Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave

ghost666 19 Jan 2023 03:50 357 0
Computer Controls
  • Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Dzisiejsze prototypowanie oparte na płytkach ewaluacyjnych dla projektów RF wymaga znacznej ilości czasu. A także zasobów inżynieryjnych, przy czym wynik nadal może nie zapewniać parametrów, jakie będzie miała ostateczna całość, zbudowana na pojedynczej płytce. Prototypowanie projektów RF za pomocą systemu modułowego X-Microwave może radykalnie skrócić dany period i środki potrzebne do przetestowania łańcucha sygnału RF, umożliwiając przygotowanie i zweryfikowanie czystych, modyfikowalnych konceptów zbliżonych do płytek drukowanych w paśmie 60 GHz w ciągu jednego popołudnia. Poniższy artykuł zawiera przegląd platformy X-Microwave i jej zalet, a także przewodnik krok po kroku, jak zacząć.

    Wstęp

    Typowe doświadczenie w organizacji prototypów dla projektu RF obejmuje zakup płytki ewaluacyjnej dla każdego z komponentów w łańcuchu sygnałowym. A także użycie okablowania RF do jej połączenia, tworząc swoiste przybliżenie działania łańcucha sygnałowego, gdyby był zbudowany na pojedynczej PCB po odpowiednim rozplanowaniu. Ta metoda może spowodować znaczne straty wtrąceniowe z powodu długich ścieżek PCB na płytce ewaluacyjnej oraz obszernego okablowania i złączy. Uzyskany w ten sposób prototyp może być frustrujący i czasochłonny w uruchamianiu. Jako że ma specyficzne wymagania dotyczące napięcia każdej płytki ewaluacyjnej. Często zdarza się również, że część RF potrzebuje wielu napięć z określonym sekwencjonowaniem szyn zasilających, które w przypadku naruszenia mogą zniszczyć komponent. Same przewody zasilające i RF mogą stworzyć istny Węzeł Gordyjski. A jeśli jakakolwiek płyta wymaga cyfrowego sterowania, sprawy jeszcze bardziej się komplikują. Jeżeli cały system nie funkcjonuje przy pierwszym włączeniu (jak gdyby kiedykolwiek prototyp działał przy bazowym uruchomieniu!), debugowanie szybko zamienia się w ćwiczenie cierpliwości i wytrwałości. Prototypowanie to ból dobrze znany w świecie inżynierii RF — rozwiązaniem umożliwiającym szybsze, łatwiejsze i dokładniejsze projekty jest X-Microwave.

    W opisie systemu czytamy: „Wyobraź sobie: właśnie skończyłeś planować łańcuch sygnału RF. Wchodzisz do laboratorium, bierzesz części i w 60 minut konstruujesz prototyp na biurku. Podłączasz pojedyncze zasilanie 12 VDC, generator sygnału i analizator widma, a po pierwszym włączeniu wszystkiego wykonujesz pomiary w sposób podobny do tych na gotowym PCB z dokładnością do decybeli względem swoich symulacji. Nie jesteś zadowolony z działania wzmacniacza? Dziesięć minut z kluczem imbusowym i zmiany są wprowadzone i już testujesz zaktualizowany koncept”.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.1. Pełen prototyp skonstruowany w oparciu o X-Microwave, w tym zasilanie i sterowanie cyfrowe, składający się z płytki mostkowej FMC-XMW, łańcucha sygnałowego X-Microwave i Raspberry Pi.


    To doświadczenie oferowane jest przez X-Microwave — modułową platformę prototypowania RF, która umożliwia tworzenie łatwo modyfikowalnych łańcuchów sygnałowych w niecałą godzinę, bez żadnych specjalistycznych narzędzi. Wyżej wspomniane składają się z bloków X-Microwave — połączonych ze sobą płytek RF z pojedynczym układem scalonym — a w ekosystemie są części obsługujące częstotliwości do 60 GHz. Połączenia RF, nielutowane styki zabezpieczone śrubami sześciokątnymi, są solidne i proste w instalacji. Łańcuch sygnałowy jest znacznie łatwiejszy do zasilania i sterowania cyfrowego niż płytki ewaluacyjne. Gdyż wymaga pojedynczego zasilania 12 V DC do płyty sterującej oraz Raspberry Pi, FPGA lub innego wybranego sterownika. Modułowa konstrukcja X-Microwave pozwala na błyskawiczną zmianę łańcucha sygnału, znacznie skraca to czas debugowania i sprawia, że prototyp jest kompaktowy, elegancki i przenośny.

    Rozwiązanie X-Microwave

    Inżynierowie mogą używać X-Microwave, aby uzyskać parametry jak na gotowej płytce drukowanej końcowego projektu z szybkością prototypowania i możliwością modyfikacji PCB. Prototyp wykorzystujący X-Microwave składa się z małych, pojedynczych bloków z układami scalonymi, które można ze sobą łączyć, tworząc łańcuch sygnałowy. Od wzmacniaczy po miksery, przełączniki, PLL i VCO, ekosystem X-Microwave oferuje tysiące bloków RF do obsługi różnych pełnych łańcuchów sygnałowych. Każdy indywidualny blok RF jest złożony z pojedynczego układu scalonego RF albo opakowanej części czy matrycy, z otaczającymi elementami pasywnymi niezbędnymi do optymalnego działania i dopasowania. X-Microwave zwraca szczególną uwagę na układ i konstrukcję RF, aby zapewnić działanie urządzenia jak najbardziej zbliżone do specyfikacji z arkusza danych. W każdym bloku RF uziemione współpłaszczyznowe ścieżki falowodu biegną od układu scalonego do wyjść na krawędziach. Połączenia RF są wykonywane z tych wyjść do sąsiedniego bloku za pomocą bezlutowych scaleń międzysystemowych masa-sygnał-masa (GSG). Te łączenia bardzo przypominają ciągłe ścieżki PCB. Dzięki czemu ogólna charakterystyka prototypu X-Microwave znacznie dokładniej odzwierciedla ostateczną wydajność systemu niż duża ilość zespolonych ze sobą płytek ewaluacyjnych. Połączenia zworek GSG X-Microwave mają tłumienność wtrąceniową wynoszącą zaledwie ułamki decybeli. A wraz ze wzrostem liczby komponentów w łańcuchu sygnałowym i potrzebą coraz większej ilości łączeń, różnica w tłumieniu wtrąceniowym między płytami ewaluacyjnymi X-Microwave i złączami SMA staje się jeszcze wyraźniejsza.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.2. Łańcuch sygnałowy X-Microwave.


    Bloki RF są montowane razem na płytce prototypowej. Wraz z blokami sond SMA przymocowanymi do końców łańcucha sygnałowego, aby przesyłać sygnał RF do i z płytki. X-Microwave ma również ścianki i pokrywy do zamykania bloków RF, co pozwala symulować efekty wnęki.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.3. Blok polaryzacyjny i sterujący (na dole) połączony z tym RF (na górze). Płytka prototypowa nie zmieściła się na zdjęciu.


    Dedykowane płytki polaryzacji i kontrolne zamontowane na spodzie prototopowej zapewniają zasilanie i sygnały sterujące. Każdy pojedynczy aktywny blok RF X-Microwave jest połączony z dedykowaną płytką polaryzacji i sterowania, która zawiera obwody potrzebne do zasilania regulowanych napięć, sekwencjonowania zasilania i cyfrowego sterowania wymaganego przez komponent RF. Płytka polaryzacji i sterowania jest przytwierdzana do dolnej części prototypowej bezpośrednio pod tą RF, którą obsługuje, tworząc połączenie elektryczne z tą RF powyżej za pomocą kołków sprężystych. Dzięki sekwencjonowaniu zasilania i polaryzacji, zapewnionym przez te dedykowane bloki, projektant prototypów może skupić się na tym, co naprawdę się liczy — koncepcie toru RF.

    Prototypy wykonane w oparciu o X-Microwave zachowują się znacznie bardziej jak projekt końcowy niż ciąg płytek ewaluacyjnych. Różnica ta staje się bardziej wyraźna wraz ze wzrostem liczby komponentów w łańcuchu RF. Potwierdzając koncept za pomocą prototypu X-Microwave, można być bardziej pewnym ewaluacji, minimalizując iteracje PCB i przyspieszając proces rozwoju.

    Łączenie wszystkiego w całość: prototypowanie łańcucha sygnału RF

    Tworzenie konceptu RF za pomocą X-Microwave jest podobne do projektowania dowolnego innego łańcucha sygnału RF. Aby szybko znaleźć potrzebny blok, X-Microwave ma wyszukiwarkę komponentów, która może filtrować według typu, specyfikacji i producenta. Jeśli zaglądamy do witryny producenta układu scalonego, baner X-Microwave jest typowy na stronach internetowych dla części obsługiwanych przez ekosystem.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.4. Baner X-Microwave na stronie HMC8402-DIE.


    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.5. Przykład parametrycznego wyszukiwania w witrynie X-Microwave. Parametry posortowane wg producenta.


    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.6. Przykład biblioteki X-Microwave w selektorze części Genesys, z elementami, które można eksplorować względem numeru części.


    Po wybraniu detalu następnym krokiem jest symulacja proponowanego łańcucha sygnałowego. Oprogramowanie Keysight Genesys®, narzędzie do symulacji RF, ma wbudowaną bibliotekę z modelami X-Microwave. Te ostatnie symulują bloki RF X-Microwave od uruchomienia do uruchomienia, poprawiając dokładność odzwierciedlenia płytki X-Microwave w porównaniu z aranżacjami poszczególnych układów scalonych. Obszerna biblioteka X-Microwave zapewnia modele dla wielu części, które nie mają tych Genesys bezpośrednio od producenta chipa.

    Po przeprowadzeniu symulacji i osiągnięciu satysfakcjonującej wydajności w Genesys nadszedł czas, aby przejść do narzędzia do układania X-Microwave, w którym można ukończyć cały układ RF (w tym dodanie zasilania) w niecałą godzinę. Dostęp do instrumentu można uzyskać online za pośrednictwem X-Microwave. Inżynierowie RF mogą użyć go do układania, aby zaplanować mapę rozlokowania bloków X-Microwave w łańcuchu sygnałowym na płytce prototypowej. Po umieszczeniu bloków RF automatycznie dodaje on płytki polaryzacji i sterowania za pomocą jednego kliknięcia przycisku. Wszystkie komponenty używane w łańcuchu sygnałowym są aktualizowane w zestawieniu elementów (BOM) w prawym górnym rogu, gdzie można również znaleźć opcję: „Eksportuj do pliku CSV”. Plik ten zawiera listę materiałową, którą można wysłać do X-Microwave w celu uzyskania oficjalnej wyceny, gdy będziemy gotowi do przejścia do składania zamówienia.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.7. Przykładowy projekt w narzędziu do układania X-Microwave, pokazujący planowany łańcuch sygnałowy i podkreślający funkcje selektora części i zestawienia komponentów.


    Oprócz bloków RF, polaryzacji i płytek sterujących potrzebnych do stworzenia łańcucha sygnałowego, zauważyć można kilka dodatkowych części w zestawieniu elementów. Te są wymagane do elektrycznego połączenia i mechanicznego zamontowania bloków. Po pierwsze, płytka prototypowa — są one sprzedawane w dwóch rozmiarach: 32 × 32 i 16 × 16. Przy czym 32 i 16 odnoszą się do jednostek siatki X-Microwave lub odstępów między otworami na śruby na płycie. Będą także potrzebne zworki i łączniki GSG. Zworki GSG to małe, elastyczne, prostokątne obwody umieszczane w poprzek wyjść sąsiadujących bloków RF w celu utworzenia połączenia RF. Łączniki są wkręcane w zworki GSG, aby przymocować je do bloków RF i zapewnić ciągłe i trwałe połączenie elektryczne.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.8. Sonda X-Microwave, dostępna jako złącze 2,92 mm lub 1,85 mm (na zdjęciu opcja 2,92 mm).


    Podłączenie zewnętrznego źródła sygnału RF do łańcucha sygnałowego wymaga bloku sondy X-Microwave. Dostępne są dwie różne: 2,92 mm i 1,85 mm, w zależności od używanej częstotliwości. 2,92 mm jest reklamowana jako doskonała do 50 GHz, podczas gdy 1,85 mm jest wskazywana jako działająca powyżej pułapu testowego X-Microwave (67 GHz). Potrzebne będą także śruby, aby przytwierdzić wszystko do płytki prototypowej. W sumie można zastosować do siedmiu różnych długości wkrętów, od najkrótszych do mocowania płytek polaryzacji i sterowania do najdłuższych do montowania krawędzi ścian X-Microwave z pokrywą na górze. Na koniec narzędzia potrzebne do spięcia wszystkich elementów — klucz sześciokątny 1/16 cala do dokręcenia śrub i pęseta do umieszczania małych części w precyzyjnych miejscach.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys. 9. Procedura lokowania GSG (u góry). GSG i złącze (na dole).


    Teraz wszystko, co jest potrzebne przed testowaniem, to zasilenie płytek i podpięcie cyfrowego sterowania. Aby dostarczyć powyższe, najlepszym rozwiązaniem jest płyta łącząca AD-FMCXMWBR1-EBZ. Zapewnia do ośmiu linii GPIO, po dwie pełne magistrale I²C i SPI z ośmioma liniami wyboru chipów każda, odnosząc się do tej ostatniej. Płytka mostkowa gwarantuje również dwa różne tryby sterowania cyfrowego: (1) Raspberry Pi podłączone bezpośrednio do płytki mostkowej, sterując łańcuchem za pomocą czegoś tak prostego, jak kilkuwierszowy skrypt w Pythonie, lub (2) układ FPGA połączony z łańcuchem sygnałowym X-Microwave przez złącze FMC na płycie mostkowej, umożliwiający opracowywanie i testowanie oprogramowania w pobliżu produkcji wraz z prototypem sprzętowym. Pojedyncze zasilanie 12 VDC podpięte do płytki mostkowej dostarcza siedem odrębnych szyn zasilania dla łańcucha sygnałowego X-Microwave. Z tych trzy można regulować za pomocą potencjometrów. Kilka innych ustawień, w tym przesuwniki poziomu płytki pomostowej, można wybrać przy użyciu zworek. Wreszcie, płytka pomostowa łączy się z prototypem X-Microwave tylko dwoma kablami. Skutkuje to brakiem bałaganu na stole laboratoryjnym RF — wyraźnym kontrastem do zwykłego stanu labiryntu kabli bananowych i zacisków krokodylkowych w czasie takich testów. Płytka pomostowa wykorzystuje kompaktowy i czysty prototyp X-Microwave RF. A także dodaje elegancką opcję dla cyfrowego sterowania i zasilania, tworząc rozwiązanie sprzętowe o minimalnych rozmiarach, które jest przenośne i dobrze nadaje się do demonstracji oraz podróży. Jedynym dodatkowym wyposażeniem wymaganym do zaprezentowania całości jest źródło RF i narzędzie pomiarowe RF.

    Przejrzysty stół laboratoryjny i modułowy ekosystem umożliwiają szybsze i bardziej produktywne debugowanie, dzięki czemu można przejść do produkcji z mniejszą ilością zmartwień i liczbą godzin poświęconych na testy prototypu.

    Nowy, lepszy sposób prototypowania projektów RF przy użyciu X-Microwave
    Rys.10. Płyta mostkowa FMC-XMW, AD-FMCXMWBR1-EBZ.


    Podsumowanie

    X-Microwave to rozwiązanie (prawie) wszystkiego, co problematyczne przy konwencjonalnym prototypowaniu RF na płytkach ewaluacyjnych. A więc sztuki, która tradycyjnie pochłaniała więcej niż powinna, tak w odniesieniu do czasu pracy inżynierów, jak i względem ich frustracji. X-Microwave to obecnie szybszy i dokładniejszy proces prototypowania systemów do 60 GHz. Umożliwia on bardziej kompaktowe i łatwo modyfikowalne projekty do prostego debugowania i eksperymentowania w łańcuchu sygnałowym. Prototypy X-Microwave są również przenośne, gdy są używane z płytą mostkową FMC-X-Microwave firmy Analog Devices, wymagając tylko jednego zasilacza 12 VDC i Raspberry Pi do cyfrowego sterowania. Dzięki czemu każdy łańcuch sygnałowy jest wersją demonstracyjną, która mieści się w małym pudełku i można zestawić całość w krótkim czasie. Ten poziom wygody może, co zrozumiałe, być droższy niż obecne ujęcia. Jednak poza jednorazowymi kosztami uruchomienia, wydatek na poczet prototypowania z X-Microwave często jest porównywalny z tym budowy systemu z płytkami ewaluacyjnymi. Niektóre z X-MWblocks® są w rzeczywistości bardziej ekonomiczne niż ich odpowiedniki na płytkach ewaluacyjnych, nawet bez uwzględnienia korzyści, jakie niesie ze sobą skrócenie okresu projektowania.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/a-better-way-to-prototype-rf-designs-using-x-microwave.html

    Cool? Ranking DIY
    Do you have a problem with Raspberry? Ask question. Visit our forum Raspberry.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11498 posts with rating 9731, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls