De rigtige adaptere og kits muliggør fleksibel og effektiv breadboarding med moderne komponenter

Takket være den udbredte brug af små passive og aktive enheder og kredsløbsfrekvenser langt op i gigahertz (GHz)-området er det en stadig vanskeligere og ofte en frustrerende udfordring at skabe og evaluere et kredsløbsdesign, før det bliver lagt på et printkort og derefter videre til en næsten færdig prototype. De breadboard-kit og -teknikker, der fungerede til enheder med ledninger og DIP-IC'er (dual in-line package), er ikke kompatible med nutidens IC-pakker med høj tæthed, loddepuder under pakken og næsten usynlige SMT-enheder (Surface Mount Technology) samt komplette RF- eller processormoduler.

Der er dog gode nyheder i form af bænk-baserede udviklingsværktøjer, som gør det muligt at oprette grundlæggende breadboards, samtidig med at de kan bruges til at sammenkoble med separate subkredsløbs-moduler. Ved hjælp af disse breadboard-systemer kan hobbyfolk, producenter, DIY-entusiaster og ingeniører bygge, teste og integrere delelementer af det samlede produkt i en komplet og funktionel enhed.

I denne artikel gennemgås de grundlæggende spørgsmål i forbindelse med breadboarding af moderne elektroniske komponenter. Derefter gennemgås det, hvordan adaptere og breadboard-kits fra leverandører som Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties og Phase Dock, Inc. kan bruges som grundlag for prototyper, der minder mere om det endelige produkt.

Endelig vises det, hvordan de letter konstruktionen af nyttige, pålidelige breadboards, som kan validere kredsløbstopologier og grænseflader, tillade tilslutning til uafhængige moduler og evalueringskort efter behov og føre til meningsfulde prototyper.

Hvor kom det elektroniske breadboard fra?

Brugen af udtrykket "breadboard" for et kredsløb, der ser rå og groft ud, samt virke mystisk er dog klart og veldokumenteret. I elektronikkens tidlige dage, med krystalradioer med egen strømforsyning og selv basale radioer med vakuumrør, byggede DIY-entusiaster og hobbyister (før det ord blev brugt i dagens sammenhæng) kredsløb på et egentligt skærebræt - Det træbræt, der bruges til at skære brød. De brugte stifter eller søm som forbindelsespunkter og viklede ledningerne rundt om dem, nogle gange lodde de endda disse forbindelser (Figur 1).

Figur 1: Udtrykket "breadboard" stammer fra brugen af et skærebræt af træ som basis for elektroniske DIY-kredsløb som f.eks. denne radio med tre rør. (Billedkilde: Warren Young / Tangentsoft.net)

Selvfølgelig er disse træbrætter forældede som platforme for kredsløb med moderne komponenter. På trods af dette er udtrykkene "breadboard" og "breadboarding" blevet standardudtryk for groft opbyggede demonstrationskredsløb eller delkredsløb. Udviklingen af elektronisk teknologi fra vakuumrør til diskrete transistorer og passive komponenter, DIP-IC'er og nu til næsten usynlige overflademonterede enheder har imidlertid haft stor indflydelse på breadboarding-teknikker og platforme.

Hvad er forskellen mellem et breadboard og en prototype?

Et indlysende spørgsmål drejer sig om forskellen mellem et breadboard og en prototype. Der er ingen formel afgrænsning mellem de to, og begreberne bruges undertiden i flæng. De fleste ingeniører bruger dog udtrykket breadboard til at betegne et groft layout af et kredsløb eller sub-kredsløb, som skal understøtte de indledende designfaser, herunder:

• Kontrol af levedygtigheden af en grundlæggende kredsløbs-idé, funktion eller designtilgang.
• Udvikling og verifikation af softwaredrivere.
• Sikring af kompatibilitet af grænseflader mellem underkredse eller mellem et kredsløb og en transducer eller belastning.
• Udarbejdelse af protokoller til data-links og formater.
• Udvikling og verifikation af en formodet model.
• Evaluering af kredsløb og funktionel ydeevne.

Ud fra ovenstående liste er det let at se de mange vigtige roller, som breadboardet spiller i produktdesignet, selv om det ikke er et komplet system, og det mangler emballagen og mange af de "klokker og fløjter", som det endelige produkt har. Et breadboard er f.eks. ofte afhængig af en ekstern strømforsyning i stedet for den interne strømforsyning i det leverede produkt. På grund af sit brede og åbne layout er breadboardet normalt let at afprøve, justere og endda udskifte komponenter. De fysiske realiteter ved et sådant spredt layout betyder imidlertid, at nogle af ydelsesmulighederne ikke er tilgængelige, især dem, der er forbundet med højere frekvensdrift, på grund af layout og komponentparasitter og interaktioner.

I modsætning hertil er en prototype meget tættere på det endelige produkt og anvender de samme komponenter, emballage, formfaktor og bruger I/O. Ud over at være funktionelt komplet bruges en prototype ofte til at kontrollere fremstillingsproblemer som f.eks. fysisk afstand og monteringsproblemer, termiske baner, brugerinteraktion og visuel appel og udseende.

Start med grundlæggende adaptere

Nutidens breadboarding kræver evnen til at forbinde til og bruge de små IC'er, der dominerer moderne designs. Det er f.eks. muligt at lodde en SOT-23 IC med seks ledninger på et større printkort, men det vil være vanskeligt at lave - og især at ændre - forbindelser til enheden på grund af dens lille størrelse og smalle ledningsafstand. Situationen er mere udfordrende, når IC'en kun har stødpuder under karrosseriet.

En løsning er at bruge en enhed som f.eks. Aries Electronics' LCQT-SOT23-6-sokkeladapter. Dette omdanner en SOT-23 til et seks ledet DIP-hus (Figur 2). Når SOT-23-enheden ligner en DIP-enhed med 0,1" ledningsafstand, kan den bruges med en af de breadboarding-løsninger, der er beregnet til større DIP-enheder.

Figur 2: LCQT-SOT23-6-sokkeladapteren forvandler en lille, svært håndterbar SOT-23-pakning med seks ledninger til en meget mere håndterbar DIP-enhed med standard DIP-ledningsafstand. (Billedkilde: Aries Electronics)

Mange konstruktioner anvender en række SMT-komponenter med forskellige størrelser af pakning og ben-konfigurationer. I disse situationer kan flere single-IC-sokkeladaptere blive uhåndterbare at håndtere og forbinde. Schmartboards 202-0042-01 QFN-adapterkort kan minimere den potentielle forvirring (Figur 3). Dette 2 × 2" store kort kan modtage op til fem forskellige IC'er med 16 og 28 ben med en benaftand på 0,5 millimeter (mm), 20 ben med en benafstand på 0,65 mm og 12 og 16 ben med en benafstand på 0,8 mm (for QFN-enheder).

Figur 3: Et adapterkort som 202-0042-01-QFN giver mulighed for on-board lodning og udbrydning af forbindelser til flere SMT IC-pakker. (Billedkilde: Schmartboard)

202-0042-01-QFN anvender patenteret teknologi til hurtig, nem og problemfri manuel lodning af disse små overflademonterede komponenter. Desuden gør de mange pletterede gennemgående huller i forbindelse med hver IC-stift det nemt at forbinde de indbyggede komponenter med hinanden, hvis det ønskes, eller med andre enheder og printplader.

Nogle gange består udfordringen ved breadboarding ikke i at forbinde til en IC, men i stedet i at få adgang til og overvåge ben på et kabel eller et periferier enhedsstik. Da f.eks. det 25-bens RS-232-stik var den dominerende kommunikationsgrænseflade, var en "breakout box" med tænd/sluk-knapper og jumperterminaler til de fleste af ben lige så almindelig som et multimeter (figur 4).

Figur 4: Denne RS-232 breakout boks er vigtig til overvågning og omlægning af ledningerne i 25-stifts kablet i dette tidligere meget udbredte stik og denne standard. (Billedkilde: Wikipedia)

Selv om der sjældent er brug for disse RS-232-bokse nu, er der et tilsvarende behov for breakout-funktionalitet til perifere enheder som f.eks. Micro SD-kort. En nyttig adapter til denne funktion er Adafruit Industries 254 Micro SD Card Breakout Board, som gør det muligt for designere at forbinde til, teste og verificere både hardware-interfaceforbindelser og driver-software til disse meget anvendte hukommelseskort (Figur 5).

Figur 5: Ved hjælp af Adafruit 254 Micro SD Card Breakout Board kan designere nemt forbinde sig med, få adgang til og overvåge signaler mellem en systemprocessor og denne perifere hukommelsesenhed. (Billedkilde: Adafruit)

Kortet indeholder en ultra-low dropout-regulator til at konvertere spændinger mellem 3,3 volt og 6 volt ned til 3,3 volt til Micro SD-kortet og en level shifter til at konvertere interface-logikken (3,3 volt til 5 volt) til 3,3 volt, så kortet kan tilsluttes 3,3 volt eller 5 volt-mikrocontrollere. Den separate header kan loddes ind i adapteren for at få forbindelserne ud til ben med en afstand på 0,1".

Mere end adaptere

Adaptere kan løse problemer med tilslutning til individuelle komponenter, men de er kun byggestenene i det endelige design. De nu tilgængelige komponenter skal forbindes med andre aktive og passive komponenter, understøtte input/output-grænseflader (I/O), muliggøre udskiftning af komponenter og give mulighed for formelle testpunkter og endda uventede testmetoder.

Et af de første breadboards, der nemt og direkte kunne rumme enheder i DIP-pakker (dual in-line packages) samt diskrete komponenter med ledning, var det loddeløse breadboard, der blev udviklet i 1960'erne og stadig er meget anvendt. Det er praktisk, tilgængeligt, nemt at bruge og understøtter en rimelig komponenttæthed.

Et eksempel er PB-104M med eksternt strømforsyning fra Global Specialties, som er velegnet til prototyping af lavfrekvente kredsløb (figur 6). Det er monteret i en ramme på 21 × 24 cm (9,45" × 8,27") og indeholder 3220 forbindelsespunkter, fire forbindelsesben til tilslutning af strømforsyninger og understøtter 28 16-bens IC'er; jumpers er lavet ved hjælp af en tråd med en diameter på 0,4 mm til 0,7 mm, der er afisoleret i enden. Nøglen til dette breadboards alsidighed er, at hullerne er placeret med en afstand på 0,1" for at kunne rumme standard DIP-komponenter samt stifterne i adaptere og headers ud over ledninger.

Figur 6: PB-104M-broadboardet uden lodning fra Global Specialties kan rumme flere DIP-IC'er, DIP-footprint-adaptere, diskrete komponenter med ledninger og individuelle trådjumper. (Billedkilde: Global Specialties)

I brug er det loddefrit breadboard en platform, hvor DIP-IC'er og andre komponenter forbindes ved hjælp af korte stykker solid ledning, der indsættes i hullerne, og som også forbindes til komponentens ledninger. De to yderste skinner langs hver side er normalt reserveret til strøm og jord, og de forsyner de aktive komponenter via korte feeder-kabler (Figur 7).

Figur 7: På et breadboard uden lodning er de to yderste skinner langs hver side normalt reserveret til strøm og jord. Korte feederkabler forbinder skinnerne med de aktive komponenter. (Billedkilde: Analog Devices)

Det er vigtigt at opretholde en vis disciplin, når du bruger et breadboard uden lodning. Det er f.eks. en god idé at bruge farvekoder til at identificere ledningerne, f.eks. rødt for en positiv skinne, sort for en negativ skinne og grønt for jord. Brugerne skal også sørge for at lægge jumperledningerne fladt på printkortet for at minimere rod og føre forbindelsesjumperne rundt om IC'erne i stedet for over dem, så IC'erne kan undersøges og endda ændres med minimal forstyrrelse. Ellers kan det loddeløse breadboard - som så mange andre "midlertidige" implementeringer - blive en "rotterede" og være meget vanskelig at fejlfinde eller spore (Figur 8).

Figur 8: Der er brug for omhu og disciplin, når du installerer jumpere til alt andet end det mindste projekt på et loddet breadboard; ellers bliver resultatet en labyrint af uoverskuelige ledninger. (Billedkilde: Wikipedia)

En breadboard-mix til dagens design

Breadboardet uden lodning anvendes stadig i vid udstrækning på grund af dets bekvemmelighed, fleksibilitet og alsidighed, men det har alvorlige begrænsninger i forbindelse med moderne design, der arbejder med høje clockfrekvenser og -hastigheder, og som ofte kombinerer færdigsamlede computerkort, RF-kredsløb og -moduler samt strømforsyningsmoduler. For at imødekomme disse er der behov for et system, der gør det muligt at integrere flere breadboards, prototypeplatforme og underenheder i en større enhed, som derefter kan understøtte den færdige systemfunktionalitet.

Et sådant breadboard er Phase Dock 10104-monteringssystemet til prototypefremstilling (Figur 9). Et kernesystem består af en grundmatrix på 10" × 7" med 54 kvadratcentimeter arbejdsflade, fem "Clicks" i to størrelser til montering af elektronik samt "Slides" til montering af Arduino-, Raspberry Pi- eller lignende moduler; det omfatter også små hardwareelementer som f.eks. skruer, der gør det muligt for ingeniøren at samle Click/Slide-kombinationerne, montere elektronik på Slides, montere elektronik direkte på Clicks (uden Slides), tilføje højprofileret "tårn"-elektronik og håndtere ledninger og kabler. Der er også et valgfrit klart plastikcover, som giver beskyttelse, forbedrer udseendet og letter transporten.

Figur 9: Det grundlæggende Phase Dock 10104-monteringssystem til prototyper omfatter en basismatrix (øverst), kliks til montering af elektronik (midterste række), slides til brug af Arduino og lignende platforme (nederste række) og det vigtige monteringsudstyr (nederste række - venstre). (Billedkilde: Phase Dock, Inc.)

Dette produktudviklingssystem gør det muligt at blande forskellige breadboard- og modulteknologier på en enkelt platform, f.eks. breadboards uden lodning, specialkort med skrueterminaler og stik, processorplatforme som SparkFuns RedBoards og endda konsoller med diskrete kontakter og potentiometre (Figur 10). De er alle monteret solidt på Phase Dock-basen og tilsluttes derefter efter behov for at teste systemkonceptet og debugge det med den nødvendige adgang til nøglesignaler og testpunkter.

Figur 10: Phase Dock-systemet understøtter "mix and match"-montering og sammenkobling af systemelementer, herunder loddefri breadboards (i hvidt), specialprintkort (grønt) og processorplatforme som SparkFuns Redboards (rødt) til dette automatiserede styresystem. (Billedkilde: Phase Dock, Inc.)

Leverandørens evalueringskort engagerer breadboards

Højtydende IC'er - især dem, der bruges til signaler på lavt niveau, præcisionsforstærkning eller RF-signalbehandling, tilbydes nu næsten uundgåeligt med evalueringskort eller kits. Dette er nødvendigt, da det er nødvendigt at opsætte sådanne avancerede komponenter for at kontrollere deres ydeevne i målapplikationen og integrere dem med resten af systemet, hvilket kræver brug af passende støttekomponenter (for det meste passive komponenter) samt omhyggeligt layout og forbindelser. Spørgsmålet for designerne er, hvordan de bedst kan arbejde med disse evalueringskort, da deres nytteværdi i forhold til det endelige systemdesign varierer fra meget nyttig til en hindring.

Tænk på et evalueringskort, der er designet til at teste en komponent fuldt ud. Som sådan omfatter den yderligere støttekomponenter som f.eks. hukommelse, lokale DC/DC-regulatorer og måske endda en mikrocontroller. Selv om disse komponenter kan være nødvendige for en selvstændig evaluering, kan de også forstyrre den faktiske brug af den pågældende IC i ingeniørens produktdesign.

I den anden ende har mange af disse evalueringskort komponenter som f.eks. det nødvendige specialstik. Ved at bruge evalueringskortet slipper designeren for at skulle lave det pågældende kredsløb om ("genopfinde hjulet"); et veludført og korrekt dokumenteret design på evalueringskortet er normalt lige så godt eller bedre end et kredsløb, der er skabt af en person hos leverandøren, som måske er bekendt med kredsen.

Designernes udfordring er derfor at erkende og udnytte fordelene ved det evalueringskort, der leveres af leverandøren, i forbindelse med breadboarding-arrangementet. Tænk på en "lille" IC som Analog Devices ADL6012, en 2 GHz til 67 GHz, 500 megahertz (MHz) båndbredde bredbånds-konvolutdetektor. Den grundlæggende sammenkobling af denne 10-leder LFCSP ser ret enkel ud på det skematiske diagram, men den faktiske anvendelse er vanskeligere, da den kræver omhyggeligt layout, bypassing og avancerede RF-stik (Figur 11).

Figur 11: Tilslutning og brug af Analog Devices ADL6012 bredbånds-konvolutdetektor ser enkel nok ud "på papiret", men der er mange finesser i design og layout. (Billedkilde: Analog Devices)

For designere, der ønsker at inkorporere denne RF-IC i deres design, giver det mening først at forstå dets egenskaber, teste dets grænseflader og "finjustere" dets indpasning i det overordnede projekt ved at udnytte ADL6012-EVALZ-evalueringskortet på breadboards, før der oprettes et endeligt diagram og udarbejdes layout og indpakning (Figur 12).

Figur 12: ADL6012-EVALZ-evalueringskortet fritager designeren for at skulle håndtere de mange subtile komplikationer ved at designe dette enkelt udseende, men alligevel sofistikerede IC; ved at inkorporere det i et breadboard minimeres produktudviklingstiden og frustrationen. (Billedkilde: Analog Devices)

Udfordringen med breadboards er fysisk at muliggøre brugen af evalueringskortet, tilføje strømforsyninger og levere RF-indgangsforstærkeren og den specificerede differentielle udgangsbelastning sammen med en eventuel processor og grænseflader til den fase, der fører til prototypeproduktkonfigurationen. Det kræver en kombination af breadboarding-teknikker, platforme og fremgangsmåder.

Konklusion

Adaptere og breakout-boards gør det muligt for designere at integrere, forbinde, øve og evaluere de små, ofte ledningsløse komponenter, som er standard i næsten alle moderne produkter. Nyere iterationer går videre end det stadig meget udbredte loddefrit breadboard og gør det muligt at blande og matche komponenter, moduler og andre samlinger. Disse forbedrer den fysiske robusthed og minimerer uskøn, fejlbehæftet og upålidelig montering og ledningsføring. Ved at bruge disse adaptere og breadboards fremskyndes test- og fejlfindingsfasen og fører til brugbare prototyper på kortere tid.