płytek prototypowych jest system montażowo-prototypowy 10104 firmy Phase Dock (ilustracja 9). Rdzeń systemu składa się z matrycy podstawowej o wymiarach 25,4×17,8cm z powierzchnią roboczą 348cm2, pięciu zatrzasków w dwóch rozmiarach służących do montażu elektroniki, a także „suwaków” służących do montażu modułów Arduino, Raspberry Pi lub podobnych. Zawiera również małe elementy mocujące, takie jak wkręty, które umożliwiają inżynierowi montaż zestawów zatrzaskowo-przesuwnych, montaż elektroniki na suwakach, montaż elektroniki bezpośrednio do zatrzasków (bez suwaków), dodawanie „stosów” elektroniki o wyższym profilu i zarządzanie przewodami i kablami. Dostępna jest również opcjonalna przezroczysta plastikowa osłona, która zapewnia ochronę, poprawia wygląd i ułatwia transport.

Ilustracja 9: podstawowy system montażowo- prototypowy 10104 firmy Phase Dock zawiera matrycę bazową (u góry), zatrzaski do montażu elektroniki (środkowy rząd), suwaki do korzystania z Arduino i podobnych platform (dolny rząd) oraz wszystkie ważne elementy montażowe (dolny rząd - po lewej). (Źródło ilustracji: Phase Dock, Inc.)

Ten system rozwojowy produktu pozwala na łączenie na jednej platformie, różnych technologii płytek prototypowych i modułów, takich jak bezlutowe płytki prototypowe, płytki specjalistyczne z zaciskami śrubowymi i złączami, platformy procesorowe, takie jak RedBoards firmy SparkFun, a nawet wsporniki trzymające dyskretne przełączniki i potencjometry (ilustracja 10). Wszystkie są mocno przytwierdzone do podstawy firmy Phase Dock, a następnie podłączane w razie potrzeby w celu przetestowania koncepcji systemu i debugowania jej. Zapewniono też niezbędny dostęp do kluczowych sygnałów i punktów testowych.

Ilustracja 10: system firmy Phase Dock pozwala na montaż i łączenie ze sobą różnych elementów systemu, m.in. bezlutowych płytek prototypowych (białe), specjalnych płytek PC (zielone) i platform procesorowych, takich jak np. Redboards firmy SparkFun (czerwone), uzyskując zautomatyzowany system kontrolera. (Źródło ilustracji: Phase Dock, Inc.)

Płytki ewaluacyjne dostawców wykorzystują płytki prototypowe

Wysokowydajne układy scalone - zwłaszcza te używane do sygnałów o niskim poziomie, precyzyjnego wzmacniania lub przetwarzania sygnału o częstotliwości radiowej - praktycznie zawsze są obecnie oferowane w zestawie z płytkami lub zestawami ewaluacyjnymi. Jest to konieczne, ponieważ skonfigurowanie tak zaawansowanych komponentów w celu sprawdzenia ich parametrów działania w docelowym zastosowaniu i zintegrowanie ich z resztą systemu wymaga użycia odpowiednich komponentów pomocniczych (głównie pasywnych) oraz starannego rozplanowania układu i połączeń. Zadaniem projektantów jest jak najlepiej wykorzystać te płytki ewaluacyjne, ponieważ mogą one w odniesieniu do końcowego projektu być znacznym ułatwieniem, jak i utrudnieniem.

Rozważmy płytkę ewaluacyjną zaprojektowaną do pełnego wykorzystania komponentu. Zawiera ona dodatkowe komponenty pomocnicze, takie jak pamięć, lokalne regulatory prądu stałego, a czasami nawet mikrokontroler. Komponenty te mogą być potrzebne do samodzielnej analizy, jednak mogą również zakłócać rzeczywiste użycie przedmiotowego układu scalonego w przygotowywanym przez inżyniera projekcie produktu.

Z drugiej strony wiele tego typu płytek ewaluacyjnych zawiera komponenty, takie jak np. niezbędne złącza specjalistyczne. Korzystanie z płytki ewaluacyjnej zwalnia projektanta z konieczności przerabiania obwodów („wynajdywania koła na nowo”). Dobrze wykonany i właściwie udokumentowany projekt płytki ewaluacyjnej jest zwykle tak samo dobry, a nawet lepszy niż obwód stworzony przez kogoś u sprzedawcy, który może być dobrze zaznajomiony z układem scalonym.

Wyzwaniem dla projektanta jest zatem rozpoznanie i wykorzystanie zalet płytki ewaluacyjnej dostarczonej przez dostawcę w układzie płytki prototypowej. Rozważmy „mały” układ scalony, taki jak np. ADL6012 firmy Analog Devices, który jest szerokopasmowym detektorem obwiedni o częstotliwości od 2 do 67GHz, o szerokości pasma 500MHz. Podstawowe połączenie tej 10-odprowadzeniowej obudowy CSP (chip scale package) z ramką wyprowadzeniową wygląda dość prosto na schemacie, ale rzeczywiste użycie jest trudniejsze, ponieważ wymaga starannego rozplanowania, zastosowania obejść i wysokiej klasy złączy o częstotliwości radiowej (ilustracja 11).

Ilustracja 11: podłączanie i używanie szerokopasmowego detektora obwiedni ADL6012 firmy Analog Devices wygląda dość prosto „na papierze”, ale istnieje wiele niuansów związanych z projektem i układem. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dla projektantów, którzy chcą włączyć ten układ scalony o częstotliwości radiowej do swojego projektu, sensowne jest najpierw zrozumienie jego cech, przetestowanie jego interfejsów i „dostrojenie” go do całego projektu poprzez wykorzystanie płytki ewaluacyjnej ADL6012-EVALZ na etapie pracy z płytką prototypową, przed wykonaniem ostatecznego schematu oraz opracowaniem układu i obudowy (ilustracja 12).

Ilustracja 12: płytka ewaluacyjna ADL6012-EVALZ uwalnia projektanta od wielu subtelnych zawiłości projektowania z użyciem omawianego prostego, ale wyrafinowanego układu scalonego. Zastosowanie jej w połączeniu z płytką prototypową minimalizuje czas opracowywania produktu i frustrację. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wyzwaniem jeśli chodzi o płytkę prototypową jest fizyczna możliwość wykorzystania płytki ewaluacyjnej, dodanie zasilaczy i zapewnienie wzmacniacza wejściowego o częstotliwości radiowej i określonego różnicowego odbiornika wyjściowego, wraz z dowolnym procesorem i interfejsami dla fazy przedprototypowej prowadzącej do konfiguracji prototypowego produktu. Wykonanie tego będzie wymagało połączenia różnych technik, platform i podejść do tworzenia nowych rozwiązań.

Podsumowanie

Adaptery i płytki breakout umożliwiają projektantom integrację, łączenie, testowanie i ocenę maleńkich, często bezodprowadzeniowych komponentów, które są standardem w prawie wszystkich nowoczesnych produktach. Nowsze iteracje wykraczają poza wciąż powszechnie stosowaną bezlutową płytkę prototypową i umożliwiają łączenie i dopasowywanie ze sobą różnych komponentów, modułów i innych zespołów. Zwiększają one wytrzymałość fizyczną, minimalizują nieestetyczne, podatne na błędy i zawodne elementy mocujące oraz przewody. Korzystanie z tych adapterów i płytek prototypowych przyspiesza fazę testowania i debugowania oraz prowadzi do uzyskania wykonalnych prototypów w krótszym czasie.