הערכות והמתאמים הנכונים מאפשרים לוחות אב-טיפוס גמישים ויעילים עם רכיבים מודרניים

הודות לשימוש נרחב בהתקנים אקטיביים ופסיביים זעירים ובתדרי פעולת מעגלים עד לתחום הגיגה-הרץ (GHz), יצירה והערכה של תכן מעגלים לפני שמתחייבים ללוח מעגלים מודפסים, ולאחר מכן התקדמות לאב-טיפוס כמעט סופי, הוא אתגר יותר ויותר קשה ולעתים מתסכל. ערכות וטכניקות לוח אב-טיפוס (Breadboard‏) המתאימים עבור התקנים עם מוליכים ומעגלים-משולבים (IC) במארזים כפולים בקו-אחד (DIP‏) אינם תואמים למארזי המעגלים-המשולבים (IC‏) בצפיפות גבוהה, לפדי המוליכים מתחת למארז, להתקני טכנולוגיית הרכבה-משטחית (SMT‏) שכמעט ואינם נראים, כמו גם למודולי RF או מעבדים של היום.

עם זאת, יש חדשות טובות בצורה של כלי פיתוח מבוססי שולחן עבודה המאפשרים ליצור לוחות אב-טיפוס בסיסיים, תוך שילוב עם מודולי תת-מעגלים נפרדים. באמצעות מערכות לוחות אב-טיפוס, חובבים, יוצרנים, ואוהבי עשה זאת בעצמך (DIY), כמו גם אנשי מקצוע הנדסיים, יכולים לבנות, לבדוק ולשלב תת-חלקים של המוצר הכולל לתוך יחידה שלמה ופונקציונלית.

מאמר זה בוחן את הסוגיות הבסיסיות הקשורות ללוחות אב-טיפוס של רכיבי אלקטרוניקה מודרניים. לאחר מכן הוא בוחן כיצד ניתן להשתמש במתאמים וערכות לוחות אב-טיפוס של ספקים כגון Aries Electronics‏, .Inc‏ ,SchmartBoard‏, Adafruit Industries LLC‏, Global Specialties‏ ו- .Inc‏ ,Phase Dock‏ כבסיס לאבות- טיפוס הדומים יותר למוצר הסופי.

לסיום, הוא מראה כיצד אלו מקלים על בניית לוחות אב-טיפוס שימושיים ואמינים היכולים לאמת טופולוגיות וממשקי מעגלים, לאפשר חיבור למודולים ולוחות הערכה עצמאיים לפי הצורך ולהוביל לאבות-טיפוס בעלי-משמעות.

מהיכן הגיע המונח Breadboard‏, לוח או קרש לחם בתרגום מילולי, למשמעותו באלקטרוניקה "לוח אב-טיפוס"?

השימוש במונח "קרש לחם" עבור מעגל שנראה מחוספס ואף גס עשוי להיראות מסתורי, אך מקורו הוא ברור ומתועד היטב. בימיה הראשונים של האלקטרוניקה, עם מכשירי רדיו גביש עם הספקת-כוח-עצמית ואפילו מכשירי רדיו בסיסיים עם שפופרות ואקום, נסייני עשו-זאת-בעצמכם (DIY) ויוצרנים (Makers, לפני שמילה זו הייתה בשימוש בהקשר של היום), היו בונים מעגלים על קרש או לוח עץ אשר שימש בדרך כלל לחיתוך לחם. הם השתמשו בנעצים או במסמרים כנקודות החיבור וליפפו את החוטים סביבם, ולעתים אף הלחימו חיבורים אלו (איור 1).

איור 1‏: המונח "קרש לחם" נובע משימוש בלוח חיתוך מעץ כבסיס למעגלים אלקטרוניים מסוג DIY כגון רדיו עם שלוש שפופרות זה. (מקור התמונה: Warren Young / Tangentsoft.net)

כמובן שהקרשים ללחם מעץ כפלטפורמות למעגלים המשתמשים ברכיבים מודרניים הפכו למיושנים. למרות זאת, המונח "קרש לחם" הפך למונח סטנדרטי הקשור למעגלי הדגמה או תת-מעגלים שנבנו בצורה גסה. התקדמות טכנולוגיית האלקטרוניקה משפופרות ואקום לטרנזיסטורים ורכיבים פסיביים עם מוליכים, מעגלים-משולבים (IC‏) DIP‏, וכעת להתקני הרכבה-משטחית כמעט בלתי-נראים, השפיעה משמעותית על טכניקות ופלטפורמות לוחות אב-טיפוס.

מה ההבדל בין "קרש לחם" לאב-טיפוס

שאלה ברורה נוגעת להבדל בין "קרש לחם" לאב-טיפוס. אין תיחום רשמי בין השניים, ולעתים משתמשים במושגים לסירוגין. עם זאת, רוב המהנדסים משתמשים במונח "לוח אב-טיפוס" כדי לסמן פרישה גסה של מעגל או תת-מעגל אשר צריך לתמוך בשלבי תכנון מקדמיים, כולל:

• בדיקת יכולת המימוש של הרעיון הבסיסי, הפונקציה או גישת התכנון של המעגל.
• פיתוח ואימות מנהלי ההתקנים של התוכנה.
• הבטחת תאימות של הממשקים בין תת-מעגלים או בין מעגל ומתמר או עומס.
• עיבוד פרוטוקולים ופורמטים של קישורי נתונים.
• פיתוח ואימות מודל משוער.
• הערכת מעגל וביצועים פונקציונליים.

מהרשימה לעיל, קל לראות את התפקידים החשובים הרבים שממלא לוח אב-טיפוס בתכנון המוצר, למרות שזו אינה מערכת שלמה והיא חסרה את המארז כמו גם הרבה מאפיינים אחרים של המוצר הסופי. לדוגמה, לוח אב-טיפוס מסתמך לרוב על הספקת-כוח חיצונית ולא על הספקת-כוח פנימית של המוצר הסופי. בשל הפרישה הרחבה והפתוחה, לוח אב-טיפוס מתאים לרוב לבדיקות, כיוונונים ואפילו להחלפת רכיבים. עם זאת, המציאות הפיזית של פרישה כה רחבה פירושה שחלק מיכולות הביצועים אינן זמינות, במיוחד אלו הקשורות לפעולה בתדר גבוה יותר, עקב הפרישה ואינטראקציות ורכיבים פרזיטיים.

בניגוד ללוח אב-טיפוס בלבד, אב-טיפוס שלם קרוב הרבה יותר למוצר הסופי ומשתמש באותם רכיבים, מארז, גורם צורה ו- I/O‏ משתמש. בנוסף להיותו מושלם פונקציונלית, אב-טיפוס שלם משמש לעיתים לבדיקת שיקולי ייצור כגון Clearance‏ פיזי, נושאי הרכבה, מסלולים תרמיים, אינטראקציית משתמש והנראות והאטרקטיביות הוויזואלית.

נתחיל עם מתאמים בסיסיים

לוחות אב-טיפוס של היום דורשים את היכולת לחבר ולהשתמש במעגלים-משולבים (IC‏) זעירים שהם נפוצים בתכנים מודרניים. לדוגמה, אפשר להלחים SOT-23 IC עם שישה-מוליכים ללוח מעגלים מודפסים גדול יותר, אך יצירת חיבורים להתקן - ובמיוחד שינויים - יהיו קשים בשל גודלו הקטן ופסיעת המוליכים הצרה. המצב מאתגר יותר כאשר ל- IC יש פדי בליטה רק מתחת לגוף.

פתרון אחד הוא שימוש בהתקן כגון מתאם שקע LCQT-SOT23-6‏ מבית Aries Electronics‏. הוא הופך את ה- SOT-23 לבית DIP עם שישה מוליכים (איור 2). ברגע שהתקן SOT-23 נראה כ- DIP עם מרווח מוליכים של 0.1 אינץ', ניתן להשתמש בו ביחד עם אחד מפתרונות לוח אב-טיפוס המיועדים עבור התקני DIP גדולים יותר.

איור 2: מתאם השקע LCQT-SOT23-6 הופך מארז SOT-23 זעיר וקשה לטיפול להתקן DIP שקל הרבה יותר לטפל בו, עם מרווחי מוליכים סטנדרטיים של DIP. (מקור התמונה: Aries Electronics‏)

תכנים רבים משתמשים במערך של רכיבי SMT עם גודלי מארז ותצורות פינים שונים. עבור מצבים אלה, מספר מתאמי שקע IC-יחיד עלולים להיות לא נוחים לטיפול ולחיברור. לוח מתאם ‎202-0042-01-QFN‏ מבית Schmartboard‏ יכול להקטין למינימום את הבלבול האפשרי (איור 3). לוח 2 × 2 אינץ' זה מקבל עד חמישה מעגלים-משולבים (IC‏) שונים עם 16 ו- 28 פינים עם פסיעה של 0.5 מילימטר (מ"מ), 20 פינים עם פסיעה של 0.65 מ"מ ו- 12 ו- 16 פינים עם פסיעה של 0.8 מ"מ (עבור התקני QFN).

איור 3‏: לוח מתאם כגון ‎202-0042-01-QFN‏ מתאים להלחמה ופילוג חיבורים על-הלוח עבור מספר מארזי IC‏ SMT‏. (מקור התמונה: SchmartBoard)

ה- ‎202-0042-01-QFN‏ משתמש בטכנולוגיה מוגנת-פטנט על מנת לאפשר הלחמה ידנית מהירה, קלה וללא בעיות של רכיבי הרכבה-משטחית זעירים אלו. בנוסף, החורים-העוברים המצופים הרבים הקשורים לכל פין IC מקלים על חיבור הרכיבים זה לזה, במידת הצורך, או להתקנים ולוחות אחרים.

לפעמים האתגר של לוח אב-טיפוס הוא לא בחיבור ל- IC אלא בגישה וניטור הפינים של כבל או מחבר התקן היקפי. לדוגמה, כאשר מחבר RS-232 עם 25 פינים היה ממשק התקשורת הדומיננטי, "תיבת פילוג" עם מתגי הפעלה/כיבוי והדקי מגשר עבור רוב הפינים הייתה נפוצה ממש כמו רב-מודד (איור 4).

איור 4: תיבת פילוג RS-232 זו היא חיונית עבור ניטור וסידור-מחדש של החוטים בכבל עם 25 פינים של אותו מחבר ותקן שהיה בעבר בשימוש נרחב ביותר. (מקור התמונה: Wikipedia)

למרות שכמעט ואין צורך בתיבות RS-232 אלו כיום, יש צורך דומה בפונקציונליות פילוג עבור התקנים היקפיים כגון כרטיסי Micro SD. מתאם שימושי עבור פונקציה זו הוא לוח פילוג לכרטיסי Micro-SD‏ 254‏ מבית Adafruit Industries המאפשר למתכננים להתחבר, לבדוק ולאמת הן את חיבורי ממשק החומרה והן את תוכנת הדוחף עבור כרטיסי זיכרון אלו הנמצאים בשימוש נרחב (איור 5).

איור 5‏: באמצעות לוח פילוג לכרטיסי Micro-SD‏ 254‏ מבית Adafruit, המתכננים יכולים להתממשק, לגשת ולנטר בקלות אותות בין מעבד המערכת לבין התקן זיכרון היקפי זה. (מקור התמונה: Adafruit)

הלוח כולל מייצב עם מפל-מתח אולטרה-נמוך להמרת מתח בין 3.3 וולט ו- 6 וולט עד כדי 3.3 וולט לכרטיס ה- Micro SD, ומסיט רמה להמרת לוגיקת הממשק (3.3 וולט עד 5 וולט) ל- 3.3 וולט כך שהלוח יכול להתחבר עם מיקרו-בקרים 3.3 וולט או 5 וולט. פסיעה נפרד ניתן להלחמה לתוך המתאם כדי להביא חיבורים החוצה לפינים המרווחים עם פסיעה של 0.1 אינץ'.

מחוץ למתאמים

מתאמים יכולים לפתור בעיות בחיבור לרכיבים בודדים, אך אלה הם רק אבני הבניין של התכן הסופי. הרכיבים הנגישים כעת צריכים להתחבר לרכיבים אקטיביים ופסיביים אחרים, לתמוך בממשקי כניסה/יציאה (I/O), לאפשר החלפת רכיבים ולספק נקודות בדיקה פורמליות ואפילו בדיקות בלתי-צפויות.

אחד מלוחות אב-טיפוס הראשונים שקיבלו בקלות ובאופן ישיר התקנים במארזים בקו-אחד (DIP), כמו גם רכיבים בדידים עם מוליכים, היה לוח אב-טיפוס ללא-הלחמה שפותח בשנות השישים ועדיין נמצא בשימוש נרחב. הוא נוח, נגיש, קל לשימוש ותומך בצפיפות רכיבים סבירה.

דוגמה לכך היא מכלל לוח אב-טיפוס ללא-הלחמה מוזן חיצונית PB-104M‏ מבית Global Specialties, המתאים היטב עבור אב-טיפוס של מעגלי תדר נמוך (איור 6). הוא מורכב בתוך מסגרת בגודל של 21 × 24 סנטימטר (ס"מ) (9.45‏ x‏ 8.27 אינץ') וכולל 3220 נקודות קשירה וארבעה זקפי חיבור עבור ספקי-כוח, ותומך ב- 28 מעגלים-משולבים (IC‏) של 16 פינים; המגשרים מיוצרים באמצעות חוטים בקוטר 0.4 מ"מ עד 0.7 מ"מ החשופים בקצה. המפתח לוורסאטיליות של לוח אב-טיפוס זה הוא שהחורים נמצאים במרחק של 0.1 אינץ' זה מזה כדי לקבל רכיבי DIP סטנדרטיים כמו גם פינים של מתאמים ופסי-פינים, בנוסף למוליכי חוט.

איור 6‏: מכלל לוח אב-טיפוס ללא-הלחמה PB-104M מבית Global Specialties מקבל מספר מעגלים-משולבים (IC‏) DIP‏, מתאמים עם חתימת-שטח DIP‏, רכיבים בדידים עם מוליכי חוט, ומגשרי חוט נפרדים. (מקור התמונה: Global Specialties)

בשימוש, לוח האב-טיפוס ללא-הלחמה הוא פלטפורמה בה מחוברים מעגלים-משולבים (IC‏) DIP‏ ורכיבים אחרים באמצעות חתיכות קצרות של חוט מוצק המוחדר לתוך חורים, המתחברים גם אל מוליכי הרכיבים. שני הפסים החיצוניים לאורך כל צד שמורים בדרך כלל להספקת-כוח והארקה, והם מספקים כוח לרכיבים האקטיביים באמצעות חוטי הזנה קצרים (איור 7).

איור 7‏: בלוח אב-טיפוס ללא-הלחמה, שני הפסים החיצוניים לאורך כל צד שמורים בדרך כלל להספקת-כוח והארקה. חוטי הזנה קצרים מחברים את הפסים לרכיבים האקטיביים. (מקור התמונה: Analog Devices)

חשוב לשמור על משמעת מסוימת כשמשתמשים בלוח אב-טיפוס ללא-הלחמה. לדוגמה, מומלץ להשתמש בקידוד צבעים כדי לזהות את החוטים, כגון אדום לפס החיובי, שחור לפס השלילי וירוק להארקה. כמו כן, על המשתמשים לדאוג לפרוש את חוטי המגשר שטוחים על הלוח כדי להקטין למינימום את אי-הסדר, ולנתב מגשרי חיברור סביב המעגלים-המשולבים (IC‏) ולא מעליהם, כך שניתן יהיה לבדוק את המעגלים ואף לשנותם עם מינימום הפרעה. אחרת, לוח אב-טיפוס ללא-הלחמה - כמו כל כך הרבה יישומים "זמניים" אחרים - יכול להיות קשה לניפוי באגים או למעקב (איור 8).

איור 8‏: זהירות ומשמעת הנדרשים בעת התקנת המגשרים אפילו בפרוייקט הקטן ביותר על לוח אב-טיפוס ללא-הלחמה; אחרת התוצאה עלולה להיות מבוך של חוטים שלא ניתנים לפענוח. (מקור התמונה: Wikipedia)

תמהיל של לוחות אב-טיפוס עבור התכנים של היום

לוח אב-טיפוס ללא-הלחמה עדיין נמצא בשימוש נרחב בשל הנוחות, הגמישות והוורסאטיליות שלו, אך יש לו מגבלות חמורות בתכנים מודרניים הפועלים בקצבי שעון ותדרים גבוהים, ומשלבים לרוב לוחות מחשב, מעגלי RF,מודולים ומודולי הספקת-כוח מורכבים-מראש. כדי להשתמש בהם, יש צורך במערכת המאפשרת שילוב של מספר לוחות אב-טיפוס, פלטפורמות אב-טיפוס ותת-מכללים בתוך יחידה גדולה יותר שתוכל לאחר מכן לתמוך בפונקציונליות המערכת השלמה.

לוח אב-טיפוס אחד כזה הוא מערכת בניית אב-טיפוס להרכבה Phase Dock 10104 (איור 9). מערכת הליבה מורכבת ממטריצת בסיס בגודל 10 × 7 אינץ' עם 54 אינץ'-רבוע של משטח עבודה, חמישה "לוחות Click" בשני גדלים המשמשים להרכבת אלקטרוניקה, וכן "לוחות Slides” המשמשים להרכבת מודולי Arduino‏, Raspberry Pi‏או מודולים דומים; היא כוללת גם את פריטי החומרה הקטנים כמו ברגים המאפשרים למהנדסים להרכיב את שילובי לוחות Click/Slide, אלקטרוניקה המורכבת על לוחות Slides, אלקטרוניקה המורכבת ישירות על לוחות Click (ללא Slides), הוספת אלקטרוניקת "מגדל" בפרופיל גבוה יותר, וניהול החוטים והכבלים. ישנו גם מכסה פלסטיק שקוף אופציונלי המספק הגנה, משפר את המראה ומקל על ההובלה.

איור 9‏: מערכת בסיסית לבניית אב-טיפוס להרכבה Phase Dock 10104 כוללת מטריצת בסיס (למעלה); לוחות Click‏ עבור הרכבת אלקטרוניקה (בשורה האמצעית); לוחות Slides‏ עבור שימוש ב- Arduino ופלטפורמות דומות (שורה תחתונה); ןחןמרת הרכבה שהיא כל כך חשובה (שורה תחתונה - משמאל). (מקור התמונה: .Inc‏ ,Phase Dock‏)

מערכת פיתוח מוצרים זו מאפשרת לערבב על פלטפורמה אחת טכנולוגיות לוחות אב-טיפוס ומודולים שונים, כגון לוחות אב-טיפוס ללא-הלחמה, לוחות מיוחדים עם הדקי ומחברי בורג, פלטפורמות מעבדים כגון RedBoards‏ מבית SparkFun‏, ואפילו מסגרות המחזיקות מתגים ופוטנציומטרים בדידים (איור 10). כולם מורכבים בצורה יציבה על בסיס ה- Phase Dock ולאחר מכן מחוברים לפי הצורך כדי לבחון את תפיסת המערכת ולנפות באגים בעזרת הגישה ההכרחית לאותות העיקריים ולנקודות הבדיקה.

איור 10‏: מערכת Phase Dock תומכת בהרכבה של "ערבוב והתאמה" ובחיברורים של אלמנטי מערכת הכוללים לוחות אב-טיפוס ללא-הלחמה (בלבן), לוחות מעגלים מודפסים מיוחדים (בירוק), ופלטפורמות מעבדים כגון RedBoards‏ מבית SparkFun (באדום) עבור מערכת בקר אוטומטית זו. (מקור התמונה: .Inc‏ ,Phase Dock‏)

לוחות הערכה של ספקים המשתמשים בלוחות אב-טיפוס

מעגלים-משולבים (IC‏) עם ביצועים עיליים - במיוחד אלו המשמשים עבור אותות ברמה נמוכה, הגברה מדויקת, או עיבוד אותות RF‏ - מוצעים כעת כמעט בהכרח עם לוחות או ערכות הערכה. זה הכרחי מכיוון שהגדרת רכיבים מתקדמים כאלו כדי לבדוק את הביצועים שלהם ביישום היעד ושילובם עם שאר המערכת דורשים שימוש ברכיבי תמיכה מתאימים (בעיקר פסיביים), בתוספת פרישה וחיבורים מוקפדים. הבעיה של המתכננים היא איך הכי טוב לעבוד עם לוחות הערכה אלה, שכן התועלת שלהם ביחס לתכן המערכת הסופי נעה בין שימושית ביותר לבין מכשלה.

נבחן לוח הערכה שנועד לבדוק רכיב באופן מלא. ככזה, הוא כולל רכיבי תמיכה נוספים כגון זיכרון, מייצבי DC-DC‏ מקומיים ואולי אפילו מיקרו-בקר. אמנם ייתכן ויהיה צורך ברכיבים אלו עבור הערכה עצמאית, אך הם עלולים להפריע לשימוש בפועל של ה- IC‏ הנתון בתכן המוצר של המהנדס.

מצד שני, רבים מלוחות הערכה אלה כוללים רכיבים כגון המחבר המיוחד הנדרש. השימוש בלוח ההערכה משחרר את המתכנן מהצורך לבצע מחדש את המעגל ("להמציא את הגלגל מחדש"); תכן לוח הערכה עשוי היטב ומתועד כהלכה הוא לרוב טוב כמו או טוב יותר ממעגל שנוצר על ידי מישהו אצל היצרן שאולי מכיר מקרוב את ה- IC‏.

האתגר של המתכנן הוא אפוא להכיר ולמנף את היתרונות של לוח ההערכה המסופק על ידי יצרן לוח אב-הטיפוס. נבחן IC "קטן" כגון ה- ADL6012‏ מבית Analog Devices‏, גלאי מעטפת בפס-רחב של GHz‏ 2‏ עד GHz‏ 67‏ עם רוחב-פס של 500 מגה-הרץ (MHz). החיברור הבסיסי של LFCSP זה עם 10 מוליכים זה נראה די פשוט בתרשים הסכמטי שלו, אך השימוש בפועל קשה יותר מכיוון שהוא דורש פרישה קפדנית, עקיפה ומחברי RF מהרמה-העליונה (איור 11).

איור 11: חיבור ושימוש בגלאי מעטפת בפס-רחב ADL6012‏ מבית Analog Devices‏ נראה פשוט למדי "על הנייר", אך קיימות דקויות תכנון ופרישה רבות. (מקור התמונה: Analog Devices)

עבור מתכננים המעוניינים לשלב RF IC זה בתכן שלהם, יהיה זה סביר להבין תחילה את המאפיינים שלו, לבדוק את הממשקים שלו ול"כוונן" את ההתאמה שלו בפרויקט הכולל על ידי מינוף לוח ההערכה ADL6012-EVALZ‏ בשלב לוח אב-טיפוס, לפני יצירת סכמות סופיות ותכנון הפרישה והמארז (איור 12).

איור 12: לוח ההערכה ADL6012-EVALZ מקל על המתכנן להתמודד עם המורכבויות העדינות בתכנון IC זה הנראה פשוט אך הוא מתוחכם; שילובו בלוח אב-טיפוס מקצר את זמן פיתוח המוצר ומפחית את התסכול המלווה את פיתוחו. (מקור התמונה: Analog Devices)

אתגר לוח אב-טיפוס הוא לאפשר פיזית שימוש בלוח הערכה, להוסיף ספקי-כוח ולספק את מגבר כניסת ה- RF ואת עומס היציאה הדיפרנציאלי המוגדר, יחד עם כל מעבד וממשקים עבור שלב הטרום-אב-טיפוס המוביל לתצורת המוצר של אב-הטיפוס. פעולה זו תדרוש שילוב של טכניקות, פלטפורמות וגישות עבור בניית לוח אב-טיפוס.

סיכום

מתאמים ולוחות פילוג (Breakout) מאפשרים למתכננים לשלב, לחבר, לנסות ולהעריך רכיבים זעירים, לעיתים ללא-מוליכים שהם סטנדרטיים כמעט בכל המוצרים המודרניים. איטרציות חדשות יותר חורגות מעבר ללוחות אב-טיפוס ללא-הלחמה שעדיין בשימוש נרחב ומאפשרות ערבוב והתאמה של רכיבים, מודולים ומכללים אחרים. אלה משפרים את החוסן הפיזי ומקטינים למינימום את תהליכי ההרכבה והחיווט שהם לא ברורים מאליהם, לא-אמינים ומועדים לטעויות. השימוש במתאמים ולוחות אב-טיפוס אלו מאיץ את שלב ניפוי הבאגים ומוביל לאב-טיפוס בר-מימוש בפחות זמן.