Czy można być jednocześnie specjalistą od zaawansowanego projektowania PCB z użyciem Altium Designera, konstruktorem rozbudowanych systemów antenowych czy też ekspertem od pieców indukcyjnych? No nie, nie można. Tak jak nie można być jednocześnie kardiochirurgiem i dentystą.

Układając tematykę prezentacji do 4. edycji konferencji Hardware Design Masterclasses, jej organizator, dr inż. Rafał Stępień musiał zakładać, że uczestnikami będą elektronicy wielu specjalności. Mimo to zdecydował się na bardzo zróżnicowaną tematykę wystąpień, co mogło nieść zagrożenie, że poszczególni słuchacze będą zainteresowani tylko niektórymi tematami, a na innych będą się po prostu nudzić. Być może takie ryzyko było podejmowane tylko przy pierwszej edycji, ale skoro formuła się sprawdziła, można ją bezpiecznie powtarzać w kolejnych edycjach. I jak się po raz kolejny okazało, kilkudziesięciu inżynierów, wśród których niestety kobiety stanowiły tylko niewielki procent, z zapartym tchem, od 8⁴⁵ do 17⁰⁰ z przerwą obiadową wysłuchiwało niezwykle ciekawych i profesjonalnych wystąpień.

Krzysztof Szybiński o niesfornych elementach

Krzysztof Szybiński

Tak jak u Hitchcocka filmy zaczynają się od trzęsienia Ziemi, a potem jest tylko gorzej – w sensie bardziej dramatycznie – tak HDM vol. #4 zaczął się od bardzo mocnej prezentacji o dowcipnie sformułowanym temacie „Nietypowe zachowania typowych komponentów” z podtytułem „Co robią, gdy nie patrzy konstruktor”. Autor, Krzysztof Szybiński zajmujący się zawodowo m.in. elektroniką mocy i przetwarzaniem energii, opowiadał o zjawiskach fizykochemicznych zachodzących w podstawowych elementach elektronicznych, takich jak kondensatory, rezystory i cewki. Powodują one stopniową degradację tych komponentów, prowadzącą czasami do całkowitej destrukcji. Wszystko dobrze się kończy, jeśli uszkodzeniu ulega jeden mały element, znacznie gorzej dzieje się, gdy takie zdarzenia wywołuje inne, lawinowo następujące zniszczenia.

Autor prelekcji mówił o przyczynach uszkodzeń, którym można by było chociaż częściowo zapobiec odpowiednio projektując elektronikę, zwłaszcza płytki drukowane. Mowa była o migracji elektrochemicznej, korozji, siarkowaniu. Poruszone były również zagadnienia związane z odpornością na ESD i stres mechaniczny, który może występować przy nieodpowiednio zaprojektowanej płytce.

Bartłomiej  Kasiewicz o testowaniu elektroniki w trakcie produkcji

Bartłomiej Kasiewicz

Drugą prezentację prowadził Bartłomiej Kasiewicz reprezentujący firmę Nordes. Tematyka częściowo nawiązywała do pierwszego wystąpienia, bo dotyczyła testowania elektroniki w trakcie produkcji. Autor zwracał uwagę na znaczenie współpracy projektanta z EMS-em, dzięki której można unikać wielu błędów występujących w trakcie produkcji urządzenia elektronicznego. EMS może narzucać pewne rozwiązania, które powinny być uwzględniane w projekcie, aby wyrób mógł być prawidłowo wykonany i odpowiednio przetestowany. Wiąże się to z możliwościami wykonawcy, w tym dostępnych metod testowania, takich jak inspekcja optyczna AOI, inspekcja rentgenowska, a także wykonywanie testów z elektroniką zawierającą układy w obudowach BGA, LFA i podobnych. Bartłomiej zwracał ponadto uwagę na dobre praktyki projektowania, zgodne z zasadami Design for Testing (DfT) oraz Design for Manufacturing (DfM). W trakcie prelekcji została również zwrócona uwaga na problemy związane z łańcuchem dostaw, które pojawiły się w okolicach pandemii Covid-19 i nie zostały całkowicie wyeliminowane do dziś.

Adam Adamcewicz i Dariusz Polus o wybranych zagadnieniach z projektowania w Altium Designer

Adam Adamcewicz i Dariusz Polus

Jednym z najtrudniejszych problemów organizacyjnych w poprzednich edycjach HDM było utrzymywanie rygoru czasowego. Tym razem Rafał Stępień postanowił bacznie zwrócić uwagę na ten aspekt i jak do tej pory utrzymywanie – tu uwaga, modne techniczne określenie – timingu, przebiegało dosyć sprawnie.

Przed pierwszą przerwą uczestnicy konferencji wysłuchali jeszcze prelekcji o „Wybranych zagadnieniach projektowania w Altium Designerze” prowadzonej przez Adama Adamcewicza i Dariusza Polusa. Panowie reprezentowali Komputer Controls Sp. z o.o.

Program Altium Designer to niezwykle zaawansowane narzędzie do projektowania obwodów drukowanych. W zasadzie trudno wyobrazić sobie projektowanie bez niego PCB dla układów high-speed. W takich przypadkach szczególnie pomocne jest specjalne narzędzie xSignals przeznaczone do optymalizacji prac nad szybkimi magistralami cyfrowymi. Mówili o nim prelegenci. Jedną z ciekawszych zaprezentowanych możliwości było również rozwiązanie 3D MID, pozwalające na trasowanie ścieżek na powierzchniach trójwymiarowych. Uwagę zwracały niezwykle efektowne wizualizacje 3D takich projektów. Można tylko zadawać sobie pytania, po co w ogóle robić takie projekty, i jak je później realizować. Ale jest to już odrębne zagadnienie.

W czasach, gdy rozpoczynałem swoją przygodę z elektroniką płytki drukowane robiło się metodą malowania ścieżek z użyciem grafionu kreślarskiego, do którego wpuszczany był przechwytywany ukradkiem od mamy lakier do paznokci. Później nastała epoka wyklejek dostarczanych przez Letraset lub Faldruk, a po niej stosowany do dziś przez amatorów termotransfer. Dzisiaj Altium Designer umożliwia m.in. realizację wire-bondingu, czyli bezpośredniego łączenia chipu z PCB. Prelegenci mogliby mówić o tym narzędziu pewnie cały dzień, a i tak nie poruszyliby w tym czasie wszystkich zagadnień. Na HDM mieli na to tylko 40 minut.

Maciej Kopeć o oprogramowaniu FPGA detektora promieniowania

Maciej Kopeć

Po przerwie kawowej swoją prezentację miał Maciej Kopeć z AGH. Od bardzo specjalistycznej wiedzy na temat projektowania PCB z poprzedniej prelekcji, przeszliśmy do nie mniej skomplikowanego zagadnienia, jakim jest projektowanie złożonej elektroniki z zastosowaniem układów FPGA. Na takie rozwiązanie zdecydował się autor, który stanął w obliczu skonstruowania detektora promieniowania używanego do radioterapii nowotworów. Jest to na tyle skomplikowany element, że jego obsługa z użyciem klasycznych mikrokontrolerów skończyłaby się prawdopodobnie fiaskiem już na początku prac. Rozsądnym rozwiązaniem pozostawało więc zastosowanie układów programowalnych, zdolnych do obsłużenia 64 kanałów pomiarowych, jakimi dysponuje projektowany detektor. W jego otoczeniu znalazły się też komponenty przeznaczone do takich zastosowań, jak Maroc-3A firmy Weeroc i wieloanodowy fotopowielacz firmy Hamamatsu. Jednym z większych wyzwań, o których opowiadał Maciej, była jednoczesna obsługa tak wielu kanałów z zachowaniem zależności czasowo-sygnałowych. Problemem jest nie tylko akwizycja danych, ale też komunikacja z otoczeniem, do której od strony programowej zostały użyte odpowiednio zmodyfikowane biblioteki otwartoźródłowe. Nie była to prezentacja łatwa do zrozumienia, gdyż dotyczyła bardzo specjalistycznej wiedzy. Padało wiele terminów wypowiadanych w slangu informatycznym. Jak można sądzić po pytaniach zadawanych po prelekcji, wśród słuchaczy znaleźli się tacy, którzy swobodnie poruszali się w tej tematyce.

Szymon Romanowski o piecu indukcyjnym własnej konstrukcji

Szymon Romanowski

Mówiąc szczerze, przed rozpoczęciem kolejnej prelekcji, której autorem był Szymon Romanowski byłem nastawiony do niej bardzo sceptycznie. Bo wydawało mi się, że co jak co, ale „Projekt i realizacja pieca indukcyjnego” to nie są moje klimaty i pewnie będę musiał jakoś walczyć o przetrwanie tych kilkudziesięciu minut. Okazało się jednak, że przelewająca się na słuchaczy fascynacja i charakterystyczne poczucie humoru autora projektu, szybko udzieliło się i mnie.

Zdjęcia z prezentacji

Zaczęło się od przedstawienia zasady działania popularnych płyt grzejnych stosowanych we współczesnych kuchniach. Na kolejnych slajdach pojawiały się fotografie już bardziej profesjonalnych pieców starszej i nowszej konstrukcji, szeroko komentowane przez prelegenta. W dalszej części autor przeszedł do omówienia kolejnych etapów prac nad swoim piecem, przy czym od razu należy zaznaczyć, że nie była to konstrukcja wymagająca do instalacji hali fabrycznej. Całość zmieściła się na zwykłym stole.

Na wstępie Szymon wyjaśnił ogólną zasadę działania pieca, którego elektronikę weryfikował w popularnym symulatorze LTspice. Następnie uczestnicy mogli zapoznać się z kolejnymi etapami tworzenia schematu, przy czym każda rozbudowa i modyfikacja była potwierdzana symulacjami. Prelegent wielokrotnie podkreślał, że prześledził „miliony” publikacji internetowych i udostępnionych projektów udowadniając, że niektóre z nich nie miały prawa działać. Umacniało go to w przekonaniu, że trzeba polegać na własnej wiedzy i autorskich pomysłach. Została więc przedstawiona liczna kolekcja slajdów dokumentujących proces budowy pieca, włącznie z obliczeniami i projektem sterownika zbudowanego w oparciu z mało u nas znany mikrokontroler Cypress z niezłym IDE.

Piec indukcyjny konstrukcji Szymona Romanowskiego

Wreszcie nadszedł decydujący moment, czyli pokaz działania pieca. Na szczęście wszystko odpaliło jak należy, trzeba było tylko uważać, żeby do cewki pieca nie włożyć palca z obrączką.

Mateusz Stępień o złączach koncentrycznych

Mateusz Stępień

Kolejny cykl prelekcji odbył się już po obiedzie spożytym w restauracji hotelowej. Mateusz Stępień z Würth Elektronik nawiązał w pewnym stopniu do zagadnień związanych z projektowaniem PCB. Temat jego prezentacji to „Funkcja i konstrukcja złączy koncentrycznych oraz złote zasady ich wykorzystania w projekcie PCB”. Nie nawiązywał jednak bezpośrednio do narzędzi używanych do projektowania płytek, a omawiał ogólne zasady obowiązujące podczas umieszczania różnych rodzajów złączy. Akcent został postawiony na elementy przeznaczone do systemów wysokoczęstotliwościowych, w których nawet najdrobniejsze szczegóły mogą mieć ogromne znaczenie. Nawiasem mówiąc uświadomił przy okazji słuchaczom, ile rodzajów złączy jest do dyspozycji dla konstruktorów, o czym często zapominają biorąc do projektu pierwszy komponent z listy wyświetlanej w sklepie internetowym. Tymczasem nieodpowiedni typ złącza lub niezgodne ze sztuką umieszczenie go na PCB może być powodem powstawania odbić sygnału trudnych do opanowania na etapie uruchamiania płytki. Autor przedstawił kilka typowych błędów popełnianych przez konstruktorów podczas projektowania układów ze złączami szerokopasmowymi. Mogą one powodować powstawanie zaburzeń EMC, które uniemożliwią w przyszłości uzyskanie certyfikatów kompatybilności elektromagnetycznej. A jest to wiedza ocierająca się niemal o „czarną magię”. W ten sposób nastąpiło płynne przejście do kolejnej prezentacji.

Adam Raniszewski o antenach

Adam Raniszewski

Mikrofon przejął dr inż. Adam Raniszewski, który poruszył niezwykle trudny temat: „Antena – kluczowy element toru radiowego: patch, inverted F oraz szyki antenowe”. Pamiętam, jak na studiach specjalistów od mikrofal nazywało się hydraulikami. Częściej bowiem, zamiast lutownicy używali oni kluczy i wkrętaków do dokręcania śrubek w falowodach.

Mimo, że teoria związana z antenami, propagacją fal itp. została bardzo dobrze opisana przez Jamesa Clerka Maxwella i to już w latach 60. XIX wieku, to zagadnienie jest niezwykle trudne. Nieodzowne jest używanie skomplikowanego aparatu matematycznego z rachunkiem różniczkowym i całkowym włącznie.

A z czym mają do czynienia projektanci anten, opowiedział w dużym skrócie Adam. Zaczął od zasad związanych z propagacją fal i zjawiskami zachodzącymi, gdy fala pada na granicę ośrodków. Kolejne zagadnienie to bilans łącza radiowego i zysk kierunkowy. Na ekranie prezentacji pojawiły się trójwymiarowe wykresy ilustrujące propagację fal przez różne anteny poparte licznymi wzorami, wypełnione całkami. Próbowałem, ale w pamięci nie dało się ich rozwiązać. Na kolejnych slajdach autor tłumaczył polaryzację anten. Trzeba przyznać, że animowana grafika mogła być bardzo przekonująca nawet dla laika.

W dalszej części autor omówił różna rodzaje anten i metody ich zasilania, po czym nastąpił fragment prezentacji, który na pewno spodobał się konstruktorom. Adam przedstawił metody projektowania kilku rodzajów anten. Nie wiem czy ta wiedza wystarczy do samodzielnego zbudowania własnej anteny, ale zagadnienie jest nie mniej fascynujące niż budowa pieca indukcyjnego.

W złożonych systemach radiowych dużą rolę odgrywają szyki antenowe, o których była również mowa w prezentacji. Mamy z nimi do czynienia na co dzień korzystając z telefonów komórkowych. Są też istotne dla wojska.

W ten oto sposób zatoczyliśmy koło od mikroelektroniki z pierwszej prezentacji, do olbrzymich systemów antenowych o rozmiarach kilku, a nawet kilkunastu metrów. Anteny takie projektuje autor prelekcji. Chapeau bas.

O sile tej prelekcji świadczy cisza, jaka zapadła po jej zakończeniu. Czy oznaczała ona, że nikt nic nie zrozumiał? Miały padać pytania dotyczące szczegółów omawianych zagadnień, tymczasem przez dłuższą chwilę wszyscy siedzieli jak wmurowani. Już mieliśmy przechodzić do następnej prelekcji, gdy nagle pytanie zadał niezawodny Rafał Wiśniewski – prelegent z poprzedniej edycji HDM… i się zaczęło. Rozpętała się prawdziwa dyskusja głównie między obydwoma panami, w trakcie której padały pytania natury wręcz filozoficznej z elementami humorystycznymi. W pewnym momencie do akcji musiał wkroczyć organizator, który – jak wcześniej obiecał – miał skrupulatnie pilnować reżimu czasowego.

Tadeusz Asyngier o pomiarach oscyloskopowych sygnałów mieszanych w dziedzinie czasu i częstotliwości

Tadeusz Asyngier

Za nami już prawie 7 godzin konferencji, a po uczestnikach nie widać nawet najmniejszego śladu znużenia. Stanowisko prelegenta zajął Tadeusz Asyngier z Tektroniksa. Opowiadał o możliwościach pomiarowych oscyloskopów Tektronix.

Konstruktorzy nowoczesnych urządzeń elektronicznych coraz częściej stykają się z problemem wykonywania pomiarów tzw. sygnałów mieszanych. W tradycyjnym rozumieniu dotyczy to przebiegów analogowych i cyfrowych, jako że sygnały radiowe są zwykle badane za pomocą analizatorów widma. Wymagania jednak rosną i obecnie coraz częściej zachodzi konieczność jednoczesnej analizy wszystkich trzech rodzajów sygnałów. Tomasz zaprezentował analizę działania pętli synchronizacji fazowej (PLL). Obraz z oscyloskopu był wyświetlany na ekranie projektora, więc wszyscy uczestnicy konferencji mogli wygodnie obserwować działania prelegenta. Widzieliśmy to, co dzieje się w układzie z pętlą PLL od chwili wysłania magistralą cyfrową danych programujących, po reakcję VCO i w konsekwencji toru radiowego. Istotna w takich przypadkach jest możliwość wyzwalania z różnych źródeł, zarówno analogowych, jak i cyfrowych, a także możliwość synchronizacji sygnałem pochodzącym z dziedziny częstotliwości – czy to samej częstotliwości, czy amplitudy sygnału radiowego. Szkoda tylko, że aby cieszyć się takim przyrządem potrzebny jest raczej gruby portfel.

Rafał Stępień o walce z szumami

Rafał Stępień

Ostatnia prelekcja tradycyjnie już należała do organizatora. Dr inż. Rafał Stępień, reprezentujący własną firmę DoktorTronik, poprowadził ją w akademickim stylu, zadając słuchaczom szereg pytań pomiędzy omawianymi zagadnieniami. A mowa była o „Projektowaniu układów niskoszumnych”.

Szumy to zmora każdego elektronika, szczególnie konstruktora urządzeń, w których występują sygnały o małych amplitudach. Słuchacze zapoznali się z rodzajami szumu ze względu na jego źródło, jak i charakter częstotliwościowy. Autor pozbawił nas złudzeń, że można zbudować układ bezszumowy, choćby z uwagi na występujący wszędzie szum termiczny. A jest to tylko jeden z wielu rodzajów szumu, z jakim mamy do czynienia.

Ratując nieco – wydawać by się mogło – beznadziejną sytuację, autor omówił w dalszej części wystąpienia metody redukcji szumu. Dobre i to, skoro całkowicie nie da się go wyeliminować. Metody polegają zarówno na odpowiednim projekcie elektrycznym, jak i doborze elementów niskoszumowych – wzmacniaczy operacyjnych. Nie zabrakło również tego, co konstruktorzy lubią najbardziej, czyli trików polegających na przykład na równoległym lub szeregowym łączeniu źródeł napięciowych. Obok przykładów akademickich został przedstawiony również sposob szeregowania napięciowych źródeł referencyjnych, w którym zostały pokazane rzeczywiste elementy handlowe. Na zakończenie odbył się krótki test z nabytej wiedzy, ale bez wystawiania ocen. Nie było nawet uścisku dłoni prezesa, a szkoda.

Bonus

Konkurs dla uczestników konferencji

Prelekcja o szumach zakończyła merytoryczną część konferencji Hardware Design Masterclasses. Pozostał jeszcze jeden nieoficjalny punkt programu, jakim było spotkanie integracyjne dla chętnych w holu hotelowym oraz niespodzianka w postaci konkursu organizowanego przez sponsora Hitachi Energy. Do wygrania był zestaw Lego Technic z modelem bolidu wyścigowego Chevrolet Corvette dla klientów 9+. Zazdrościmy zwycięzcy.

Winner takes it all

Podziękowania dla prelegentów i sponsorów

Zdjęcia Agnieszka Kubasik, Jarosław Doliński