Rätt adaptrar och satser möjliggör flexibel och effektiv användning av kopplingsdäck med moderna komponenter

Tack vare den utbredda användningen av små passiva och aktiva enheter och kretsar som arbetar med frekvenser långt upp i GHz-området är det en allt svårare och ofta frustrerande utmaning att skapa och utvärdera en kretsdesign innan man skapar ett kretskort, och sedan går vidare till en nästan färdig prototyp. De satser med kopplingsdäck och tekniker som fungerade för enheter med stift och integrerade kretsar i DIP-kapsling (dual in-line package) är inte kompatibla med dagens kretskapslingar med hög täthet, anslutningsplattor under kapslingen och nästan osynliga ytmonterade enheter, likväl som kompletta RF- och processormoduler.

Det finns dock goda nyheter i form av bänkbaserade utvecklingsverktyg som gör det möjligt att skapa grundläggande kopplingsdäck och ansluta dessa till separata moduler med underordnade kretsar. Med hjälp av dessa kopplingsdäckssystem kan hobbyister, tillverkare, gör-det-själv-entusiaster (DIY) och professionella konstruktörer bygga, testa och integrera delar av den övergripande produkten i en komplett och funktionell enhet.

Artikeln behandlar de grundläggande frågorna vid användning av kopplingsdäck och moderna elektronikkomponenter. Därefter beskrivs hur adaptrar och satser med kopplingsdäck från leverantörer som t.ex. Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties och Phase Dock, Inc. kan användas som grund för prototyper som mer liknar slutprodukten.

Slutligen visar den hur dessa förenklar konstruktionen av användbara, tillförlitliga kopplingsdäck som kan validera kretsarnas topologier och gränssnitt, möjliggöra anslutning till oberoende moduler och utvärderingskort efter behov och leda fram till meningsfulla prototyper.

Var kommer kopplingsdäcket för elektronik ifrån?

Användningen av termen "kopplingsdäck" för en krets som ser primitiv eller till och med grov ut kan verka mystisk, men ursprunget är tydligt och väldokumenterat. I elektronikens tidiga dagar, med självförsörjande kristallradioapparater och till och med enkla radioapparater med vakuumrör, byggde DIY-experimentörer och tillverkare (innan det ordet användes i dagens sammanhang) kretsar på en faktisk skärbräda, den träbräda som användes för att skära bröd. De använde nålar eller spikar som anslutningspunkter och lindade trådarna kring dessa, ibland till och med genom att löda dessa anslutningar (figur 1).

Figur 1: Begreppet "kopplingsdäck" härstammar från användningen av en skärbräda av trä som stomme för elektroniska gör-det-själv-kretsar, som exempelvis den här radion med tre rör. (Bildkälla: Warren Young/Tangentsoft.net)

Naturligtvis är dessa skärbrädor av trä föråldrade som plattformar för kretsar med moderna komponenter. Trots detta har termen "kopplingsdäck" blivit ett standardbegrepp som förknippas med grovt byggda demonstrationskretsar eller delkretsar. Den elektroniska teknikens utveckling från vakuumrör till diskreta transistorer och passiva komponenter, DIP-kretsar och nu nästan osynliga ytmonterade enheter, har dock haft en betydande inverkan på användningen av kopplingsdäck och plattformar.

Vad är skillnaden mellan ett kopplingsdäck och en prototyp?

En uppenbar fråga berör skillnaden mellan ett kopplingsdäck och en prototyp. Det finns ingen formell gräns mellan de två, och begreppen används ibland synonymt. Men, de flesta konstruktörer använder dock termen kopplingsdäck för att beteckna en grov layout av en krets eller delkrets som behövs som stöd i preliminära konstruktionsfaser, inklusive:

• Kontroll av om en grundläggande kretsidé, funktion eller konstruktionsmetod är genomförbar.
• Utveckling och kontroll av mjukvarudrivrutiner.
• Säkerställande av kompatibilitet i gränssnitten mellan delkretsar eller mellan en krets och en givare eller belastning.
• Utarbetande av protokoll och format för datalänkar.
• Utveckling och verifiering av en förmodad modell.
• Utvärdering av krets- och funktionsprestanda.

Utifrån listan ovan är det lätt att se de många viktiga roller som kopplingsdäcket spelar i produktkonstruktionen, även om den inte är ett komplett system och saknar förpackningen och många av de "extrafunktioner" som finns i den färdiga produkten. Ett kopplingsdäck är exempelvis ofta beroende av en extern strömförsörjning i stället för den interna strömförsörjningen i den färdiga produkten. Tack vare sin breda och öppna layout är kopplingsdäcket vanligtvis enkelt att mäta på, justera och till och med byta ut komponenter på. De fysiska realiteterna med en sådan utspridd layout innebär dock att en del av prestandafunktionerna är otillgängliga, särskilt de som är förknippade med högre frekvenser, på grund av att layout och komponenter parasiterar på och interagerar med varandra.

I motsats till en prototyp som ligger betydligt närmare slutprodukten och använder samma komponenter, kapsling, format och användargränssnitt. Förutom att vara funktionellt komplett används en prototyp ofta för att kontrollera tillverkningsproblem, som t.ex. fysiska avstånd och monteringsproblem, värmevägar, användarinteraktion samt visuell attraktion och utseende.

Börja med grundläggande adaptrar

Dagens kopplingsdäck måste kunna ansluta till och använda de små integrerade kretsar som dominerar moderna konstruktioner. Det är exempelvis möjligt att löda en integrerad SOT-23 krets med sex anslutningar på ett större kretskort, men det kommer att vara svårt att göra - och framför allt ändra - anslutningar till enheten på grund av dess ringa storlek och smala ledaravstånd. Situationen blir ännu mer utmanande när kretsen endast har stödkuddar under kapslingen.

En lösning är att använda en enhet som sockeladaptern LCQT-SOT23-6 från Aries Electronics. Den omvandlar en SOT-23 till en DIP-kapsling med sex stift (figur 2). När SOT-23-enheten ser ut som en DIP-enhet med 0,1 tum ledaravstånd kan den användas med någon av de kopplingsdäckslösningar som är avsedda för större DIP-enheter.

Figur 2: sockeladaptern LCQT-SOT23-6 förvandlar en liten, svårhanterlig SOT-23 kapsling med sex ledningar till en betydligt mer lätthanterlig DIP-enhet med vanligt DIP-stiftavstånd. (Bildkälla: Aries Electronics)

Många konstruktioner använder en mängd ytmonterade komponenter med olika storlekar och stiftkonfigurationer. I dessa situationer kan flera adaptrar för enkelkretsar bli otympliga att hantera och koppla samman. Adapterkortet 202-0042-01 QFN från Schmartboards kan minimera den potentiella förvirringen (figur 3). Det här kretskortet på 2 × 2 tum kan hantera upp till fem olika integrerade kretsar med 16 och 28 stift med 0,5 mm stiftavstånd, 20 stift med 0,65 mm avstånd och 12 och 16 stift med 0,8 mm avstånd (för QFN-enheter).

Figur 3: Ett adapterkort som 202-0042-01-QFN möjliggör lödning på kortet och utbrytning av anslutningar för flera ytmonterade kretspaket. (Bildkälla: Schmartboard)

202-0042-01-QFN använder en patenterad teknik för att möjliggöra snabb, enkel och problemfri manuell lödning av dessa små ytmonterade komponenter. Dessutom gör de många pläterade genomgående hålen som hör samman med varje krets, att det är lätt att ansluta de inbyggda komponenterna till varandra, om så önskas, eller till andra enheter och kort.

Ibland är utmaningen med ett kopplingsdäck inte att ansluta till en krets utan att komma åt och övervaka stift i en kabel eller en kontakt i en kringutrustning. När exempelvis, RS-232-kontakten med 25 stift var det dominerande kommunikationsgränssnittet var en "breakout box" med av/på-omkopplare och byglingsfält för de flesta av stiften lika vanlig som en multimeter (figur 4).

Figur 4: Denna breakout box för RS-232 är nödvändig för att övervaka och koppla om trådarna i 25-stiftskabeln i den tidigare mycket allmänt använda kontakten och standarden. (Bildkälla: Wikipedia)

Även om dessa breakout boxar för RS-232 sällan behövs nu, finns det ett motsvarande behov av utbryningsfunktioner för kringutrustning såsom Micro SD-kort. En användbar adapter för denna funktion är breakout boxen 254 för MicroSD-kort från Adafruit Industries som gör det möjligt för konstruktörer att ansluta till, testa och verifiera både hårdvarugränssnittets anslutningar och drivrutinerna för dessa allmänt använda minneskort (figur 5).

Figur 5: Med hjälp av breakout boxen Adafruit 254 för Micro SD-kort kan konstruktörer enkelt ansluta till, få tillgång till och övervaka signaler mellan en systemprocessor och denna externa minnesenhet. (Bildkälla: Adafruit)

Kortet innehåller en regulator med extremt lågt bortfall för att konvertera spänningar mellan 3,3 V och 6 V ner till 3,3 V för Micro SD-kortet, och en nivåskiftare för att konvertera gränssnittets logik (3,3 V till 5 V) till 3,3 V så att kortet kan anslutas till mikrokontroller som använder 3,3 V eller 5 V. Den separata kontakten kan lödas in i adaptern för att få ut anslutningarna på stift med ett avstånd på 0,1 tum.

Att röra sig bortom adaptrar

Adaptrar kan lösa problem med anslutning till enskilda komponenter, men de är bara byggstenar i den slutliga konstruktionen. De nu tillgängliga komponenterna måste anslutas till andra aktiva och passiva komponenter, ha stöd för I/O-gränssnitt, möjliggöra utbyte av komponenter och ge möjlighet till formella testpunkter och även oförutsedda mätningar.

Ett av de första kopplingsdäcken som enkelt och direkt kunde ta emot enheter i DIP-kapsling och diskreta komponenter med ledningar var det lödfria kopplingsdäcket, som utvecklades på 1960-talet och fortfarande används flitigt. Det är bekvämt, tillgängligt, lätt att använda och stödjer en rimlig komponenttäthet.

Ett exempel är det lödningsfria kopplingsdäcket PB-104M med extern strömförsörjning från Global Specialties, som är väl lämpat för prototypkonstruktioner av lågfrekventa kretsar (figur 6). Det är monterat i en ram på 21 × 24 cm och innehåller 3 220 kopplingspunkter, fyra bindningsstolpar för anslutning av strömförsörjning och stöd för 28 st. kretsar med 16 stift. Nyckeln till det här kopplingsdäckets mångsidighet är att hålen har ett avstånd på 0,1 tum från varandra för att rymma vanliga DIP-komponenter samt stiften i adaptrar och kontakter, utöver trådledningar.

Figur 6: Det lödningsfria kopplingsdäcket PB-104M från Global Specialties har plats för flera integrerade DIP-kretsar, adaptrar för DIP-format, diskreta komponenter med trådledningar och enskilda trådbyglar. (Bildkälla: Global Specialties)

Vid användning är det lödningsfria kopplingsdäcket en anslutningsbar plattform där DIP-kretsar och andra komponenter ansluts med hjälp av korta bitar kopplingstråd som förs in i hålen och som även ansluts till komponentens ledningar. De två yttre skenorna längs varje sida är vanligtvis reserverade för ström och jord, och försörjer de aktiva komponenterna via korta matartrådar (figur 7).

Figur 7: På ett lödningsfritt kopplingsdäck är de två yttre skenorna längs varje sida vanligtvis reserverade för ström och jord. Korta matarledningar ansluter skenorna till de aktiva komponenterna. (Bildkälla: Analog Devices)

Det är viktigt att upprätthålla en viss disciplin vid användning av ett lödningsfritt kopplingsdäck. Det är exempelvis en bra idé att använda färgkodning för att identifiera ledningarna, till exempel rött för en positiv skena, svart för en negativ skena och grönt för jord. Användarna måste också se till att lägga byglingsledningarna plant på kretskortet för att minska röran, och leda byglingsledningarna runt de integrerade kretsarna istället för över dem så att det går att mäta på och byta ut de integrerade kretsarna med minimal påverkan. Annars kan det lödningsfria kopplingsdäcket, som så många andra "tillfälliga" implementationer, bli ett "råttbo" och väldigt svårt att felsöka och spåra (figur 8).

Figur 8: Omsorg och disciplin krävs när du installerar byglingsledningarna för allt annat än det minsta av projekt på ett lödningsfritt kopplingsdäck, annars blir resultatet en labyrint av oöverskådliga kablar. (Bildkälla: Wikipedia)

Ett kopplingsdäck för nutidens konstruktioner

Det lödningsfria kopplingsdäcket används fortfarande i stor utsträckning tack vare sin bekvämlighet, flexibilitet och mångsidighet, men det har allvarliga begränsningar för moderna konstruktioner som arbetar med höga klockhastigheter och frekvenser, som ofta kombinerar förmonterade datorkort, RF-kretsar och moduler samt strömförsörjningsmoduler. För att tillgodose dessa behov behövs ett system som gör det möjligt att integrera flera kopplingsdäck, prototypplattformar och delenheter i en större enhet som sedan kan stödja det färdiga systemets funktionalitet.

Ett sådant kopplingsdäck är prototypmonteringssystemet Phase Dock 10104 (figur 9). Ett huvudsystem består av en grundmatris på 10 × 7 tum med en arbetsyta på 54 kvadrattum, fem "Clicks" i två storlekar som används för att montera elektronik, samt "Slides" som används för att montera Arduino, Raspberry Pi eller liknande moduler. Det innehåller även små hårdvaruobjekt som skruvar som gör det möjligt för konstruktören att montera kombinationer av Clicks och Slides, montera elektronik på Slides, montera elektronik direkt på Clicks (utan Slides), lägga till elektronik med högre profil i ett "torn" och hantera ledningar och kablar. Det finns även ett tillval i form av ett genomskinligt plasthölje som skyddar, förbättrar utseendet och underlättar transporten.

Figur 9: Det grundläggande prototypmonteringssystemet Phase Dock 10104 innehåller en basmatris (överst), Clicks för montering av elektronik (mellersta raden), Slides för användning av Arduino och liknande plattformar (nedersta raden) och den viktiga monteringshårdvaran (nedersta raden till vänster). (Bildkälla: Phase Dock, Inc.)

Prototypmonteringssystemet gör det möjligt att på en enda plattform blanda olika typer av kopplingsdäck och moduler, som t.ex. lödningsfria kopplingsdäck, specialkopplingsdäck med skruvanslutningar och kontakter, processorplattformar såsom SparkFuns RedBoards och till och med monteringsfästen för diskreta omkopplare och potentiometrar (figur 10). De monteras stadigt på Phase Dock-basen och ansluts sedan vid behov för att testa systemkonceptet och felsöka det med nödvändig tillgång till viktiga signaler och testpunkter.

Figur 10: Systemet Phase Dock har stöd för blandning och matchning av systemelement som lödningsfria kopplingsdäck (i vitt), specialkretskort (gröna) och processorplattformar som SparkFuns Redboards (röda) för detta automatiserade styrsystem. (Bildkälla: Phase Dock, Inc.)

Leverantörens utvärderingskort använder kopplingsdäck

Högeffektiva integrerade kretsar – i synnerhet de som används för lågnivåsignaler, precisionsförstärkning eller behandling av RF-signaler – erbjuds nu nästan alltid med utvärderingskort eller -satser. Detta är nödvändigt eftersom det krävs lämpliga kringkomponenter (mestadels passiva komponenter) för att konfigurera sådana avancerade komponenter för att kontrollera deras prestanda i måltillämpningen, och integrera dem med resten av systemet, samt noggrann layout och anslutningar. Problemet för konstruktörerna är hur de bäst ska arbeta med dessa utvärderingskort, eftersom deras användbarhet för den slutliga systemkonstruktionen varierar från mycket användbara till ett hinder.

Tänk på ett utvärderingskort som är utformat för att utvärdera en komponent fullt ut. Som sådan innehåller den ytterligare kringkomponenter, som t.ex. minne, lokala DC-DC-regulatorer och kanske till och med en mikrokontroller. Även om dessa komponenter kan behövas för en fristående utvärdering, kan de också störa den faktiska användningen av den aktuella integrerade kretsen i konstruktörens produktkonstruktion.

Å andra sidan, har många av dessa utvärderingskort komponenter som den nödvändiga specialkontakten. Genom att använda utvärderingskortet slipper konstruktören göra om kretsen ("återuppfinna hjulet"). En välgjord och korrekt dokumenterad konstruktion på ett utvärderingskort är vanligtvis lika bra eller bättre än en krets som skapats av någon hos leverantören som kan vara väl förtrogen med den integrerade kretsen.

Konstruktörens utmaning är därför att känna igen och utnyttja fördelarna med det utvärderingskort som leverantören tillhandahåller med sitt kopplingsdäck. Tänk dig en "liten" integrerad krets som t.ex. ADL6012 från Analog Devices, en bredbandig kuvertdetektor med en bandbredd på 500 megahertz (MHz) och en frekvens på 2 till 67 GHz. Den grundläggande sammankopplingen av denna LFCSP med tio ledare ser ganska enkel ut i kretsschemat, men den faktiska användningen är svårare eftersom den kräver en noggrann layout, förbikoppling och avancerade RF-kontakter (figur 11).

Figur 11: Anslutning och användning av den bredbandiga kuvertdetektorn ADL6012 från Analog Devices kan se enkel ut "på pappret", men det finns många finesser i design och layout. (Bildkälla: Analog Devices)

För konstruktörer som vill införliva denna integrerade RF-krets i sin konstruktion är det klokt att först förstå dess egenskaper, testa dess gränssnitt och "finjustera" dess lämplighet i det övergripande projektet genom att använda utvärderingskortet ADL6012-EVALZ i kopplingsdäcksstadiet, innan man skapar ett slutgiltigt schema och arbetar med layout och paketering (figur 12).

Figur 12: Utvärderingskortet ADL6012-EVALZ befriar konstruktören från de många små detaljerna i konstruktionen av denna enkla men ändå sofistikerade integrerade krets, genom att införliva den i ett kopplingsdäck minimeras produktutvecklingstiden och frustrationen. (Bildkälla: Analog Devices)

Utmaningen med kopplingsdäck är att fysiskt möjliggöra användningen av utvärderingskortet, lägga till strömförsörjningar och tillhandahålla RF-ingångsförstärkaren och den specificerade differentiella utgångsbelastningen, tillsammans med någon processor och gränssnitten för fasen före prototypen som leder till konfigurationen av prototypprodukten. För att göra detta krävs en kombination av olika typer av kopplingsdäck, plattformar och tillvägagångssätt.

Sammanfattning

Adaptrar och breakoutkort gör det möjligt för konstruktörer att integrera, sammankoppla, testa och utvärdera de små, ofta stiftfria komponenter som är standard i nästan alla moderna produkter. Nyare versioner går bortom det fortfarande allmänt använda lödningsfria kopplingsdäcket och gör det möjligt att blanda och matcha komponenter, moduler och andra enheter. Dessa förbättrar den fysiska hårdheten och minimerar fula, felbenägna och opålitliga monteringar och ledningsdragningar. Genom att använda dessa adaptrar och kopplingsdäck påskyndas test- och felsökningsfasen vilket leder till livskraftiga prototyper på kortare tid.