Oikein valitut adapterit ja sarjat tarjoavat joustavat, tehokkaat ja moderneja komponentteja käyttävät koekytkentäalustat

Pienten passiivi- ja aktiivikomponenttien laajalle levinnyt käyttö sekä hyvinkin gigahertsialueelle (GHz) ulottuvat piirien käyttötaajuudet ovat tehneet piirien suunnittelusta ja arvioinnista ennen tietyn piirilevyratkaisun valitsemista yhä vaikeamman ja usein turhauttavan haasteen. Koekytkentäalustasarjat ja ‑tekniikat, jotka toimivat hyvin jalallisten laitteiden ja DIP-komponenttien (Dual In-line Package) kanssa, eivät sovi nykypäivän tiheydeltään korkeille mikropiireille, niiden alla sijaitseville juotoskohdille ja lähes näkymättömille pinta-asennettaville (SMT) komponenteille, saati sitten kokonaisille RF- tai prosessorimoduuleille.

On kuitenkin myös hyviä uutisia. Työpöytäpohjaisilla kehitystyökaluilla voidaan nimittäin luoda yksinkertaisia koekytkentäalustoja, joihin voidaan liittää erillisiä alipiirimoduuleja. Harrastajat, kehittäjät, DIY-henkilöt ja suunnittelun ammattilaiset voivat tällaisten koekytkentäalustajärjestelmien avulla rakentaa, testata ja integroida tuotteen osakokonaisuuksia täydellisiksi toiminnallisiksi yksiköiksi.

Tässä artikkelissa käsitellään modernien elektroniikkakomponenttien käyttöä koekytkentäalustassa. Lisäksi artikkelissa tutustutaan esimerkiksi Aries Electronics-, Schmartboard, Inc.-, Adafruit Industries LLC-, Global Specialties- ja Phase Dock, Inc. ‑yhtiöiden tarjoamien adapterien ja koekytkentäalustasarjojen käyttöä pohjana prototyypeille, jotka ovat lähellä lopputuotetta.

Lopuksi artikkelissa näytetään, miten nämä komponentit helpottavat hyödyllisten ja luotettavien koekytkentäalustojen rakentamista sekä niiden käyttöä erilaisten piiritopologioiden ja ‑rajapintojen arviointiin, erillisten moduulien ja arviointialustojen kytkemiseen sekä hyödyllisten prototyyppien kehittämiseen.

Mistä elektroniikan koekytkentäalustat ovat peräisin?

Koekytkentäalustasta käytetään englanniksi nimitystä ”breadboard”, leikkuulauta, mikä saattaa vaikuttaa erikoiselta ja mystiseltäkin, mutta termin tausta tunnetaan hyvin. Elektroniikan aamuhämärissä, omalla virtalähteellä varustettujen kideradioiden ja jopa yksinkertaisten tyhjiöputkiradioiden aikaan, keksijät ja harrastelijat rakensivat piirejä leikkuulaudoille – siis leivän leikkaamiseen käytettäville puulevyille. Kytkentäpisteinä käytettiin nastoja tai nauloja, joiden ympärille johtimet kierrettiin ja joskus jopa juotettiin kiinni (kuva 1).

Kuva 1: Koekytkentäalustan englanninkielinen nimitys ”breadboard”, leikkuulauta, sai alkunsa puisten leikkuulautojen käytöstä tässä kuvassa esitetyn kolmiputkisen radion kaltaisten DIY-elektroniikkapiirien pohjana. (Kuvan lähde: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Puisia leikkuulautoja ei tietenkään enää käytetä moderneista komponenteista rakennettavien piirien alustana. ”Breadboard” ja siitä johdettu verbi, ”breadboarding”, ovat kuitenkin jääneet käyttöön englannissa tarkoittamaan karkearakenteisia demonstraatiopiirejä tai ‑alipiirejä. Elektroniikan kehittyminen tyhjiöputkista erillisiin jalallisiin transistoreihin ja passiivikomponentteihin, DIP-mikropiireihin ja nyt lähes näkymättömiin pinta-asennettaviin komponentteihin on kuitenkin muuttanut koekytkentäalustojen käyttötekniikkaa ja alustoja merkittävästi.

Miten koekytkentäalusta eroaa prototyypistä?

Mieleen tulee helposti kysymys siitä, miten koekytkentäalusta eroa prototyypistä. Näiden kahden käsitteen eroa ei ole määritelty, ja termejä käytetäänkin toisinaan ristikkäin. Useimmat insinöörit tarkoittavat kuitenkin koekytkentäalustalla alustavassa suunnittelussa käytettävää piirin tai osapiirin karkeaa hahmotelmaa, jonka avulla voidaan muun muassa

• tarkistaa piirin perusajatuksen, toiminnon tai suunnittelutavan toteuttamiskelpoisuus
• kehittää ja verifioida ohjelmistoajureita
• varmistaa alipiirien tai piirin ja muuntimen tai kuorman välisten rajapintojen yhteensopivuus
• kehittää datalinkkiprotokollia ja formaatteja
• kehittää ja verifioida suunniteltua mallia
• arvioida piirin toimintaa ja suorituskykyä.

Edellä oleva luettelo kuvastaa hyvin sitä, miten monia rooleja koekytkentäalustalla on tuotesuunnittelussa, vaikka se ei olekaan täydellinen järjestelmä ja vaikka siitä puuttuvat kotelo sekä monet lopullisen tuotteen hienouksista. Koekytkentäalustan kanssa käytetään esimerkiksi usein ulkoista teholähdettä ja toimitettavassa tuotteessa sisäistä virtalähdettä. Koekytkentäalusta soveltuu väljän ja avoimen layoutinsa ansiosta yleensä hyvin testaukseen, säätämiseen ja jopa komponenttien vaihtoon. Väljän layoutin fyysiset realiteetit tarkoittavat kuitenkin, ettei kaikkea suorituskykyä saada käyttöön. Tämä koskee etenkin korkeammilla taajuuksilla suoritettavia toimintoja, joiden toimivuutta layout ja komponenttien loiskuormat sekä vuorovaikutukset heikentävät.

Prototyyppi muistuttaa puolestaan huomattavasti enemmän lopullista tuotetta, sen koko vastaa oikeaa tuotetta ja siinä käytetään samoja komponentteja, koteloa sekä käyttöliittymää. Prototyyppi sisältää kaikki suunnitellut toiminnot. Lisäksi sen avulla tarkistetaan usein valmistukseen liittyviä seikkoja, kuten fyysiseen ilmaväliin ja kokoonpanoon liittyviä ongelmia, termisiä reittejä, vuorovaikutusta käyttäjän kanssa sekä visuaalista houkuttelevuutta ja ulkomuotoa.

Aloita perusadaptereilla

Koekytkentäalustan käyttö edellyttää mahdollisuutta kytkeä ja käyttää moderneissa suunnitelmissa useimmiten käytettäviä pikkuruisia mikropiirejä. Suureen piirilevyyn voi esimerkiksi juottaa kiinni kuusijalkaisen SOT-23-mikropiirin, mutta sen kytkeminen laitteeseen ja etenkin kytkennän muuttaminen on vaikeaa, koska laite on niin pieni ja johtimien väli niin kapea. Tilanne on vieläkin haastavampi, jos mikropiirissä rungon alla on vain juotoskohdat.

Yksi vaihtoehto on käyttää sellaista adapteria kuten Aries Electronics LCQT-SOT23-6, joka muuntaa SOT-23-piirin kuusijalkaiseksi DIP-komponentiksi (kuva 2). Kun SOT-23-komponentti näyttää DIP-komponentilta, jossa jalkojen väli on 0,1 tuumaa (in.), sitä voidaan käyttää suuremmille DIP-komponenteille suunnitelluissa koekytkentäalustaratkaisuissa.

Kuva 2: LCQT-SOT23-6-adapteri muuttaa pienen ja vaikeasti käsiteltävän kuusijalkaisen SOT-23-komponentin paljon helpommin käsiteltäväksi DIP-komponentiksi, jossa jalkojen väli vastaa DIP-vakioväliä. (Kuvan lähde: Aries Electronics)

Monissa suunnitelmissa käytetään SMT-komponentteja, joiden koot ja jalkakonfiguraatiot vaihtelevat. Tällaisissa tilanteissa lukuisten yhden mikropiirin adapterien käyttö ja kytkeminen saattaa käydä hankalaksi. Schmartboardin 202-0042-01 QFN ‑adapterikortti voi helpottaa asiaa (kuva 3). Tähän 2 × 2 tuuman kokoiseen korttiin mahtuu jopa viisi erillistä mikropiiriä, joissa on 16 tai 28 nastaa 0,5 millimetrin (mm) välein, 20 nastaa 0,65 mm:n välein tai 12 tai 16 nastaa 0,8 mm:n välein (QFN-komponentit).

Kuva 3: 202-0042-01-QFN-adapterikortti helpottaa useiden SMT-mikropiirien juottamista ja kytkemistä. (Kuvan lähde: Schmartboard)

202-0042-01-QFN-kortin patentoidun teknologian ansiosta tällaisia pieniä pinta-asennuskomponentteja voidaan juottaa kiinni nopeasti, helposti ja ilman ongelmia. Lukuisat mikropiirin kuhunkin jalkaan yhdistetyt pinnoitetut läpiasennusreiät helpottavat komponenttien kytkemistä toisiinsa ja tarvittaessa muihin laitteisiin ja kortteihin.

Koekytkentäalustojen käytön haasteet eivät aina liity niinkään mikropiirin kytkemiseen, vaan pikemminkin kaapelin tai oheislaitteen liittimen nastojen käyttöön ja seurantaan. Esimerkiksi siihen aikaan kun 25-nastainen RS-232-liitin oli vallitseva tiedonsiirtorajapinta, sen kanssa käytettiin yleisesti koekytkentärasiaa, johon oli sijoitettu useimpien nastojen käyttökytkimien lisäksi myös hyppykaapeliterminaalit (kuva 4).

Kuva 4: Tätä RS-232-koekytkentärasiaa tarvittiin aiemmin yleisesti käytetyn 25-nastaisen vakiokaapelin johtimien seurantaan ja johtimien järjestyksen muuttamiseen. (Kuvan lähde: Wikipedia)

RS-232-rasioita ei nykyään enää juurikaan tarvita, mutta Micro SD ‑korttien kaltaisille oheislaitteille tarvitaan samankaltaista koekytkentäratkaisua. Siihen voidaan käyttää esimerkiksi Adafruit Industries 254 -kytkentäkorttia Micro SD ‑kortille. Tämän avulla suunnittelijat voivat kytkeä, testata ja todentaa näiden yleisten muistikorttien laitteistorajapinnan kytkentöjä ja ajuriohjelmistoja (kuva 5).

Kuva 5: Micro SD ‑kortille tarkoitetun Adafruit 254 -kytkentäkortin avulla suunnittelijat voivat muodostaa rajapintoja, käyttää ja tarkkailla järjestelmässä prosessorin ja tämän oheismuistilaitteen välisiä signaaleja. (Kuvan lähde: Adafruit)

Kortissa on erittäin alhaisen jännitehäviön regulaattori, joka muuntaa 3,3–6 voltin jännitteet Micro SD ‑kortille sopivaksi 3,3 voltin jännitteeksi, sekä tasosiirrin, joka muuntaa rajapintalogiikan (3,3–5 volttia) 3,3 voltiksi. Kortin voi tällöin kytkeä joko 3,3 tai 5 voltin mikrokontrolleriin. Adapteriin voidaan juottaa kiinni erillinen liitin, jolloin voidaan käyttää 0,1 tuuman välein sijaitsevia tappeja.

Mitä adapterien jälkeen

Adaptereilla voidaan ratkaista yksittäisten komponenttien kytkentään liittyviä haasteita, mutta ne ovat kuitenkin vasta rakennuspalikoita lopulliseen ratkaisuun. Komponentit, joihin nyt päästään käsiksi, täytyy kytkeä muihin aktiivisiin ja passiivisiin komponentteihin. Lisäksi niiden täytyy tukea I/O-rajapintoja, mahdollistaa komponenttien vaihtaminen ja tarjota vakiotestipisteet sekä sallia ennakoimaton testaus.

Yksi ensimmäisistä ratkaisuista, johon voidaan kytkeä helposti ja suoraan DIP-komponentteja sekä jalallisia erilliskomponentteja, oli jo 1960-luvulla kehitetty tavallinen koekytkentäalusta, joka on edelleen laajalti käytössä. Se on kätevä, helposti saatava ja helppokäyttöinen, minkä lisäksi se tukee kohtuullista komponenttitiheyttä.

Yksi tällainen ulkoista virtalähdettä käyttävä koekytkentäalusta on Global Specialties PB-104M, joka sopii mainiosti prototyyppien kehittämiseen matalataajuisille virtapiireille (kuva 6). Se on asennettu 21 × 24 senttimetrin (cm) runkoon, ja siinä on 3220 kytkentäpistettä sekä neljä virtalähteiden kytkemiseen tarkoitettua kiinnitysnapaa. Siihen mahtuu 28 16-nastaista mikropiiriä ja hyppykaapeleina käytetään päistä kuorittua 0,4–0,7 mm:n lankaa. Tämän koekytkentäalustan monipuolisuus piilee siinä, että sen reikien väli on 0,1 tuumaa. Siinä voidaan näin ollen käyttää johdinkytkentöjen lisäksi DIP-vakiokomponentteja sekä adapteri- ja liitinnastoja.

Kuva 6: Global Specialties PB-104M -koekytkentäalustaan voi kytkeä useita DIP-mikropiirejä, DIP-tilasovittimia, jalallisia erilliskomponentteja sekä erillisiä hyppyjohtimia. (Kuvan lähde: Global Specialties)

Koekytkentäalustaa käytetään alustana, jossa DIP-mikropiirit ja muita komponentit kytketään reikiin työnnetyillä lyhyillä yksisäikeisillä johtimilla. Nämä reiät puolestaan ovat yhteydessä komponentin jalkoihin. Kummankin reunan kaksi ulommaista kiskoa on varattu käyttöjännitettä ja maadoitusta varten, ja ne syöttävät virtaa aktiivisille komponenteille lyhyillä syöttöjohtimilla (kuva 7).

Kuva 7: Koekytkentäalustan kummankin reunan kaksi ulommaista kiskoa on varattu käyttöjännitettä ja maadoitusta varten. Lyhyet syöttöjohdot syöttävät virtaa aktiivisille komponenteille. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Koekytkentäalustan käyttö vaatii jonkin verran kurinalaisuutta. Esimerkiksi johtimissa kannattaa käyttää värikoodausta: punainen positiiviselle kiskolle, musta negatiiviselle ja vihreä maadoitukselle ja niin edelleen. Hyppyjohtimien sijoittaminen litteäksi kortin pintaa vasten selkiyttää kytkentää ja hyppyjohtimet kannattaa asetella mikropiirin ympärille, ei sen yli. Näin mikropiirejä voidaan testata ja ne voidaan vaihtaa mahdollisimman helposti. Muuten koekytkentäalustasta saattaa monien muiden ”tilapäisratkaisujen” tilaan tulla täydellinen sekamelska, jonka vikoja on vaikea selvittää tai jäljittää (kuva 8).

Kuva 8: Hyppyjohtojen asennus vaatii huolellisuutta ja kurinalaisuutta, jos koekytkentäalustalla toteutettava projekti on vähänkään monimutkaisempi. Muuten lopputulos on käsittämätön johtosekamelska. (Kuvan lähde: Wikipedia)

Nykypäivän suunnitteluun sopivat koekytkentäalustat

Koekytkentäalustaa käytetään edelleen laajalti, sillä se on kätevä, joustava ja monipuolinen. Sillä on kuitenkin modernissa suunnittelussa merkittäviä rajoituksia, jotka liittyvät ratkaisujen korkeisiin kellotaajuuksiin sekä valmiiksi koottujen tietokonekorttien, RF-piirien, moduulien ja tehomoduulien yhdistelyyn. Tällaisten komponenttien käyttöön tarvitaan järjestelmä, jossa useita koekytkentäalustoja, prototyyppialustoja ja alikokoonpanoja voidaan integroida laajemmaksi valmiin järjestelmän toimintoja tukevaksi yksiköksi.

Phase Dock 10104 ‑kiinnitysprototyyppijärjestelmä on yksi esimerkki tällaisesta koekytkentäalustasta (kuva 9). Sen perusjärjestelmään kuuluu 10 × 7 tuuman perusmatriisi, jonka käyttöala on 54 neliötuumaa, viisi elektroniikan asennukseen tarkoitettua Click-elementtiä (kahta eri kokoa) sekä Arduino-, Raspberry Pi- tai vastaavien moduulien asennukseen käytettävät Slide-elementit. Lisäksi siinä on pieniä metalliosia, kuten ruuveja, joilla suunnittelija voi koota Click/Slide-yhdistelmät, kiinnittää elektroniikkaa Slide-elementteihin, kiinnittää elektroniikkaa suoraan Click-elementteihin (ilman Slide-elementtejä), lisätä korkeampia tornimaisia elektroniikkaosia sekä hallita johtimia ja kaapeleita. Lisävarusteena saatavalla kirkkaalla muovikannella voi suojata koko ratkaisun, viimeistellä sen ulkoasun ja helpottaa kuljetusta.

Kuva 9: Phase Dock 10104 ‑kiinnitysprototyyppijärjestelmän perusversioon kuuluu perusmatriisi (ylimpänä), elektroniikan asennukseen tarkoitetut Click-elementit (keskirivi), Arduinon ja vastaavien alustojen käyttöön tarkoitetut Slide-elementit (alarivi) sekä kaikista tärkein osa eli asennustarvikkeet (alarivissä vasemmalla). (Kuvan lähde: Phase Dock, Inc.)

Tämän tuotekehitysjärjestelmän avulla voidaan yhdistää yhdelle alustalle erilaisia koekytkentäalusta- ja moduuliteknologioita, kuten koekytkentäalustoja, kantaruuviliittimiä ja muita liittimiä käyttäviä erikoiskortteja, SparkFun RedBoard -alustojen kaltaisia prosessorialustoja ja jopa erillisten kytkimien ja potentiometrien kiinnikkeitä (kuva 10). Nämä voidaan kaikki kiinnittää vakaasti Phase Dock ‑alustaan ja sen jälkeen kytkeä ne järjestelmäkonseptin testausta ja virheenkorjausta varten, sillä tärkeimmät signaalit ja testipisteet ovat helposti käytettävissä.

Kuva 10: Phase Dock ‑järjestelmä tukee erityyppisten komponenttien asennusta ja järjestelmäelementtien kytkemistä toisiinsa. Tällaisia elementtejä ovat esimerkiksi tämän automaattisen ohjausjärjestelmän koekytkentäalustat (valkoinen), erikoispiirilevyt (vihreä) sekä SparkFunin Redboardsin kaltaiset prosessialustat (punainen). (Kuvan lähde: Phase Dock, Inc.)

Toimittajien arviointialustojen käyttö koekytkentäalustana

Etenkin alhaisen tason signaaleille, tarkkaan vahvistamiseen ja RF-signaalin käsittelyyn tarkoitettuihin erittäin suorituskykyisiin mikropiireihin on nykyään lähes poikkeuksetta saatavana arviointialustoja tai ‑sarjoja. Tämä on tarpeen, koska näin kehittyneet komponentit edellyttävät sopivien tukikomponenttien (yleensä passiivisten) käyttöä sekä huolellista layoutia ja kytkemistä, jotta niiden suorituskykyä voitaisiin arvioida kohdesovelluksessa ja jotta ne voidaan integroida järjestelmän muihin osiin. Suunnittelijat joutuvatkin ratkaisemaan, miten tällaisia arviointialustoja voi hyödyntää parhaiten, sillä niiden käyttökelpoisuus lopullisen järjestelmän suunnittelussa vaihtelee erittäin hyödyllisestä suoranaiseen haittaan.

Esimerkiksi komponentin täysimittaiseen hyödyntämiseen tarkoitetussa arviointialustassa tarvitaan myös muistin, paikallisten DC-DC-regulaattorien ja ehkä jopa mikrokontrollerien kaltaisia tukikomponentteja. Nämä komponentit voivat olla välttämättömiä arvioinnin kannalta, mutta ne saattavat myös häiritä varsinaisen kohdemikropiirin käyttöä suunnittelijan tuoteratkaisussa.

Toisaalta monissa näistä arviointialustoista on välttämättömien erikoisliittimen kaltaisia komponentteja. Arviointialustan käyttö vapauttaa suunnittelijan tarpeesta suunnitella piiri uudelleen (eli tavallaan keksiä pyörä uudelleen). Huolellisesti toteutettu ja asianmukaisesti dokumentoitu arviointialustalla toteutettu suunnitelma on yleensä yhtä hyvä tai parempi kuin sellainen piiri, jonka on suunnitellut toimittajan mikropiirit perusteellisesti tunteva työntekijä.

Suunnittelijan haasteena onkin toimittajien arviointialustojen tarjoamien etujen tunnistaminen ja hyödyntäminen koekytkentäalustan kanssa. Otetaanpa esimerkiksi Analog Devices ADL6012:n kaltainen ”pieni” mikropiiri, 2–67 GHz:n laajakaistainen verhokäyrän ilmaisin 500 megahertsin (MHz) kaistanleveydellä. Tämän 10-jalkaisen LFCSP-komponentin peruskytkennät vaikuttavat kytkentäkaavion perusteella melko yksinkertaisilta, mutta niiden käyttö on todellisuudessa vaikeampaa, sillä se edellyttää huolellista layoutia, ohitusta ja laadukkaita RF-liittimiä (kuva 11).

Kuva 11: Laajakaistaisen verhokäyrän ilmaisimen Analog Devices ADL6012 käyttö vaikuttaa paperilla melko yksinkertaiselta, mutta sen suunnitteluratkaisuihin ja layoutiin liittyy lukuisia huolellisuutta vaativia yksityiskohtia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Jos tätä RF-mikropiiriä halutaan käyttää omassa suunnitelmassa, kannattaa ensin perehtyä sen ominaisuuksiin, testata sen rajapinnat ja hienosäätää sen soveltuvuus varsinaiseen projektiin ADL6012-EVALZ-arviointialustan avulla jo koekytkentäalustavaiheessa ennen lopullisen piirikaavion laatimista ja layoutin sekä koteloinnin suunnittelua (kuva 12).

Kuva 12: ADL6012-EVALZ-arviointialusta vapauttaa suunnittelijan tämän yksinkertaiselta vaikuttavan, mutta monimutkaisen mikropiirin yksityiskohtien miettimiseltä. Mikropiirin käyttö koekytkentäalustassa nopeuttaa tuotekehitystä ja vähentää turhautumista. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Koekytkentäalustan käytön haasteena on arviointialustan käytön, virtalähteiden lisäämisen ja RF-tulovahvistimen sekä määritetyn differentiaalisen lähtökuorman fyysinen mahdollistaminen. Lisäksi alustalle täytyy sovittaa prototyyppivaihetta edeltävässä vaiheessa mahdollisesti prosessori ja rajapinnat. Vasta sen jälkeen voidaan siirtyä prototyyppituotteen konfigurointiin. Siihen tarvitaan erilaisten koekytkentäalustatekniikoiden, -alustojen ja lähestymistapojen yhdistämistä.

Yhteenveto

Suunnittelijat voivat adapterien ja kytkentäkorttien avulla integroida, kytkeä, käyttää ja arvioida pieniä, usein jalattomia komponentteja, joita käytetään nykyään melkeinpä kaikissa tuotteissa. Edelleen laajalti käytössä olevien koekytkentäalustojen lisäksi on saatavana uudempia ratkaisuja, joiden avulla voidaan yhdistellä erilaisia komponentteja, moduuleja ja muita kokoonpanoja. Ne parantavat asennuksen ja johdotuksen fyysistä kestävyyttä ja vähentävät sotkuisen näköisiä, virhealttiita ja epäluotettavia ratkaisuja. Adapterien ja koekytkentäalustojen käyttö nopeuttaa testaus- ja virheenkorjausvaihetta ja auttaa toteuttamaan toimivia prototyyppejä nopeammin.