Le schede e i kit giusti assicurano un sperimentazione flessibile ed efficiente con componenti moderni

Grazie all'uso diffuso di minuscoli dispositivi passivi e attivi e alle frequenze operative dei circuiti fino ai gigahertz, la creazione e la valutazione di un progetto circuitale prima di coinvolgere una scheda CS e poi un prototipo quasi definitivo, è una sfida sempre più difficile e spesso frustrante. I kit di basette sperimentali e le tecniche di sperimentazione che funzionavano per i dispositivi con conduttori e i CI DIP (Dual-in-line Package) non sono compatibili con gli attuali contenitori per CI ad alta densità, le piazzole sottostanti e i dispositivi SMT (montaggio superficiale) quasi invisibili, così come i moduli RF o processori completi.

Tuttavia, c'è una buona notizia: esistono strumenti di sviluppo da banco che permettono di creare basette sperimentali di base e che accettano moduli sottocircuito separati. Usando questi sistemi con basette sperimentali, hobbisti, maker, appassionati di fai-da-te e sviluppatori professionisti possono creare, testare e integrare sottosezioni del prodotto complessivo in un'unità completa e funzionale.

Questo articolo esamina le questioni fondamentali associate alla sperimentazione dei componenti elettronici moderni. Esamina poi il modo in cui si possono usare le schede e i kit di basette sperimentali di fornitori come Aries Electronics, SchmartBoard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties e Phase Dock, Inc. per prototipi che assomigliano molto da vicino al prodotto finale.

Infine, mostra come questi facilitano la creazione di basette sperimentali utili e affidabili che possono convalidare topologie di circuiti e interfacce, permettono la connessione a moduli indipendenti e schede di valutazione secondo necessità e consentono di realizzare prototipi validi.

Da dove viene la basetta sperimentale elettronica?

L'uso del termine "basetta sperimentale" per un circuito che sembra rozzo e persino grezzo può sembrare assurdo, ma la sua provenienza è chiara e ben documentata. Nei primi tempi dell'elettronica, con le radio a cristalli autoalimentate e anche le radio a valvole di base, gli sperimentatori e gli hobbisti di fai-da-te (prima che questa parola fosse in uso nel contesto odierno) costruivano i circuiti su una vera basetta sperimentale, il tagliere di legno usato per affettare il pane. Usavano chiodi o puntine come punti di connessione e vi avvolgevano attorno i fili, a volte anche saldandoli (Figura 1).

Figura 1: Il termine "basetta sperimentale" deriva dall'uso di un tagliere di legno come base per circuiti elettronici fai-da-te come questa radio a tre valvole (Immagine per gentile concessione di Warren Young / Tangentsoft.net)

Naturalmente, queste basette sperimentali di legno sono obsolete come piattaforme per circuiti che utilizzano componenti moderni. Ciononostante, i termini "basetta sperimentale" e "sperimentazione" sono diventati comuni in associazione ai circuiti o sottocircuiti dimostrativi costruiti in modo approssimativo. Tuttavia, l'avanzamento della tecnologia elettronica dalle valvole elettroniche (tubi a vuoto) ai transistor con conduttori discreti e ai componenti passivi, ai CI DIP e ora ai dispositivi a montaggio superficiale quasi invisibili, ha avuto un impatto significativo sulle tecniche e sulle piattaforme di sperimentazione.

La differenza tra una basetta sperimentale e un prototipo

Una domanda ovvia riguarda la differenza tra una basetta sperimentale e un prototipo. Non c'è una demarcazione formale tra i due e i termini sono talvolta usati in modo intercambiabile. Tuttavia, la maggior parte degli ingegneri usa il termine basetta sperimentale per indicare un layout approssimativo di un circuito o sottocircuito che deve supportare le fasi preliminari di progettazione, tra cui:

• Verifica della fattibilità di un'idea di circuito di base, di una funzione o di un approccio progettuale
• Sviluppo e verifica del driver software
• Garanzia di compatibilità delle interfacce tra i sottocircuiti o tra un circuito e un trasduttore o un carico
• Elaborazione di protocolli e formati di collegamento dati
• Sviluppo e verifica di un modello presunto
• Valutazione delle prestazioni circuitali e funzionali

Da questo elenco, è facile evincere i ruoli importanti che riveste la basetta sperimentale nella progettazione di un prodotto, anche se non è un sistema completo e manca dell'imballaggio e di molte delle funzionalità del prodotto finale. Ad esempio, una basetta sperimentale spesso si basa su un alimentatore esterno e non sull'alimentazione interna del prodotto spedito. A causa del suo layout ampio e aperto, la basetta sperimentale è di solito adatta a tastare, regolare e persino sostituire i componenti. Tuttavia, la realtà fisica di un tale layout significa che alcune delle capacità prestazionali non sono disponibili, specialmente quelle associate al funzionamento ad alta frequenza, a causa delle correnti parassite e delle interazioni tra layout e componenti.

Al contrario, un prototipo è molto più vicino al prodotto finale e usa gli stessi componenti, imballaggio, fattore di forma e I/O dell'utente. Oltre ad essere completo dal punto di vista funzionale, un prototipo è spesso usato per tenere a bada i problemi di produzione, come lo spazio fisico, e quelli di assemblaggio, i percorsi termici, l'interazione con l'utente e l'aspetto visivo.

Partire dalle schede di base

La sperimentazione oggi richiede la capacità di connettersi e utilizzare i minuscoli circuiti integrati così dominanti nei progetti moderni. Ad esempio, è possibile saldare un circuito integrato SOT-23 a sei conduttori su una scheda più grande, ma fare - e soprattutto cambiare - le connessioni al dispositivo sarà difficile a causa delle sue piccole dimensioni e del passo ristretto dei conduttori. La situazione è più impegnativa quando il CI ha solo le piazzole per i bump.

Una soluzione è quella di utilizzare un dispositivo come lo zoccolo adattatore LCQT-SOT23-6 di Aries Electronics che trasforma un SOT-23 in un alloggiamento DIP a sei conduttori (Figura 2). Una volta che il dispositivo SOT-23 ha l'aspetto di un DIP con una spaziatura dei conduttori di 0,54 mm, può essere utilizzato con una delle soluzioni di sperimentazione progettate per dispositivi DIP più grandi.

Figura 2: Lo zoccolo LCQT-SOT23-6 trasforma un minuscolo contenitore SOT-23 a sei conduttori difficile da maneggiare in un dispositivo DIP molto più maneggevole con spaziatura standard (Immagine per gentile concessione di Aries Electronics)

Molti progetti usano una serie di componenti SMT con contenitori di diverse dimensioni e svariate configurazioni di pin. In queste situazioni, gli zoccoli adattatori multipli a singolo CI possono essere ingombranti da gestire e interconnettere. La scheda di espansione 202-0042-01 QFN di SchmartBoard può essere d'aiuto in questi casi (Figura 3). Questa scheda di 50,8 x 50,8 mm accetta fino a cinque diversi CI a 16 e 28 pin con passo di 0,5 mm, 20 pin con passo di 0,65 mm e 12 e 16 pin con passo di 0,8 mm (per dispositivi QFN).

Figura 3: Una scheda di espansione come 202-0042-01-QFN consente la saldatura su scheda e il breakout delle connessioni per più CI in contenitori SMT. (Immagine per gentile concessione di SchmartBoard)

La scheda 202-0042-01-QFN utilizza una tecnologia brevettata per consentire una saldatura manuale veloce, facile e senza problemi con questi piccoli componenti a montaggio superficiale. Inoltre, i fori passanti placcati associati a ogni pin del CI facilitano il collegamento dei componenti tra loro, se lo si desidera, o ad altri dispositivi e schede.

A volte la sfida della sperimentazione non riguarda il collegamento a un CI, bensì l'accesso e il monitoraggio dei pin di un cavo o del connettore di un dispositivo periferico. Ad esempio, quando il connettore RS-232 a 25 pin era l'interfaccia di comunicazione dominante, una "scatola di breakout" con interruttori on/off e capicorda di derivazione per la maggior parte dei pin era tanto comune quanto un multimetro (Figura 4).

Figura 4: Questa scatola di breakout RS-232 è essenziale per controllare e riordinare i fili nel cavo a 25 pin di un connettore un tempo molto comune (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Mentre queste scatole RS-232 ora sono raramente necessarie, è sorto il bisogno di funzionalità di breakout per dispositivi periferici come le schede Micro SD. Una scheda utile per questa funzione è la scheda di breakout 254 per schede Micro SD di Adafruit Industries, che permette ai progettisti di connettere, testare e verificare sia le connessioni dell'interfaccia hardware sia il software del driver per queste schede di memoria ampiamente utilizzate (Figura 5).

Figura 5: Utilizzando la scheda di breakout 254 per schede Micro SD di Adafruit, i progettisti possono facilmente interfacciarsi, accedere e monitorare i segnali tra un processore di sistema e questo dispositivo di memoria periferico (Immagine per gentile concessione di Adafruit)

La scheda include un regolatore a bassissima caduta di tensione per convertire le tensioni tra 3,3 e 6 V fino a 3,3 V per la scheda Micro SD, e un traslatore di livello per convertire la logica dell'interfaccia (da 3,3 a 5 V) a 3,3 V in modo che la scheda possa collegarsi con microcontroller da 3,3 o 5 V. La basetta separata può essere saldata nella scheda per portare le connessioni ai pin distanziati con un passo di 0,54 mm.

Al di là delle schede

Le schede possono risolvere i problemi di connessione ai singoli componenti, ma questi sono solo i componenti costitutivi del progetto finale. I componenti ora accessibili devono connettersi ad altri componenti attivi e passivi, supportare interfacce di ingresso/uscita (I/O), permettere la sostituzione dei componenti e fornire punti di prova formali e anche imprevisti.

Una delle prime basette sperimentali per ospitare facilmente e direttamente dispositivi in contenitori DIP, così come componenti discreti con conduttori è stata la basetta sperimentale senza saldature sviluppata negli anni '60 e ancora ampiamente in uso. È pratica, accessibile, facile da usare e supporta una ragionevole densità di componenti.

Un esempio è la basetta sperimentale PB-104M alimentata esternamente di Global Specialties, adatta per la prototipazione di circuiti a bassa frequenza (Figura 6). È montata in un telaio di 21 x 24 cm e comprende 3220 punti di collegamento, quattro connettori a morsetto per collegare gli alimentatori e supporta 28 CI a 16 pin; i ponticelli hanno un diametro da 0,4 mm a 0,7 mm e il filo è spellato all'estremità. La versatilità di questa basetta sperimentale sta nel fatto che i fori sono distanziati di 0,54 mm per ospitare componenti DIP standard, così come i pin di schede e basette, oltre ai cavi.

Figura 6: Il gruppo basetta sperimentale senza saldatura PB-104M di Global Specialties ospita più circuiti integrati DIP, schede con ingombro DIP, componenti discreti con fili e ponticelli individuali. (Immagine per gentile concessione di Global Specialties)

In uso, la basetta sperimentale senza saldature è una piattaforma collegabile dove i CI DIP e altri componenti sono collegati usando corti pezzi di filo pieno inseriti nei fori, che si collegano anche ai cavi dei componenti. I due binari esterni lungo ogni lato sono di solito riservati all'alimentazione e alla messa a terra e alimentano i componenti attivi tramite corti fili di alimentazione (Figura 7).

Figura 7: In una basetta sperimentale senza saldature, i due binari esterni lungo ogni lato sono solitamente riservati all'alimentazione e alla messa a terra. Corti fili di alimentazione collegano i binari ai componenti attivi (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

È importante mantenere una certa disciplina quando si usa una basetta sperimentale senza saldature. Ad esempio, è una buona idea usare la codifica a colori per identificare i fili, come il rosso per un polo positivo, il nero per quello negativa e il verde per la terra. Inoltre, gli utenti devono fare attenzione a posare i fili dei ponticelli in modo piatto sulla scheda per non creare disordine e stenderli intorno ai circuiti integrati e non sopra, in modo che i CI possano essere tastati e persino cambiati senza difficoltà. In caso contrario, una basetta sperimentale senza saldature, come molte altre implementazioni "temporanee", può diventare un groviglio e risultare molto complessa per il debug o la tracciatura (Figura 8).

Figura 8: È necessario prestare attenzione quando si installano i ponticelli, sempre, ma più il progetto di una basetta sperimentale senza saldature è piccolo, più si rischia di creare un labirinto di fili indecifrabili (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Un mix di basette sperimentali per i progetti attuali

La basetta sperimentale senza saldature è ancora ampiamente utilizzata per la sua praticità, flessibilità e versatilità, ma ha gravi limitazioni nei progetti moderni che operano ad alte velocità di clock e frequenze, spesso combinando schede per computer preassemblate, circuiti RF e moduli, oltre a moduli di alimentazione. Per questo, è necessario un sistema che permetta l'integrazione di più basette sperimentali, piattaforme di prototipazione e sottoinsiemi in un'unità più grande che possa poi supportare la funzionalità del sistema completato.

Una di queste basette sperimentali è il sistema di prototipazione di montaggio Phase Dock 10104 (Figura 9). Un sistema di base consiste in una matrice di 254 x 178 mm con 348 cmq di superficie di lavoro, cinque click board in due dimensioni usate per montare l'elettronica, così come gli "slide" usati per montare Arduino, Raspberry Pi o moduli simili; include anche piccoli articoli di minuteria come le viti che permettono di assemblare le combinazioni click board/slide, montare l'elettronica sugli slide, montare l'elettronica direttamente sulle click board (senza slide), aggiungere l'elettronica "a torre" per un profilo maggiore e gestire fili e cavi. C'è anche una copertura di plastica trasparente opzionale che fornisce protezione, migliora l'aspetto estetico e facilita il trasporto.

Figura 9: Il sistema di base Phase Dock 10104 include una matrice di base (in alto), click board per il montaggio dell'elettronica (fila centrale); slide per l'utilizzo di Arduino e piattaforme simili (fila inferiore) e tutta la necessaria minuteria di montaggio (fila inferiore - sinistra) (Immagine per gentile concessione di Phase Dock, Inc.)

Questo sistema di sviluppo permette di mescolare su un'unica piattaforma diverse tecnologie di basette sperimentali e moduli, come basette sperimentali senza saldature, schede speciali con terminali a vite e connettori, piattaforme per processori come le RedBoard di SparkFun e persino staffe per interruttori discreti e potenziometri (Figura 10). Sono tutti montati saldamente alla base Phase Dock e poi collegati come necessario per testare il concetto del sistema e farne il debug con l'accesso necessario ai segnali chiave e ai punti di prova.

Figura 10: Il sistema Phase Dock supporta il montaggio e l'interconnessione ibrida degli elementi di sistema, tra cui basette sperimentali senza saldature (in bianco), schede CS speciali (verdi) e piattaforme di processori come le Redboard di SparkFun (rosse) per questo sistema di controllo automatizzato. (Immagine per gentile concessione di Phase Dock, Inc.)

Le schede di valutazione del fornitore sono compatibili con le basette sperimentali

I CI ad alte prestazioni, specialmente quelli usati per segnali di basso livello, amplificazione di precisione o elaborazione di segnali RF, sono quasi inevitabilmente offerti con schede o kit di valutazione. Questo si rende necessario perché l'impostazione di tali componenti avanzati per verificare le loro prestazioni nell'applicazione di destinazione e l'integrazione con il resto del sistema richiede l'uso di componenti di supporto appropriati (per lo più passivi), oltre a un layout e collegamenti accurati. Il problema per i progettisti è come lavorare al meglio con queste schede di valutazione, poiché la loro utilità rispetto al progetto finale del sistema varia molto.

Prendiamo in esame una scheda di valutazione progettata per operare completamente un componente. Come tale, include componenti di supporto aggiuntivi come la memoria, i regolatori c.c./c.c. locali e forse anche un microcontroller. Mentre questi componenti possono essere necessari per una valutazione autonoma, possono anche interferire con l'uso effettivo del CI in questione nella progettazione del prodotto.

All'altra estremità, molte di queste schede di valutazione hanno componenti come il necessario connettore speciale. L'uso della scheda di valutazione evita al progettista di dover rifare quel circuito ("reinventare la ruota"). Un progetto di scheda di valutazione ben fatto e adeguatamente documentato è di solito tanto valido se non migliore di un circuito creato da qualcuno presso il fornitore che può essere intimamente familiare con il CI.

La sfida del progettista, quindi, è quella di riconoscere e sfruttare i vantaggi della scheda di valutazione fornita dal fornitore nella disposizione della sperimentazione. Consideriamo un "piccolo" CI come ADL6012 di Analog Devices, un rilevatore di inviluppo a banda larga da 2 GHz a 67 GHz, con una larghezza di banda di 500 MHz. L'interconnessione di base di questo LFCSP a 10 conduttori sembra abbastanza semplice sul diagramma schematico, ma l'uso effettivo è più difficile perché richiede un layout attento, bypass e connettori RF di fascia alta (Figura 11).

Figura 11: Collegare e utilizzare il rilevatore di inviluppo a banda larga ADL6012 di Analog Devices sembra abbastanza semplice "sulla carta" ma ci sono molte sottigliezze di progettazione e layout (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per i progettisti che cercano di incorporare questo CI RF, ha senso prima capire le sue caratteristiche, testare le sue interfacce e mettere a punto il suo inserimento nel progetto complessivo sfruttando la scheda di valutazione ADL6012-EVALZ nella fase di sperimentazione, prima di creare uno schema finale e lavorare al layout e all'imballaggio (Figura 12).

Figura 12: La scheda di valutazione ADL6012-EVALZ solleva il progettista dall'affrontare le molte sottili complessità della progettazione di questo CI dall'aspetto semplice ma sofisticato; incorporarlo in una basetta sperimentale riduce al minimo il tempo di sviluppo del prodotto e i problemi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La sfida della basetta sperimentale consiste nell'abilitare fisicamente l'uso della scheda di valutazione, aggiungere gli alimentatori e fornire l'amplificatore di ingresso RF e il carico di uscita differenziale specificato, insieme a qualsiasi processore e interfacce per la fase di pre-prototipazione, che porta alla configurazione del prodotto prototipo. Ciò richiederà una combinazione di tecniche di sperimentazione, piattaforme e approcci.

Conclusione

Schede e schede di breakout permettono ai progettisti di integrare, interconnettere, esercitare e valutare i piccoli componenti, spesso senza conduttori, che sono standard in quasi tutti i prodotti moderni. Le iterazioni più recenti vanno oltre la basetta sperimentale senza saldature, ancora ampiamente utilizzata, e permettono di mescolare e abbinare componenti, moduli e altri gruppi. Queste migliorano la robustezza fisica, minimizzano il montaggio e il cablaggio antiestetici, soggetti a errori e inaffidabili. L'utilizzo di queste schede e basette sperimentali accelera la fase di test e debug e porta a prototipi realizzabili in meno tempo.