В виртуальной среде теперь можно не только анализировать частотные характеристики и уровни шума схем со смешанными сигналами, но и оценивать их электромагнитную совместимость перед размещением любой интегральной схемы на печатной плате. Эти симуляции позволяют с высокой степенью уверенности в проектировании обойтись без инвестиций в высокопроизводительное испытательное оборудование для тщательного анализа схемы. Моделирование помогает избежать ошибок компоновки схемы, что позволяет быстро и легко проводить окончательное тестирование с использованием арендованного оборудования.

Доступные по цене инструменты, такие как Altium и LabVIEW от National Instruments, полезны не только для выполнения SPICE-моделирования, которое имеет решающее значение для оценки аналоговых характеристик базовой схемы, но и для задач, определяющих производительность проекта после его компоновки и сборки. Например, калькуляторы компоновки печатных плат могут выявлять паразитные дорожки, связанные с трассированными дорожками, а анализаторы целостности сигналов могут указывать на потенциальные проблемы перекрестных помех и шума.

Аппаратные прототипы и мелкосерийное производство.
Несмотря на доступные сегодня возможности моделирования, аппаратный прототип часто является единственным подходящим решением. Команде могут потребоваться аппаратные реализации для проверки предположений, которые слишком сложны или трудоемки для выполнения в виртуальной среде. Например, программно-управляемый контур управления, предназначенный для работы на микроконтроллере, может потребовать оценки его стабильности в диапазоне возможных условий при воздействии реальных сигналов в реальном времени. Программный симулятор набора инструкций может просто не обеспечить своевременную выдачу результатов или не работать с реалистичными входными данными. С другой стороны, при оценке производительности различных антенн в радиочастотной (РЧ) конструкции, это часто лучше всего достигается путем тестирования различных конфигураций в сочетании с аппаратным прототипом.

Также возможно, что проект достиг той стадии, когда требуется полевое тестирование и приемка заказчиком. В контексте Интернета вещей (IoT) особенно важно увидеть, как многочисленные сетевые устройства взаимодействуют друг с другом и с облаком. На этом этапе команде следует рассмотреть варианты прототипирования и, возможно, мелкосерийного производства, чтобы обеспечить достаточное количество оборудования для успешного полевого тестирования.

У команды есть несколько вариантов. Лучший из них будет зависеть от ряда факторов. Варианты варьируются от добавления специализированных плат ввода-вывода к существующему одноплатному компьютеру до аутсорсинга мелкосерийного производства субподрядчику. Если цель состоит в том, чтобы убедиться, что программное обеспечение будет работать должным образом в циклическом тестировании основных функций оборудования, имеет смысл использовать совместимый одноплатный компьютер и заказать прототип платы ввода-вывода, если доступная плата не имеет необходимых интерфейсов или если эти интерфейсы работают недостаточно эффективно. Даже если окончательная конструкция потребует специализированной печатной платы, возможно, с использованием другого варианта встроенного микроконтроллера, прототип предоставит достаточно полезной информации, чтобы оправдать его использование и минимизировать изменения программного обеспечения, необходимые для серийной версии. Изолировав специализированные платы ввода-вывода на дочерней плате, команда может минимизировать время и затраты, необходимые для создания работоспособного прототипа.

Прототипы, разработанные по индивидуальному заказу:
В некоторых случаях использование комбинации стандартного оборудования с пользовательскими интерфейсами ввода-вывода не обеспечит тот же уровень производительности, что и прототип, разработанный по индивидуальному заказу. Проверка гипотез о целостности сигнала может потребовать создания печатной платы, максимально приближенной к окончательной серийной модели. Полевые испытания часто требуют оборудования, которое соответствует очень ограниченным физическим параметрам или энергопотреблению. В этом случае выбор сводится к двум вариантам: возможности собственной лаборатории для создания рабочего прототипа или сроки и стоимость полной сборки оборудования субподрядчиком.

Если сложность аппаратной части относительно невелика, может подойти вариант на основе макетной платы. Это может быть целесообразно при объединении одноплатного компьютера с дочерней платой ввода-вывода, поскольку количество компонентов, монтируемых на макетной плате, будет относительно небольшим. Если компоненты в основном дискретные, проще найти встраиваемые устройства, совместимые с платформами макетных плат. Опытные дистрибьюторы могут проконсультировать группу разработчиков по вариантам корпусов для разработки прототипов и поддержать переход к компонентам поверхностного монтажа для конечного производства.

Важность упаковки:
Варианты упаковки являются ключевым фактором при определении того, лучше ли заказывать полностью собранные прототипы у субподрядчика или выполнять часть сборки в собственной лаборатории проектной группы. Распространенный подход предполагает использование таких инструментов, как Altium и Autodesk, для проектирования печатной платы в качестве прототипа, а затем сборку необходимых компонентов в лаборатории. Это требует сочетания экспертных знаний в области проектирования и доступа к недорогому лабораторному и испытательному оборудованию.

В отличие от макетной платы, разработчики могут использовать не только компоненты в корпусах с возможностью вставки, но и компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа. Однако существуют практические ограничения на то, что реально можно собрать и спаять в лабораторных условиях. Это связано с разным уровнем точности между ручной работой и автоматизированным оборудованием для установки компонентов, которое может размещать крошечные компоненты с точностью до долей миллиметра. В некоторой степени поверхностное натяжение горячего припоя (при условии, что он нанесен достаточно точно на поверхность печатной платы) поможет позиционировать небольшие дискретные компоненты. Однако очевидно, что вручную проще устанавливать дискретные компоненты, поставляемые в более крупных корпусах для поверхностного монтажа или вставных версиях, чем компоненты 0402 или более мелкие компоненты для поверхностного монтажа.

Аналогично, компоненты поверхностного монтажа с выводами по периметру, такие как корпуса QFP (quad flat-pack), проще размещать и паять в лабораторных условиях, чем корпуса BGA (ball-grid array), поскольку инженер может проверить выравнивание выводов перед пайкой. Многие интегральные схемы поверхностного монтажа доступны в различных корпусах, поэтому версия QFP может использоваться для мелкосерийного производства и прототипирования, в то время как корпуса BGA или CSP используются в серийном производстве. Дистрибьюторы с опытом поддержки проектирования могут посоветовать, какие компоненты подходят для подхода с использованием двухкомпонентных корпусов, когда прототип использует один формат, а готовая плата — более дешевую или компактную версию. Инструменты моделирования помогут выявить любые потенциальные изменения целостности сигнала или трассировки ввода-вывода, которые могут потребоваться для перехода от прототипа к серийному производству.

Настольные инструменты для облегчения сборки в лаборатории:
Некоторые распространенные настольные инструменты, такие как паяльники с тонким наконечником, облегчают сборку в лаборатории. Сегодня микроскоп является незаменимым помощником при сборке устройств с малым шагом выводов на печатных платах. Стереоскопический микроскоп с зумом обычно обеспечивает кольцевое освещение, помогающее точно размещать компоненты и проводить контроль после оплавления. Впрыскивание паяльной пасты — еще один важный инструмент. Сжатый воздух обычно используется для многократного нанесения контролируемого количества паяльной пасты на плату. Высокий уровень контроля над дозированием значительно упрощает сборку корпусов, таких как QFP, с большим количеством близко расположенных выводов.

Для самой операции пайки оплавлением инженер может использовать нагревательную плиту для оплавления, предназначенную для оплавления небольших участков платы за раз. В качестве альтернативы, все компоненты можно собрать перед переносом в настольную печь для оплавления.

Поскольку определенный уровень отказов припоя неизбежен (за исключением самых опытных инженеров), инструменты для тестирования и восстановления имеют важное значение. Нагревательные плиты и инструменты с горячим воздухом помогают удалять смещенные или дефектные компоненты, подготавливая их к повторной пайке. Мультиметр является важным инструментом тестирования, поскольку его можно использовать для проверки любых видимых контактов и поверхностных дорожек при проверке соединений. Компания Farnell предлагает широкий ассортимент лабораторного оборудования, производимого такими специалистами, как Metcal и Weller, и имеет собственную экспертизу, чтобы проконсультировать вас по вопросам прототипирования и восстановления.

Заключение:
У проектных групп есть множество вариантов и возможностей при создании и использовании прототипов в процессе разработки продукта. Опытные дистрибьюторы могут предложить ценные советы по наличию подходящих компонентов для лабораторной сборки и оптимальным методам доставки субподрядчикам, а также по модификации упаковки и вариантов поставки в соответствии с требованиями конечного производства. Они также могут подсказать группам, какие инструменты лучше использовать в лаборатории, если сборка собственными силами является оптимальным вариантом. Теперь все, что нужно, — это воображение и навыки инженера, чтобы воплотить идею продукта в жизнь.

Саймон Мидмор, глобальный руководитель отдела IP&E в компании Farnell – www.farnell.com -