筆者について

Mark Harris

Mark Harrisは「技術者のための技術者」とでも言うべき存在です。エレクトロニクス業界で12年以上にわたる豊富な経験を積んでおり、その範囲も、航空宇宙や国防契約の分野から、小規模製品のスタートアップ企業や趣味にまで及んでいます。イギリスに移り住む前、カナダ最大級の研究機関に勤務していたMarkは、電子工学、機械工学、ソフトウェアを巻き込むさまざまなプロジェクトや課題に毎日取り組んでいました。彼は、きわめて広範囲にまたがるAltium Designer用コンポーネントのオープンソースデータベースライブラリ (Celestial Database Library) も公開しています。オープンソースのハードウェアとソフトウェアに親しんでおり、オープンソースプロジェクトで起こりがちな日々の課題への取り組みに求められる、固定観念にとらわれない問題解決能力を持っています。エレクトロニクスは情熱です。製品がアイデアから現実のものになり、世界と交流し始めるのを見るのは、尽きることのない楽しみの源です。

Markと直接やり取りする場合の連絡先: mark@originalcircuit.com

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シリアル通信プロトコル - 序章

シリアル通信プロトコル - 序章 1 min Blog この一連の記事では、マイクロコントローラー、データ生成およびデータ処理ペリフェラル、その他のスマートデバイス間で情報を転送するために利用可能なさまざまなシリアル通信プロトコルのタイプについて見ていきます。このシリアル通信の紹介に続く記事では、一般的に使用されているいくつかの人気のあるプロトコルについて説明します。このシリーズの最後には、それぞれの利点と欠点をまとめます。次にシリアル通信バスを実装する必要があるときに、このリソースが役立ち、特定の状況に最適なオプションを選択するのに役立つことを願っています。現在、デジタル電子技術は市場に出回っているほとんどの電子デバイスの最も重要な部分となっています。多くの異なるチップが使用されており、その複雑な操作は他の同様のデジタルコンポーネントから送受信される情報に依存しています。これらの間で通信を可能にするために、共通のプロトコル標準が作成されました。もし、各ICやデバイスが独自のプロトコルを使用して通信していたらどうでしょうか。これは、すべての人間が独自の言語を使って話すのと同じです。お互いを理解することがほぼ不可能になるため、混乱に陥るでしょう。現在、さまざまなメモリIC、デジタルセンサー、保護デバイス、プログラマブル電源、デジタルポテンショメータ、無線周波数ICなどを取り扱っています。これらはすべて、マイクロプロセッサ、 FPGA、ASICとの間で、またはそれら同士で通信する必要があります。これらのデバイス間の通信の目的は大きく異なることがあります。プログラミングのため、情報を抽出するため、あるいはアクションの実行を開始する信号を提供するためなどです。また、一部のプロトコルでは、私たち人間がマイクロコントローラーを介してICと対話することを可能にします。これらのプロトコルの1つを介してICに信号を送信するようにプログラムされたマイクロコントローラーに信号を送ることができます。あるいは、利用可能なデバッグツールの1つを接続することもできます。シリアル通信における問題の一つは、何かがうまくいかない場合に回路を見つけてデバッグすることの難しさです。もし一つのデバイスから別のデバイスへデータが届かない場合、その原因は次のいずれか、または複数の場所に存在する可能性があります：送信デバイスのロジック、その回路設計、シリアル通信のエンコードの仕方、通信バス、受信機によるデコード、受信機の回路設計、または最終的に受信機のロジックに。シリアル通信にオシロスコープのプローブを差し込むことで、何らかの活動があるかどうかは確認できますが、その有効性についてはほとんど教えてくれません。何が起こっているのかを完全に把握するには、デコード機能付きのオシロスコープまたはロジックアナライザーが必要になります。これにより、パルスを横切る電圧パルスを知り、電圧レベルのフォルトを見つけ、ノイズの問題を特定し、信号の立ち上がりと立ち下がりの速度に問題がないかを探ることができます。しかし、シリアル通信を徹底的にデバッグするには、バス上のデータをデコードして、それが正しいか、または破損しているか、衝突の影響を受けているかを確認できるツールが必要です。デバイス間またはIC間の通信をデバッグするために特別に作成されたデバッグツールがかなりあります。 Saleae Logicシリーズのロジックアナライザーは、業界標準のロジックアナライザーの一つであり、Proモデルは最も人気のあるプロトコルをすべて分析するのに十分な速度を提供します。多くの低コストのロジックアナライザーは、SPIのような高速プロトコルを処理するには遅すぎます。 LA2016 Logic Analyserは、非常に低コストでSaleae Logic 8とLogic 8 Proの間のサンプルレートを提供します。私は一つを所有しており、プロトコルを非常に成功裏に分析するために使用してきました。

電子部品の湿度感受性

電子部品の湿度感受性レベル 1 min Blog 電子部品を構成するために使用されるさまざまな材料は、時間が経つにつれて空気中の湿気を吸収することがあります。これは、部品が短期間で急激な高温にさらされるリフローはんだ付けが導入された際に初めて問題となりました。これは、リフロー工程中のピーク温度が高くなる鉛フリーはんだへの切り替えによってさらに悪化しました。湿気感受性の問題が増加した他の要因には、より高価な密閉型材料に比べて劣る特性を持つ安価で薄い材料、例えばプラスチックなどがあります。湿気が蒸発し、部品に損傷を与えることがあります。これは、部品パッケージを弱める微細な亀裂、部品の一部が分離する完全な亀裂、またはダイパッドとその樹脂カバーの間の表面剥離の形であるかもしれません。損傷のタイプに関わらず、結果としてその部品は交換する必要があります。湿気の蒸発によって引き起こされる損傷は、すぐには明らかにならず、デバイスが組み立てられてテストされた後にのみ現れる可能性があるという課題があります。それは、デバイスが正しく動作しているように見えるほど小さなものかもしれませんが、その後のサービス中に早期に故障する可能性があります。通常、パッケージが最も薄い部分で亀裂が発生し、表面実装部品の場合、通常はPCBに近い裏側で、したがって視界から外れています。同様に、マイクロクラッキングも、部品の表面の見える部分にない限り、視覚的には明らかではありません。主な問題は、マイクロコントローラーや他の複雑なデバイスでの湿気の蒸発による損傷です。ダイからの繊細な金属線と表面実装パッドは通常、プラスチックで封入されています。このパッケージングの亀裂は、ワイヤーを断線させる可能性があり、それは MCUが動作するまで検出されないでしょう、それが電源ピンでない限り。この問題はどれほど一般的ですか？この問題が発生する可能性は、使用される包装材料の種類と、部品が湿気にさらされる時間の長さによります。これは主に、部品がどのくらいの期間保管されるか、どのように保護されるか、そしてどのような環境条件下で保管されるかによります。部品が保管を離れ、保護包装から取り出されると、これはそのフロアライフによります。これは、部品が周囲の環境条件にさらされる時間の長さと、それらの条件が何であるかです。部品に湿気が浸透する速度は、その湿度と温度に依存します。温度が高いほど、環境中の湿気が包装材料に浸透する速度は速くなります。この吸収は、材料内の湿気濃度が環境の湿気濃度と一致するまで続きます。相対湿度が高いほど、吸収される湿気の量は多くなります。部品の製造中の露出時間と、リフローはんだ付けの準備が整ったPCBに組み込まれた後の期間は、保管時間と保管を離れてPCBに取り付けられるまでの時間と比較して無視できます。重要な環境要因は、湿度、温度、そしてこの時間の長さです。湿気に敏感な包装材料の使用には、集積回路やセンサーなどの封入コンポーネントが含まれ、コネクターやPCBにも及びます。デバイス内の各アイテムのデータシートを確認することによってのみ、どの部品が湿気に敏感か保管寿命湿気に敏感なコンポーネントは、通常、乾燥剤ジェルと不活性環境を備えた密封された保護包装で出荷されるべきです。包装には、コンポーネントを保管できる最大の期間が示されており、通常は数年です。特に湿気に敏感な部品は、通常、部品の健康状態を視覚的に示すために、包装に湿度指標が含まれて出荷されます。保護包装が損なわれず、保管施設の環境条件が仕様内にある限り、これは他のコンポーネントタイプを扱うのと変わりません。湿気感受性レベル標準化された湿度感受性レベル（MSL）は、どの部品が湿気に敏感かを識別するために定義されています。これらのレベルは、部品が湿気の影響を受ける前に、周囲の室温と湿度レベルにどの程度さらされることができるかを決定します。ここで、周囲とは30 oC以下、相対湿度60%以下を指しますが、無制限のMSL 1については、30 oC以下、相対湿度85%以下と定義されています。 MSL

オフィスでのDIY SMTアセンブリ完全ガイド

オフィスでのDIY SMTアセンブリ完全ガイド 1 min Blog この記事では、基本的な低コストのラボツールを使用した基板のリフローが比較的簡単で、しかも高品質の結果が得られることを説明しています。

バックブースト電源を作成する

バックブースト電源を作成する 1 min Altium Designer Projects この一連の記事では、電子プロジェクトで使用する可能性のある主なタイプの電力レギュレータとコンバータの設計と実装について見ていきます。私がメンターを務める大学院生に、これらのタイプごとにデモンストレーションするための一連の要件を与え、その結果をここに記録しました。同じ演習を行い、できれば同じ結果を得られるようにしてください。次のスイッチングレギュレータは、学生向けのスイッチングレギュレータシリーズの最後です。私の大学院生の設計要件は、電源が必要な出力よりも高いか低いかにかかわらず、安定した出力電圧を維持できるようにすることでした。言い換えれば、供給電圧をステップアップおよびステップダウンして、負荷装置に安定した供給出力を提供できるようにする必要があります。このタイプのスイッチングレギュレータは、特にバッテリー駆動のデバイスや、設定された条件や必要な運用モードに応じて複数の異なる電源間で切り替えるデバイスにとって非常に便利です。この設計に対する私の要件は次のとおりでした：入力電圧範囲 3.0 から 4.2 V 出力電圧 3.3 V 出力電流 200 mA このステップアップおよびステップダウン操作を1つのレギュレーターを使用して達成するために使用できるいくつかのトポロジーがあります。この記事では、以下について議論します：バックブーストコンバーター SEPIC Ćuk フライバックバックブーストコンバーターは、ブーストコンバーターとバックコンバーターの機能を1つの回路で使用するタイプのスイッチングモード電源です。ステップアップ回路とステップダウン回路の組み合わせにより、入力供給電圧の広い範囲にわたって安定した出力電圧を提供できます。また、ブーストコンバーターとバックコンバーターは非常に似たコンポーネントを使用しており、必要なコンバータータイプに応じて単純に再配置されます。

温度センサープロジェクト：アナログ温度センサーIC

温度センサープロジェクト：アナログ温度センサーIC 1 min Altium Designer Projects 温度を測定することに関する一連の記事の中で、温度センサーの第4クラスについてもっと学びましょう。それらの利点と欠点、および実装のための一般的なトポロジーについても発見してください。

次のプロジェクトでサーモカップルを使用する方法

次のプロジェクトでサーミスタを使用する方法 1 min Altium Designer Projects サーミスタは、電子プロジェクトで使用する可能性のあるすべての主要な温度センサーのタイプを見ていくシリーズの最終センサータイプです。このシリーズでは、プロジェクトでさまざまな温度センサーを実装する方法について見てきました。シリーズの最後には、実際の条件を使用してセンサーと実装を頭ごなしの競争に出します。この実世界でのテストを通じて、さまざまなセンサーがどのように振る舞い、変化する条件にどのように反応するか、また、感知した温度の出力がどれだけ線形で正確かについて、より良い理解を得ることができます。このプロジェクトの設計ファイルは、他のすべてのプロジェクトと同様に、オープンソースのMITライセンスの下で GitHubに公開されています。商用プロジェクトであっても、回路やプロジェクトを自由に使用することができます。温度センサーは多くの産業にとって不可欠であり、サーミスタはそれらの中でも特にそうです。サーミスタは非常に正確であり、感知温度の範囲が広いため、多くの産業用サーモスタット、プロセス制御、監視アプリケーションに理想的です。このシリーズでは、さまざまなセンサータイプとそれらを最適に使用する方法を見ていきます。次のような内容を見ていきます：負温度係数（NTC）サーミスタ正温度係数（PTC）サーミスタ抵抗温度検出器（RTD）アナログ温度センサIC デジタル温度センサIC 熱電対以前、この温度センサに関するシリーズの導入で、2つのプロジェクトテンプレートを構築しました。これらのプロジェクトテンプレートはそれぞれ同じインターフェースとコネクタの配置を持っており、私たちが見ているさまざまな温度センサーすべてに対して標準的なテストセットアップを持つことができます。これらのプロジェクトの1つはデジタル温度センサー用に、もう1つはアナログ温度センサー用に設計されています。この記事では、両方を使用し、デジタルプロジェクトテンプレートを高解像度ADC用に、アナログテンプレートを他のすべての実装用に使用します。このシリーズの結論として、これらのセンサーカード用に2つのホストボードを構築します。1つは検証目的で単一のカードをテストするために設計され、もう1つはカードのスタックにインターフェースするために設計されます。この2番目のホストボードは、複数のセンサーを搭載した後、すべてのセンサー実装のパフォーマンスを評価する際に使用されます。熱電対もし、これまで見てきたセンサーでは測定できない極端な温度を測定したい場合、サーモカップルを探しているかもしれません。サーモカップルは、これまで見てきた他のセンサーとは全く異なる方法で動作し、抵抗の変化を測定するのではなく、異なる合金の金属を溶接して生成される電位差（電圧）から測定します。これにより、適切なサーモカップルを使用すれば、絶対零度から鉄や鋼の融点を超える温度まで測定することができます。サーモカップルは構造も非常に頑丈で、このプロジェクトで見てきた他のセンサーほど簡単には壊れません。サーモカップルは抵抗温度検出器ほど正確ではありませんが、特に広範囲な温度範囲を考慮すると、ほとんどのアプリケーションに対して十分な精度を提供します。サーモカップルが温度から電気を生成するという事実は、電源として宇宙探査においても価値があります。放射性熱源の周りに数千のサーモカップルを直列に配置することで、放射性同位体熱電気発電機が作られ、これはボイジャー探査機、カッシーニ、ニューホライズンズ、そして火星のキュリオシティローバーなどの深宇宙ミッションに使用されました。私たちの目的において、正極にニッケルクロムを、負極にニッケルアルミニウムを使用したK型熱電対は、最も一般的で最も安価な熱電対のタイプであり、私たちが使用するものです。K型熱電対を使用すると、-270℃から約1372℃までの温度を測定でき、それぞれ-6.458mVから54.886mVを生成します。ご覧の通り、この広い温度範囲を通じて生成される電圧の量はかなり少ないため、この微小な電圧から温度を測定するためにはいくつかの回路が必要になります。最大温度まで耐えられるK型熱電対がすべてそうであるわけではないことに注意する価値があります。非常に低コストのK型熱電対の多くは、絶縁体が劣化する前に500〜700℃しか扱えないかもしれません。低コストの低温K型熱電対と高コストの高温K型熱電対の実装は、基本的に同じになることが多いですが、私たちが読み取っているのは熱接合部が提供する電圧ポテンシャルであるためです。それにもかかわらず、すべての金属が同じように作られているわけではなく、より安価な熱電対は純度の低い金属を使用していたり、他の近道をしていることがあり、より高価なオプションの方が良い選択となることがあります。