Agile Entwicklung und Tests: Die Rolle von Simulationen

Zachariah Peterson
|  Created: November 3, 2019  |  Updated: December 16, 2020
Mann mit Tablet und dem Schriftzug ‚agile Entwicklung
Mithilfe von Simulationen können Sie wiederholtes Prototyping und Testen vermeiden

Planen, bauen, testen– unabhängig davon, ob Sie ein Hardware-Designer oder Software-Ingenieur sind, werden Sie bei der Entwicklung komplexer Systeme mehrere Iterationen durchlaufen. Beim Bauen und Testen kommt der Moment der Wahrheit, wenn Sie herausfinden, ob sich Ihre harte Arbeit bezahlt macht. Ein wichtiger Aspekt der Planung-, Bau- und Testiterationen besteht darin, Testfälle und Funktionsanforderungen für Ihr neues Produkt eng zu definieren.

Elektrische Tests nehmen oft viel Zeit in Anspruch, da eine manuelle Prüfung der Platine oder der Peripheriegeräte, an die sie angeschlossen werden muss, erforderlich sein kann. Bei der agilen Entwicklung und dem Testen der Platine selbst, können Sie potenzielle Designprobleme früher im Designprozess identifizieren und sich sogar einen fehlgeschlagenen Prototyping-Lauf ersparen. Nutzen Sie dafür die Simulationsfunktionen in Ihrer Design-Software.

Planen, Testen, Bauen, Wiederholen in der agilen Entwicklung

Wir hoffen natürlich, dass jedes neue Produkt genau so funktioniert, wie es in einem Schaltplan entworfen wurde. Jedoch ist es schwierig, jedes Problem der Strom- und Signalintegrität auf Ihrer Platine zu antizipieren. Planungs-, Bau- und Testzyklen sind dafür gedacht, kontinuierlich eine neue Grundlage für ein zukünftiges Design zu erstellen. Prototypen werden produziert, sie schaffen es zurück zum Prüfstand, Probleme werden diagnostiziert und (hoffentlich) vor dem nächsten Prototyping-Lauf behoben.

Leider sind die Budgets begrenzt, und Prototyping-Läufe kosten Zeit, was sich in verlorenem Geld und einer langsameren Markteinführung niederschlägt. Komplexere Produkte verursachen tendenziell höhere Produktionskosten und erfordern mehr Zeit zum Testen. In einigen Fällen kann das Produkt niemals in der vorgesehenen Umgebung getestet werden. Hier müssen Designteams Signalintegrität, Leistungsintegrität und thermische Probleme früher im Designprozess identifizieren.

Das Erkennen dieser Probleme und das Vorschreiben von Änderungen an einem Design sind für die agile Entwicklung und das Testen von zentraler Bedeutung. Bei jedem agilen Workflow müssen die erforderlichen Änderungen an einem Design an mehreren Stellen im Designprozess erneut überprüft werden. Simulationen sind von unschätzbarem Wert für einen agilen Entwicklungs- und Testprozess, da sie es Designern ermöglichen, Teile eines komplexen Systems früher im Designprozess zu validieren und Änderungen vor dem Prototyping zu konzipieren.

Simulationen in einem agilen Entwicklungs- und Testworkflow

Bei den agilen Entwicklungsmethoden spielen Flexibilität und die Anpassung an Veränderungen eine entscheidende Rolle. Wenn Sie zu einem frühen Zeitpunkt im Designprozess erforderliche Änderungen am Design, der Funktionalität oder dem Funktionsumfang eines Produkts feststellen, können Sie das Ausmaß an Redesigns verringern. Simulationen innerhalb eines agilen Entwicklungs- und Testworkflows für ein PCB-Design sollten sich darauf konzentrieren, Probleme in den folgenden Bereichen zu identifizieren:

  • Signalintegrität. Dies sollte ein offensichtlicher Bereich für die Analyse sein. Probleme wie Klingeln, Übersprechen, übermäßige Reflexionen,      Intersymbolinterferenz und Signalresonanz können bei Hochgeschwindigkeits-/ Hochfrequenzdesigns problematisch sein. Simulationen eignen sich hervorragend zur Identifizierung dieser Probleme während der Designphase und können alle erforderlichen Änderungen am Layout anzeigen.
  • Leistungsintegrität. Um die Leistungsintegrität mit Simulationstools zu untersuchen, müssen Probleme wie Ground Bounce, Klingeln auf Ihrem PDN, Eigenresonanz in Bypass-/ Entkopplungskondensatoren und IR-Kompensation auf Ihrem PDN geprüft werden. Ein guter PDN-Analyzer kann Ihnen dabei helfen, die Stromverteilung auf Ihrer Platine zu untersuchen, während grundlegende Schaltungssimulationstools Ihnen helfen können, die verbleibenden Aspekte Ihres Stromverteilungsnetzwerks zu untersuchen, wenn digitale ICs umschalten.
  • Filtration/Verstärkung. Normalerweise werden diese in Bezug auf Grundschaltungen diskutiert. Allerdings können fortschrittlichere lineare Filter-/Verstärkerdesigns komplizierte Übertragungsfunktionen und ein Einschwingverhalten aufweisen, insbesondere bei Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitssignalen. Frequenzdurchläufe bzw. Zeitbereichssimulationen sind Standardwerkzeuge zur Validierung von Designentscheidungen in diesem Bereich.
  • Nichtlineare Effekte. Probleme wie Intermodulation, Impedanzanpassung mit nichtlinearen Komponenten und nichtlineare Stabilität können ohne benutzerdefinierte Simulationstools schwierig zu simulieren sein. Ein gutes Simulationstool bietet Schaltungsmodelle, die die nichtlineare Natur einiger Bauteile berücksichtigen, sodass Sie fortschrittlichere Aspekte der Signalintegrität in komplexen Systemen untersuchen können.

Wenn Sie Signalprobleme in diesen und anderen Bereichen früher im Designprozess erkennen, können Sie sich möglicherweise ein oder zwei Prototyping-Läufe sparen und innovativere Designs entwickeln. Die frühzeitige und häufige Entwicklung von Testfällen basierend auf Kunden- und Funktionsanforderungen ist für jeden agilen Entwicklungs- und Testworkflow von zentraler Bedeutung.

Design zum Testen in der agilen Hardwareentwicklung

Da die Signalintegrität ein so wichtiger Bestandteil jedes Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzdesigns ist, müssen Sie bestimmte Aspekte einer fertigen Platine in der vorgesehenen Umgebung testen. Zwar sind Simulationen während der Designphase von unschätzbarem Wert, jedoch müssen Sie immer noch eine echte Platine testen, wenn Sie einen Prototyping-Lauf abschließen. Zum Glück gibt es einige einfache Validierungsstrukturen für Platinen, um die Signalintegrität mit einer Reihe von Standardinstrumenten direkt zu überprüfen.

CB Agile Entwicklung und Prüfung mit einem Oszilloskop
Mithilfe von Simulationsergebnissen können Sie Testfälle erstellen und umgekehrt

Die Entwicklung dieser Art von Hardware-Testfällen ist ein wichtiger Bestandteil des agilen Hardware-Designs und der Entwicklung, sowohl während der Design- als auch der Testphase. Durch das Einbeziehen solcher Teststrukturen können Sie auf einfache Weise Messungen von kritischen Verbindungen erfassen und die Ergebnisse mit Ihren Simulationen vergleichen. Das Einbeziehen dieser Teststrukturen kann Ihnen dabei helfen, zwei wichtige Punkte zu adressieren.

Zunächst können Sie überprüfen, welche Annahmen in Ihrer Simulation nicht realistisch sind, ob Ihre ursprüngliche Analyse der Simulationsergebnisse falsch war und wie bestimmte Aspekte Ihres Layouts (z.B. parasitäre Effekte) Ihre Verbindungen beeinflussen. Zweitens kann es Ihnen helfen, sich auf einen Teil der Platine für die weitere Überprüfung und Simulation zu konzentrieren. Eine Überprüfung des Layouts und ein direkter Vergleich mit Ihrem Layout können die Ursache für die Probleme aufzeigen, die Sie auf Ihrer Platine sehen. Sobald Sie den spezifischen Teil der Platine identifiziert haben, der Probleme verursacht, können Sie mit Ihren Design- und Simulationstools eine mögliche Vorgehensweise bestimmen. Dies ist die wissenschaftliche Methode in Aktion.

Altium Designer® bietet Ihnen die Simulationstools, die Sie benötigen, um wichtige Analysen während der Designphase zu beschleunigen. Diese Tools bieten eine Grundlage für die Funktionen, die Sie auf Ihrer Platine erwarten. In Kombination mit den Bauteilen- und Datenverwaltungstools in Altium Concord Pro verfügen Sie über alle Funktionen, die Sie zum Implementieren eines agilen Entwicklungs- und Testworkflows in einer einzigen PCB-Designanwendung benötigen.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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