Wie wird ein Prototyp erstellt?

Wie erfolgt das Prototyping in einer professionellen EE-Umgebung? Machen Sie Ihre Prototypen auf Steckbrettern, auf kupferbeschichteten Platinen im Manhattan-Stil oder zeichnen Sie nur Schaltpläne, bestellen Sie Leiterplatten, montieren Sie sie und arbeiten Sie damit, hacken Sie hier und da, wenn nötig?

Vor ungefähr 15 Jahren habe ich einmal einen neuen EE direkt aus einer Collage heraus angeheuert. An seinem ersten Arbeitstag fragte er mich, wie wir Prototypen herstellen (Steckbrett, Drahtwickel usw.). Ich sagte, wir machen direkt eine Leiterplatte und wenn es funktioniert, versenden wir es!

Während ich scherzte, ist dies nicht weit von der Wahrheit. 90% der von mir entworfenen Produkte (und ich habe viel getan) wurden auf diese Weise hergestellt. Wir entscheiden, was wir machen wollen und machen es dann. Häufig funktioniert die erste Version der Platine nicht perfekt, daher beheben wir sie so gut wie möglich und bauen eine weitere Runde Platinen. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis es funktioniert.

Der gleiche Vorgang wird auch für die nichtelektrischen Dinge durchgeführt. Das Metall- oder Kunststoffgehäuse usw.

Selten haben wir das Gefühl, dass eine rein forschungsorientierte Leiterplatte erforderlich ist. Dies ist der Fall, wenn die Technologie, die wir erfinden müssen, sehr schwierig ist und wir sie ausprobieren müssen, bevor wir die Ressourcen für die Herstellung eines tatsächlichen Produkts einsetzen können. In diesem Fall werden wir die Leiterplatte unter Berücksichtigung von F & E und nicht unter Berücksichtigung der Serienproduktion entwickeln. Dies bedeutet, dass die Teile auf der Leiterplatte so verteilt sind, dass sie leicht zu prüfen sind, und die Kosten für die Herstellung sind uns nicht so wichtig.

In jedem Unternehmen, für das ich gearbeitet habe, wurden Produkte so entwickelt. Diese Unternehmen waren keine Orte wie die Nasa, die mehr forschungsintensiv sind.

Ich arbeite für eine sehr kleine Firma, die eine sehr kleine Anzahl von Leiterplatten herstellt. Die Art und Weise, wie wir Prototypen herstellen, ähnelt wahrscheinlich eher der von David Kessner. Wir haben in der Regel sehr wenig Zeit und finanzielle Mittel, daher müssen wir oft erst wirklich versuchen, es richtig zu machen. Wenn dies nicht der Fall ist, müssen wir die Boards nur von Hand patchen.

Was unsere Leiterplatten so ungewöhnlich macht, ist, dass wir in Robotergeräten immer verzweifelt nach Raum streben und dieser Raum normalerweise eine dumme Form hat. Wenn ich einen Prototyp entwerfe, versuche ich zu beantworten: "Ist es möglich, dass diese Komponenten in diesen Raum passen?" Dieser Prototyp existiert manchmal nur im CAD, aber ich muss den größten Teil des Layouts durcharbeiten, bevor ich sicher sein kann, dass das Design machbar ist. Nachdem ich die meiste Designarbeit erledigt habe, werde ich dieses Design auf dem nächsten PCB-Lauf, den wir machen, auf einen freien Platz schleichen.

Diese kleine runde Leiterplatte hat beispielsweise nur einen Durchmesser von 15 mm, enthält jedoch 49 Komponenten und benötigt Platz für Drähte zum Auflöten von Pads, für Stromversorgung, Kommunikation und Programmierung. Ich habe das Layout gemacht, um zu sehen, ob es möglich ist. Es war, also ließ ich eins machen.

Trotzdem lohnt es sich, für eine komplexere Tafel eine große auszulegen, um sie zu untersuchen und zu untersuchen. Dieses Design wurde auf 100x100mm (massiv!) Ausgelegt und war für das Debuggen von unschätzbarem Wert. Dann wurde es auf das witzig geformte Board gelegt, das ein Albtraum von physischen Einschränkungen war, was das Hinzufügen von Debugging-Funktionen erschwerte. Ich war sehr froh, den Prototyp gehabt zu haben.

Es gibt kein einfaches "Board". Ein Produkt, das größtenteils eine Leiterplatte sein kann, durchläuft mehrere Schritte.

Die meiste Zeit entwerfe ich die Schaltung für das, was wir glauben, dass das Produkt tun soll, aber die erste Version ist eine Prüfstands-Testplatine. Dies gibt nicht einmal vor, die endgültige mechanische Form zu haben. Es ist eine Platine mit so viel Platz, dass man herumtasten, nötigenfalls Änderungen vornehmen usw. Normalerweise handelt es sich um eine rechteckige Platine mit Gummifüßen an der Unterseite in den Ecken. Die Schaltung ist für die Produktion vorgesehen, verfügt jedoch häufig über einige zusätzliche Debug-Funktionen. Beispielsweise werden nicht verwendete Prozessorkontakte zu beschrifteten Pads geführt, anstatt nur am Prozessor zu enden. Möglicherweise sind zusätzliche LEDs oder ein serieller Anschluss vorhanden, auch wenn das letzte Gerät keinen hat. Absichtlich gekennzeichnete Testpunkte werden für verschiedene Zwischennetze hinzugefügt, die nützlich sein können, um eine Verbindung herzustellen, ein Zielfernrohr zu betrachten, ein Signal einzuspeisen usw. An einigen Stellen befinden sich möglicherweise Jumper, um Teile des Stromkreises zu trennen. Der Zweck dieser Karte besteht darin, den Stromkreis zu überprüfen und die grundlegende Firmware zum Laufen zu bringen.

In ungewöhnlichen Fällen, in denen ich eine Schaltung für riskant halte oder schwer zu erkennen ist, was wirklich benötigt wird, kann ich nur ein kleines Stück auf einem dieser Steckleisten-Steckplatinen testen. Zum Beispiel musste ich vor einiger Zeit ein Produkt dazu bringen, Ultraschallsignale zu empfangen und zu verarbeiten, aber mit sehr geringem Strom. Sie können alle Datenblätter lesen, aber für so etwas sind echte Experimente erforderlich, um herauszufinden, welche Verstärkung gut genug ist, wie wenig Bandbreite in der Realität genutzt werden kann und ob einige der Tricks mit besonders geringem Strom tatsächlich funktionieren erwartet. Transistor-Datenblätter geben in der Regel keine Auskunft über die Teileigenschaften mit nur wenigen µA. Manchmal muss man einfach etwas ausprobieren. Glücklicherweise ist das ungewöhnlich und kann auf einen bestimmten Teilstromkreis beschränkt werden. Apropos, Ich habe den Ultraschall-Front-End-Verstärker auf 35 µA bei 3 V Ruhestrom und eine Verstärkung von einigen 1000 bei 40 kHz reduziert, alle mit diskreten Transistoren. Das hat einige Experimente gekostet.

Nach dem ersten Bench Test Board möchte der Kunde unweigerlich etwas anderes als zunächst gedacht, Sie finden kleine Dinge, die Sie vielleicht anders wollen, usw. Die nächste Version berücksichtigt normalerweise die mechanischen Einschränkungen, ist also wahrscheinlich ein kleineres, stärker überfülltes Board. Sie würden denken, dass es das war, aber selten ist die zweite Version bereit zu versenden. Das liegt im Allgemeinen nicht an Schaltkreisproblemen, sondern hauptsächlich daran, dass jetzt mehr Menschen es sehen, riechen, berühren, fühlen und auf andere Weise damit herumalbern. Diese Leute haben alle ihre eigene Meinung zu Details des Produkts, und ein paar Dinge werden sich ändern.

Die dritte Version kann manchmal serienreif sein, aber normalerweise dauert es ein oder zwei Umdrehungen, bis alle zufrieden sind oder nachgegeben haben. Ein Teil wurde verschoben, weil der ursprüngliche Dookicky, mit dem dieses Ding arbeiten sollte, in den zwei Jahren seitdem veraltet war Jemand hat sich die Produktidee ausgedacht usw. Ich würde sagen, dass insgesamt 4 oder 5 Versionen des Boards am wahrscheinlichsten sind, eher für große Unternehmen, die stolz auf ihre Prozesse und Abläufe sind.

In den alten Tagen, als ein kleines Gerät ein 8-poliges DIL war und jeder Pin auf einem 0,1-Zoll-Raster lag, wurde das Prototyping-Plugboard herausgerollt und in Betrieb genommen beweisen ein Konzept.

Heutzutage neige ich dazu, die Entwicklungsplatinen der Hersteller für die meisten neuen Geräte zu verwenden, die ich ausprobieren möchte. Diese haben in der Regel alle ihre I / O-Pins in die Header gesteckt und können mit anderen Evaluierungskarten (Mikrocontroller, Schnittstellengeräte usw.) verdrahtet werden. Ich habe den größten Teil eines neuen Produkts aufgebaut, indem ich diese Karten zusammengefügt habe.

Meine Lieblingsmethode beim Prototyping, wenn ich ein paar kleine Details überprüfen möchte, bevor ich einem Entwurf oder einer Simulation vertraue und einen kleinen Block auf eine teure mehrschichtige Leiterplatte mit 100 bis 1000 anderen Bauteilen lege:

Breadboarding. Mit kupferkaschierten Platten.

Schaltung ist in etwa ähnlich wie in Abb. 6 in LT AN-104

Quelle: https://electronics.stackexchange.com/a/15059/930

Dies war eine schnelle Überprüfung für ein Spannungsregler-Design, das ich bei der Arbeit brauchte und vor der Fertigstellung einer großen Leiterplatte ausprobieren wollte. Es sieht chaotisch aus, und genau das ist der große Vorteil: 30 Minuten in Ihrem Heimlabor sparen Tage für die Neugestaltung Ihres Projekts, weil Sie eine winzige (und offensichtliche?) GOTCHA verpasst haben.

... Nur drei winzige Beispiele, aber Sie bekommen die Idee. Es ist schnell und (manchmal sehr) schmutzig, aber Sie können alles kurz halten, was kurz gehalten werden muss, und sehr schnell gute Ergebnisse erzielen. Ein sehr gutes Tutorial finden Sie auf S. 28-31 in Jim Williams 'App Note 47 auf der LTC-Website .

Natürlich funktioniert dies nicht für BGAs und dergleichen, aber wenn ich nur einen winzigen Hack brauche, ist dies mein Lieblingsweg.

Leistungselektronik Perspektive hier.

Bei den Leiterplatten, mit denen ich arbeite, handelt es sich um eine Mischung aus geräuscherzeugenden Komponenten mit hoher Leistung und geräuschempfindlichen Teilen mit niedriger Leistung. Wirklich das Beste aus beiden Welten.

Ich neige dazu, zwei Wege zu gehen:

1. Wenn das Projekt auf einer älteren Arbeit basiert, nehmen Sie die ältere Arbeit und fügen Sie sie nach Bedarf hinzu / ändern Sie sie (verdrahten Sie die Leiterplatten, hängen Sie die Teile in die Luft, was auch immer).

2. Wenn das Projekt völlig neu ist und es keine Möglichkeit gibt, etwas Altes zu nutzen, entwerfen Sie ein neues Board von Grund auf neu.

Wenn Sie keine vorhandene Einheit als Ausgangspunkt verwenden können und bereits Hardware im Labor vorhanden ist (und solange die durchzuführenden Änderungen nicht länger dauern als erforderlich), dauert die Implementierung im Allgemeinen nicht länger Bauen Sie eine neue Einheit. Es ist eine enorme Zeit- und Geldersparnis, diese als Prototyp / Steckbrett zu verwenden. Es kann mehrere Umdrehungen dauern, bis die Platine "richtig" ist, und dies beeinträchtigt Ihre Debugging-Zeit für Prototypen. Irgendwann werden wir ein neues Build mit den PCBs eines alten Designs erstellen und bei Bedarf einfach Teile austauschen. Dies beseitigt die Risiken, die mit einem neuen PCB-Layout verbunden sind.

Wann immer wir eine neue Leiterplatte entwerfen müssen, versuchen wir, die Passform / Form / Funktion so genau wie möglich an die Endanforderung anzupassen - auch beim ersten Durchlauf. Nur für den Fall, dass die Dinge perfekt funktionieren (ha!). PCB-Drehungen kosten Zeit und Ressourcen, daher überprüfen wir jedes Board genau, damit es bei jeder Drehung die beste Chance hat, besser zu arbeiten (oder besser als zuvor zu arbeiten). Kontinuierliche Verbesserung sozusagen.

Wenn ich der Meinung bin, dass es notwendig (oder zeitlich vorteilhaft) ist, einen Teilprototyp vor der ersten PCB-Version zu haben, neige ich dazu, ihn durch Kombinieren von Evaluierungskarten für die beteiligten Technologien oder durch Vertretung für diese zu erstellen. Beispielsweise kann eine Mikrocontroller-Karte eine handverdrahtete SPI-Schnittstelle erhalten, die sie mit einer FPGA-Karte verbindet, oder es wird ein Kabelbaum erstellt, um ein Modul von einem parallelen PC-Port zu trennen (häufig unter Verwendung dessen, wozu er unterwegs ist) wird die Gerätefirmware nur mit einem anderen Low-Level-I / O-Wrapper).

Sobald Sie eine Produktlinie gestartet haben, können Leiterplatten aus vorhandenen Versionen des Produkts (oder sogar ein Produkt aus einer anderen Linie, die ein Teil derselben Technologie verwendet) häufig als Prototyping-Plattform verwendet werden. Das kann alles bedeuten, angefangen beim einfachen Ausprobieren neuer Firmware bis hin zur Verwendung mit Evaluierungskarten oder der Herstellung eines kleinen Adapters zum Ersetzen eines Chips oder sogar der Verwendung der Platine, bei der alle Komponenten bis auf eine entfernt wurden, als Breakout-Karte für diesen Chip.

Wenn zu weit verfolgt, kann dies leicht zu einer Ablenkung führen, aber manchmal kann die interne Fähigkeit genutzt werden, einfache Leiterplatten in der Reihenfolge der Träger für bestimmte ICs oder kleine Schaltkreise herzustellen, um zusätzliche Funktionen hinzuzufügen (oder Versehen zu korrigieren). . Ich habe Orte, die dies taten, mit Fräs- / Laserressourcen bearbeitet, die für spezielle HF-Karten erforderlich waren, die wir manchmal für kleine Logikmodule nutzten. Für private Projekte kann eine kleine einseitige SMT-Leiterplatte mit Tonerübertragung in einer Stunde hergestellt und in einer Sekunde montiert werden - das ist nicht die Qualität eines Leiterplattenhauses mit schneller Wende, aber mit schneller Wende ist kein Schaltungsbetrieb am selben Tag gemeint. Manchmal schicke ich die Datei an das Board House und erstelle dann meine eigene Version, um das Projekt am Laufen zu halten.

In der Regel fertigen die chinesischen Fabriken, mit denen wir zusammenarbeiten, die Prototypen für uns an. Anschließend nehmen wir Änderungen an ihnen vor, um Probleme zu beheben, Funktionen hinzuzufügen usw. Anschließend fertigen sie mit unseren Änderungen einen weiteren Prototyp an. oder unsere Verbesserungen verursachten andere Probleme usw. und wiederholen den Zyklus der Änderungen, bis es gut genug funktioniert, um sich zu verkaufen. (Beachten Sie, dass ich nicht "funktioniert perfekt" gesagt habe ...) Manchmal betreffen die Änderungen, die wir vornehmen, Steckbretter, aber normalerweise sind es nur Komponenten, die im Raum hängen und gerade stabil genug miteinander verlötet sind, um zu beweisen, dass sie funktionieren.

Ich kann mir nur einige Male vorstellen, in denen ich den größten Teil des Prototyps zuerst auf einem lötfreien Steckbrett aufgebaut habe, und selbst dann waren einige der Dinge, die in das Steckbrett eingesteckt wurden, eigene kleine Leiterplatten, entweder vom Chiphersteller hergestellte Evaluierungsplatinen oder andere Bretter, die ich herumliegen hatte und in die ich schneiden konnte, weil die Chips nicht mit einem Steckbrett alleine verwendet werden können.