Placa electronică de test

Ce este?

- o placă pe care este construit un circuit electronic prototip cu numeroase conexiuni şi componente

Cum se foloseşte?

În esenţă este o placă de plastic ce susţine componente electronice (tranzistoare, rezistoare, circuite integrate etc.) ce sunt legate între ele prin fire. Această placă se foloseşte pentru dezvoltarea unor circuite electronice prototip ş i care se poate refolosi pentru alte prototipuri, deoarece componentele electronice nu sunt lipite unele de altele.

Primii care au construit ş i folosit o placă de test au fost operatorii radio amatori. Ei îş i construiau circuitele radio pe o placă de lemn, putând astfel să-ş i monteze tuburile cu lămpi ş i alte componente de mari dimensiuni la o distanţă destul de mare unele de altele pentru a nu se perturba între ele ş i pentru a face reglajele de fineţe mai uşor, apoi conectau terminalele componentelor prin fire. În poza de mai jos se poate observa un astfel de exemplu.

Fig. 1 Exemplu de placă de bază implementată pe o placă de test folosind doar fire de legătură.

În aplicaţiile noastre vom folosi placa de test pentru a contrui aşa-numite cir cuite experimentale temporale, adică nişte circuite cu ajutorul cărora vom putea urmări mult mai uşor comportamentul acestor circuite.

Înainte de a construi efectiv circuitul trebuie mai întâi să vedem din ce ealcătuită o astfel de placă de test. În figura 3 este prezentat un model de placă de test folosit uzual în momentul de faţă. Se poate observa că pe suprafaţa plăcii sunt distribuite patru zone distincte cu găuri rectangulare.

Aceste găuri sunt aşezate la o distanţă bine determinată de 0,1 inch (2,54mm). Astfel este posibilă utilizarea circuitelor integrate cu capsulă duală, distanţa dintre terminalele acetorafiind exact de 0,1 inch.

Zona 1 ş i Zona 4 sunt constituite din două rânduri de găuri orizontale, care au conexiune de-a lungul lor ş i sunt folosite pentru alimentarea circuitelor. Pe unele plăci, în dreptul fiecărui rând este înscrisă câte o linie colorată în roşu ş i albastru pentru a identifica mai bine polarizarea alimentării. De obicei se foloseşte culoarea roş ie pentru a simboliza tensiuneade alimentare pozitivă ş i albastră pentru masă. Zona 2 ş i Zona 3 sunt constituite din coloane verticale a câte 5 găuri despărţite de o adâncitură. Această adâncitură în materialul plastic are rolul de a evecua căldura disipată de unele componente sau circuite integrate ce sunt conectate deasupra ei. Fiecare coloană este conectată de-a lungul ei, dar nu are nici un fel de legăturăcu celelalte coloane alăturate. Astfel conexiunile electrice dintre coloane se pot face doar prin intermediul componentelor electronice sau a firelor de legătură. În aceste zone vom construi

Fig. 2 Exemplu de radio-receptor din anul 1920 construit pe o placă de test din lemn.

efectiv circuitul, conectându-ne la celelalte două zone prin fire pentru a furniza alimentarea circuitului nostru. Pentru a putea să urmărim mai eficient evoluţia circuitului, a face diferitemăsurători sau modificări etc., coloanele ş i rândurile zonelor 2 ş i 3 au fost notate astfel: coloanele de jos în sus cu litere mari de la A la J, iar rândurile de la stânga la dreapta cu cifre de la 1 la 57 în cazul de faţă. În figura 4 este prezentată distribuţia conexiunilor în funcţie de cele patru zone distincte.

Fig. 3 Model de placă de test uzual.

Fig. 4 Distribu ţia conexiunilor în funţie de cele patru zone.

ZONA 2 Ş I 3 PENTRU REALIZAREA CIRCUITELOR

ZONA 1 PENTRU ALIMENTARE

ZONA 4 PENTRU ALIMENTARE

În interiorul plăcii de test, sub fiecare rând ş i coloană există un conector metalic care asigură conexiunea electrică. Acest conector este flexibil ş i prin construcţia lui permite cuplarea mecanică individuală a fiecărui terminal electric introdus în acesta. În figura de mai jos se poate vizualiza acest conector. El este produs de obicei din aliaje bune conducătoare de electricitate, ce au în componenţă bronz, nichel sau argint. De menţionat e faptul că aceşti conectori metalici au la un capăt clipsuri de prindere corespunzătoare fiecărei găuri de la suprafaţa plăcii. În figura 6 se poate vizualiza modul în care se conectează mecanic un terminal într-un clips.

Pe partea de jos a plăcii există un material adeziv ş i o folie de protecţie. Astfel ea se poate fixa pe un suport solid permanent, uşurând construcţia diferitelor montaje.

Conectorul pentru

coloanele verticale a

zonelor 2ş i 3

Conectorul pentru rândurile

orizontale a zonelor 1 ş i 2

Fig. 5 Distribuţia conectorilor metalici în funţie de cele patru zone.

Fig. 6 Diferite imagini reale cu interiorul pl ăcii de test.

Modul de conectare mecanincăal unui terminal în soclul metalic.

Vedere din partea de jos a plăcii, cu soclurile metalice ş i materialul adeziv cu folia de protecţie.

Vedere din partea laterală a plăcii cu soclurile metalice.

Modelul real al al unui soclu cu cinci clipsuri de prindere.

Model de placă de test fabricată dintr -un material transparent.

Limit ăriLimit ările apar în primul rând din cauza proprietăţilor electrice ale conectorilor metalici.

Aceştia pot fi folosiţi până la o intensitate de 1 Amper la o tensiune de 5 volţi sau 0.3 Amperi la o tensiune de 15 volţi, adică 5 Watti în cazul aplicaţiilor mai pretenţioase (montaje cu microcontrolere, circuite integrate, etc.). Datorită capacităţilor parazite care apar între punctele de contact dintre terminale ş i conectori, cuprinse între 2pFarazi ş i 25pFarazi, dar ş i a rezistenţei de contact, plăcile de test nu pot opera aplicaţii cu frecvenţe ridicate, peste 10Mhz. De asemena, nu se pot implementa circuite cu componente cu montare pe suprafaţă (SMD) sau cu circuite integrate care au distanţa între terminale diferită de 0,1inch. Alte limitări apar din cauza folosirii unui număr prea mare de fire de conectare (probleme de implementare a circuitului, pot apărea interferenţe între fire, etc).

Fig. 7 Exemplu de montaj în care s-au folosit un număr mare de fire de legătură.

IndicaţiiDeş i placa de test ş i soclurile sale sunt solide, sunt unele indicaţii în ceea ce priveşte

folosirea ei pentru a-i prelungi durata de utilizare ş i a evita deteriorarea diferitelor componente electronice:

• întotdeauna trebuie deconectată sursa de alimentare atunci când construim sau modificăm un circuit experimental deoarece este posibilă deteriorarea componentelor sau apariţia unui scurt-circuit.

• nu trebuie folosite fire de legatură sau componente cu terminalele mai mari decât dimensiunea găurilor (0,5mm în diametru). Ca fire, de obicei se pot folosi firele dintr-un cablu UTP.

• pe cât posibil, trebuie folosiţi rezistori de 0,25Watti sau 0,5Watti. Rezistorii de putere mai mare au implicit ş i dimensiunea terminalelor mai mare, iar ele nu se vor putea conecta în soclurile plăcii.

• nu trebuie forţată introducerea terminalelor în socluri, pentru că se pot deteriora capetele clipsurilor metalice. De preferat este tăierea cu un patent sfica capetelor terminalelor în diagonală, ceea ce favorizează introducerea lor.

• nu încercaţi să introduceţi fire li ţate sau fire care nu au fost desizolate. Dacă e neapărat necesară folosirea unui fir liţat (de exemplu firele de la sursa de alimentare) cositoriţi capătul acestuia ş i încercaţi să-l introduceţi în soclu numai dupa ce v-aţi asigurat că nu au rămas liţe dezlipite.

ExerciţiiA. Folosiţi mult imetrul setat pe domeniul Ohmi (Ω) pentru a determina continuitatea unei

plăci electronice de test. Folosiţi conductori subţiri de cupru inseraţi în soclurile de pe placă, pentru a putea conecta sondele aparatului de măsură. Testaţi continuitatea lor, observând comportamentul aparatului de măsură.

…V …A

V AΩ

COMV ΩA

1.

…V …A

V AΩ

COMV ΩA

.005

Cazul 1 Cazul 2

Concluzii1. În cazul 1 sondele multimetrului au fost conectate în zona 3 pe două coloane

alăturate. Explicaţi indicaţia aparatului de măsură.

2. În cazul 2 sondele multimetrului au fost conectate pe aceeaş i coloană. Explicaţi indicaţia aparatului de măsură ş i comportamentului acestuia.

B. Folosind un bec de curent continuu verificati funcţionarea acestuia pe placa de test folosind fire de legătură ş i o baterie de 9V. Încercaţi diferite poziţii ale firelor.

Concluzii1. Realizănd toate cele trei montaje, veţi observa că numai într-unul dintre cele trei

cazuri becul luminează. Care este acela ş i explicaţi care este motivul, bazându-vă pe construcţia plăcii de test.

2. Corectaţi cele două montaje nefuncţionale folosind firele de legătură de mai jos.

Firul 1 Firul 2 Firul 3

Cazul 1 Cazul 2 Cazul 3

Placa de test Electronics Explorer board(EEboard)

În paralel cu placa de test prezentată înainte vom folosi o placă de test cu funcţii adiacente. Ea este proiectată de o echipă de ingineri din cadrul Universităţii Tehnice din Cluj-Napoca pentru firma Digilent din SUA.Construită în jurul a două plăci de test normale, placa EEboardconţine toate echipamentele de testare ş i măsurare necesare pentru a proiecta un montaj electronic analog sau digital: generatoare de semnal, tensiuni de referinţă, surse de tensiune reglabile reglabile, 32 de semnale digitale care pot fi configurate ca intrări/ieş iri. Toate aceste echipamente se pot conecta la diferitele montaje cu ajutorul firelor de legătură.

Desigur că toate acestea nu pot fi implementate decât cu ajutorul unui soft propriu ş i a unui calculator sau a unui laptop, care nu necesită resurse hardware deosebite. Practic toate dispozitivele sunt integrate în tehnologia FPGA ş i au o interfaţă digitală, foarte prietenoasă cu utilizatorul ş i simplu de folosit, având cunoştinţe de bază în domeniul măsurărilor electrice.Folosind o conexiune USB, se asigură răspunsul în timp real a instrumentelor de măsură.Softul se numeste WaveForms ş i se poate descărca ş i instala gratuit de pe site-ul producătorului Digilent. Datele simulărilor ş i a experimentelor se pot salva foarte simplu într-o bază de date (fiş iere text sau reprezentări grafice), ce poate fi folosită ulterior la evaluarea lor.

Fig. 8 Placa de test EEboard32 de intrări/ie şiri digitale

2 plăci de test pentru montaje

1 conector USB

1 switch de pornire

1 conector pentru alimentare

1 osciloscop cu 4 canale

3 surse de tensiune din care una fixă

2 surse de tensiune de referinţă

1 voltmetru cu 4 canale

1 generator de semnale cu 2 canale

Particularit ăţi tehnice:

- cele două plăci de test sunt de acelaş i tip ca cea prezentate mai înainte. Ele nu sunt conectate electric de celelalte instrumente din jurul lor ş i nici între ele. Sunt pur ş i simplu lipite de placa de textolit sub care este proiectat tot “creierul” sistemului. Toate indicaţiile precedente se aplică ş i în acest caz.

- conectorul USB face legătura dintre partea hardware ş i cea software instalată în prealabil pe un calculator sau laptop. Softul se numeşte WaveForms, nu necesităresurse pretenţioase ş i se instalează gratuit de pe site-ul producătorului:

http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,66,849&Prod=WAVEFORMS

Folosind conexiunea USB, care este o conexiune de mare viteză, se poate afişa informaţia în timp real, adică atunci cănd măsurăm rezistenţa electrică, un curent electric printr-o componentă sau se doreşte vizualizarea unui semnal, rezultatul va fi afişat imediat pe ecran, aşa cum se întămplă în cazul folosirii unui multimetru sau a unui osciloscop clasic. Atunci când placa stabileşte conexiunea cu softul se va aprinde LED-ul USB.

- switchul de pornire a plăcii, se pune pe poziţia ON numai după ce aceasta s-a alimentat, moment în care se va aprinde LED-u l READY.

- prin conectorul de alimentare se conectează transformatorul de 12V de tensiune continuă.

Pornind de jos în sus această placă de test conţine 4 module:

Modulul DIGITAL cu 4 blocuri

- 32 de intrări/ieş iri digitale care cuprind: generatoare de semnal ( semnale de ceas, semnale aleatoareş i semnale predefinite de utilizator), întrerupătoare digitale, push-button-uri, LED-uri, display-uri cu 7 segmente. Configurate ca intrări, cele 32 decanale pot analiza digital 100MSps (100 mega sampel-uri pe secundă) cu un buffer de 16KSa/pin (16 kilo sampeluri per pin), dispune prin soft de multiple opţiuni de vizualizare a semnalelor ş i exportarea datelor în mai multe formate (grafic sau text).

Modulul SCOPE- osciloscopul are 4 canale, cu frecvenţa maximă de

lucru de 40MSps (40 Mega sampel-uri pe secundă), convertor pe 10 biţi, intrări AC/DC cu tensiuni

cuprinse între -20V ş i +20V, posibilităţi de vizualizare pe axele XY, cu zoom etc.

Modulul AN ALOG- 2 surse de tensiune de referinţă programabile între -

10V ş i +10V la un curent maxim de 2A .- 1 generator de semnale analogice cu două canale

(semnal sinusoidal, dreptunghiular, triunghiular, trapezoidal, dinte de fierăstrău sau predefinit de utilizator).

- 1 voltmetru cu 4 canale .

Modulul POWER

- 1 sursă de tensiune reglabilă pozitivă (0 ÷ + 9V) ş i una negativă (0V ÷ -9V).

- 1 sursă de tensiuni fixe de 3,3V sau de 5V de amperaj redus.

După cum se observă, o astfel de placă de test cu softul adiacent oferă tot ce are nevoie un mini-laborator de electronică. Pentru început vom folosi modulul POWER (blocul verde), ce conţine 2 surse de alimentare reglabile ş i o sursă se tensiune fixă ş i modulul ANALOG (blocul roşu) folosind doar voltmetrul cu 4 canale.

Softul WaveForms

Cu ajutorul acestui soft se creează virtual toate instrumentele necesare unui laborator de electronică: aparate de măsură, osciloscoape, surse de tensiuneş i generatoare de tensiune. Aşa cum e prezentată mai sus placa de test EEboard, cu module ş i blocuri, tot aşa se structurează ş i softul WaveForms. Pentru început se prezintă doar aplicaţiile pe care le vom folosi la realizarea montajelor următoare, iar celelalte vor fi prezentate ulterior, pe măsură ce creşte complexitatea lor.

După instalarea softului de pe siteul producătorului:

http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,66,849&Prod=WAVEFORMS

se porneşte aplicaţia Digilent WaveForms. Dacă nu este conectată nici o placă EEboard pe portul USB al laptopului sau computerului va porni automat varianta DEMO.

Din imaginea de mai sus observăm trei zone distincte, zona verde cu denumirea de Analog, cea albastră denumită Digital ş i cea albastră deschis cu diferite ferestre. Dintre toate ne vom îndrepta atenţia către zona Analog cu cele trei module distincte: Scope, WaveGen, Voltage. Din cele trei vom alge modulu Voltage. După accesarea acestuia apare fereastra din figura. În cadrul acestei ferestre observăm 8 zone distincte, colorate diferit. Toate aceste zone au un nume concludent pentru ceea ce reprezintă.

Fereastra de start a softului.

WaveForms

Zona 1 de pornire/oprire a surselor de

tensiune

Zona 2 de reglare asursei de tensiune pozitivă

Zona 3 de reglare a sursei de tensiune negativă

Zona 5 de reglare a

tensiunilor de referinţă

Zona 4 acelor douătensiuni

fixe

Zona 6 a celor patru

voltmetre

Zona 7 a semnalelor ce vor selectate pentru vizualizare pe grafic.

Zona 8 a graficului pentru vizualizarea amplitudinii ş i perioadei semnalelor.

Pentru a ne obişnui cu configurarea softului vom rezolva câteva exerciţii.

Exerciţiul 1: Reglaţi sursa de tensiunepozitivă la o amplitudine de 5V ş i un curent maxim de 500mA,

după care afişaţi rezultatul pe grafic.

Rezolvare:Rezolvarea acestui exerciţiu o vom face în câţiva paş i:1. Pornind de la Zona 1, privind spre notaţia VP+ OFF (sursa de tensiune pozitivă este

oprită) vom bifa lângă căsuţa galbenă, în pătratul alb. Se observă că notaţia VP+ OFF se schimbă în VP+ Rdy, adică sursa de tensiune pozitivă este pregătită pentru aplicaţii (ready). Următorul pas este pornirea sursei de tensiune selectată, prin activarea butonului de POWER.

2. În Zona 2 trecem la setarea sursei de tensiune. În cazul nostru avem nevoie de o sursă de tensiune pozitivă, aşa că vom alege Positive Supply VP+. Prima dată setăm amplitudinea tensiunii continue din fereastra albă cu indicaţia V (volt). Ea se poate face în două feluri, fie alegem o valoare predefinită din lista de valori, fie o scriem direct în fereastră. Apoi setăm curentul maxim la 500mA în aceleaş i moduri.

Setarea directă a tensiunii şi a curentului.

Setarea tensiunii şi curentului utiliz ănd valorile implicite.

Selectarea tensiunii VP+ Pornirea sistemului

3. Pentru afişarea rezultatelor vom folosi prima dată Zona 7. În această zonă se selecteazăsemnalele ce vor fi afişate pe grafic (Zona 8). În cadrul ei există şase butoane active ş i un tabelcu cinci rubrici, afişate de la stânga la dreapta ş i de jos în sus astfel:

Capetele de tabel

Pentru afişarea semnalului în tabelul Zonei 7 vom proceda în felul următor:

a) Apăsând pe butonul Add chanel se va deschide o listă„Channels”. Această listăarată ce tipuri de semnale pot fi încărcate în tabel, de la voltmetre, de la sursele fixe, de la sursele de tensiune pozitivă sau de la cele negativă.

Color indică culoarea semnalului ce va fi afişat.

Plot se bifează sau se debifează dacă se doreşte sau nu se doreşte afişareasemnalului pe grafic.

Value indică valoarea numerică a semnalului ce va fi afişat.

Name indică numele semnalului ce va f i afişat.

Butonul de Stop/Run pentru vizualizarea semnalelor pe graficul din Zona 8.

Butonul Export pentru salvarea ca imagine Jpeg sau BMP a graficului.

Butonul Add channel pentru adăugarea semnalelor ce vor f i vizualizate în tabel.

Butonul X pentru ştergerea semnalului din listă.

Săgeţile ↑↓ pentru mutarea semnalelor

în tabel în sus sau în jos.

Scale indică scala numerică maximă a graficului pe care se face afişarea semnalelor.

4. Trecând la Zona 8, deja putem observa semnalul afişat. Din figura de mai jos se poate

Auto Scale – acest butonface scalarea semnalului automat, adică softul îş i reglează singur scala amplitudinii ş i a timpului în funcţie de ce semnal apare pe grafic astfel încăt să se poatăvizualiza ş i măsura acel semnal cât mai clar.

b) Pentru că noi lucrăm cu sursa pozitivă, vom alege din sublista ei tensiunea (Voltage). După ce am selectat semnalul, dăm Add ş i Close.

c) În imaginea următoare ne apare semnalul cu numele VP+, cu valoarea de 5V, pe o scală de 10V, care încă nu e afişat pe ecran (Plot debifat)ş i care are culoarea gablenă ca reprezentare grafică.

d) Se bifează căsuţa de sub Plot pentru a vizualiza semnalul pe grafic ş i se activează butonul Run.

vedea semnalul de tensiune continuă de 5V exact ca pe ecranul unui osciloscop. Ecranul este împărţit în diviziuni corespunzătoare anumitor valori. În acest caz scala verticală a amplitudinii este de la 0V la 10V deci fiecare diviziune indică 1V, iar scala orizontală a timpului este de la 0s la 60s. Semnalul acesta porneşte din 0V ş i se fixează pe 5V (5 diviziuni) când pornim sursa VP+. Butoanele aferente acestei zone sunt:

Min Max - sunt butoane care influenţează Zona 7, în sensul că în tabelul acelei zone vor mai apărea încă două rubrici cu numele de Min ş i Max ş i în care vor apărea valorile minime sau maxime ale unui semnal de obicei alternativ (sinusoidal, trapezoidal, dreptunghiular etc.). History – este butonul din dreptul căruia se generează o listă cu valori implic ite ale scalei orizontale a timpului. La fel ca ş i în cazul reglării tensiunii sau a curentului, ş i în acest caz valoarea dorită se poate scrie direct în fereastră.

Deocamdată nu ne dorim decât să vedem semnalul pozitiv de 5V pe grafic, setat la valorile cerute, ceea ce am ş i realizat.

Exerciţiul 2: Afi şaţi pe grafic un semnal de tensiune alternativă sinusoidală ş i stabiliţi valorile maxime ş i

minime ale acestuia.

Rezolvare:Tot ca ş i în cazul anterior, vom rezolva exerciţiul în următorii paş i:1. În acest caz nu mai folosim sursele de tensiune fixe sau variabile. Softul WaveForms în

varainta Demo asigură două surse de tensiune alternativă în Zona 6 folosind Voltmetrul 1(tensiune pozitivă sinusoidală) ş i Voltmetrul 4 (tensiune negativă tip dinte de fierăstrău). Ele

funcţionează independent de restul instrumentelor din program, adicănici măcar butonul de Power nu le influenţează evoluţia, ele generănd tensiune alternativă din momentul în care se deschide, din fereastra de start a softului, modulul Voltage. Celelalte două voltmetre genereazătensiune continuă, Volmetrul 2 tensiune negativă ş i Voltmetrul 3tensiune pozitivă.

Toate acestea însă se întâmplă doar în cazul funcţionării softului în varianta Demo, adică fără placa de test EEboard conectată la soft.

2. Pentru a afişa tensiunea sinusoidală a Voltmetrului 1 prima dată trebuie să selectăm acest semnal în Zona 7, la fel ca ş i în cazul anterior. Selectăm Add channel, alegem din listăVoltmeters ş i din sublistă Voltmeter 1. Dăm Add ş i Close. După acestea vedem că ne apare semnalul cu numele Vmtr 1 în tabel, cu valoarea fluctuantă la 5V (indiciu pentru semnalul alternativ) aşa că bifăm în căsuţa Plot ca să vizualizăm semnalul pe grafic.

3. Trecând înZona 8 observăm că apare un semnal alternativ. El este pus pe o scală de la +15V până la -15V ş i este foarte îngust astfel că nu putem spune cu precizie ce valori areacesta. Pentru a putea măsura corect semnalul, apăsăm butonul Auto Scaleş i astfel scala se modifică cu valorile cuprinse între -9V ş i +9V.

Astfel putem vizualiza mai bine semnalul ş i putem determina că amplitudinea acestuia vârf la vârf este de 2V (o diviziune). Pentru a fi siguri de măsurătoarea noastră există două butoane,care determină valoarea minimă a semnalului ş i valoarea maximă . Apăsând pe butoanele Min ş i Max, în Zona 7 mai apar două capete de tabel cu aleaş i nume ş i care indică exact aceste două valori. Făcând diferenţa dintre ele (Max – Min ) verificăm numeric măsurătoarea noastrăvizuală ş i vom observa că ne dă acelaş i rezultat, adică 2V.

Astfel am rezolvat ş i Exerciţiul 2.

Modificarea scalei de măsură a semnalului sinusoidal prin apăsarea butonului Auto Scale.

Determinarea valorii minime şi maxime a unui semnal sinusoidal prin folosirea butoanelor de Min şi Max.

Exerciţii pentru acasă:

1. Afişaţi pe grafic un semnal de tensiune continuă cu amplitudinea de -7V la un curent maxim de 400mA, iar rezultatul să-l salavaţi sub formă de fiş ier foto de tip jpeg folosind butonul Export.

2. Afi şaţi pe grafic un semnal de tensiune alternativă de tip dinte de fierăstrău folosind unul dintre cele patru voltmetre ş i stabiliţi valorile amplitudinii minime ş i maxime. Rezu ltatul îl salvaţi sub formă de fiş ier foto de tip jpeg folosind butonul Export.