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エンジニアとしての選択：自作するか、購入するか？ エンジニアとしての選択：自作するか、購入するか？ 1 min Blog 既製品のSBCを購入することに躊躇していますか？適切なモジュラーハードウェア設計ツールを使えば、迅速に構築できます 新しいプロジェクトに取り組むことほど楽しいことはありません。それが起業の冒険であれ、個人的な楽しみであれ。組み込みシステムのハードウェアプロジェクトに取り組むエンジニアとして、システムのどの重要な部分を自分で構築し、どの部分を購入するかという重大な決断を迫られる時が来ます。「構築するか購入するか」というジレンマはハードウェアコミュニティを切り裂いていますが、それはハードウェアに限ったことではありません。 この種の決断は簡単なものではなく、この質問に対する一般的な答えはありません。プロジェクトに間違った決断をすると、ユーザーやビジネスオーナーに時間とお金を費やさせることになります。構築するか購入するかを決定することは、コスト、時間、能力を慎重に比較検討する必要がある複雑な問題です。 製品の能力対スキル、経験、コスト エンジニアリングチームのスキルと経験は、次の製品をサポートするためにゼロから製造するか、既製のボードを購入するかの決定に大きな影響を与えます。チームが特定のドメインにおいてより多くの知識を持っているほど、成功する製造アプローチに乗り出す可能性は高くなります。一方で、特定のプロジェクトドメインにおいて知識と経験が少ないチームは、ゼロから新しい製品を生産するまでに時間がかかる可能性が高いです。この場合、既製のソリューションを購入する道を選ぶことが最もありそうです。 購入と製造の間で決定する際に考慮すべき重要な点のすべての中で、コストと必要な能力のバランスを取ることはおそらく最も重要です。自社製品を作成するビジネスにとって、コストは最終的な決定要因かもしれません。組織がクライアントのために製品を設計している場合、能力、カスタマイズ、コスト、および顧客の要件への適合性の間のトレードオフを示すオプションをクライアントに提示する必要があります。 コストの内訳 購入または製造に関わる総コストのトレードオフを理解することは、いくつかの段階を含む複雑なプロセスですが、利益を確保するためには重要なタスクです。完全にゼロから組み込みシステム用のカスタムボードを製造することは、以下のようないくつかのコストを発生させます： 開発費用：これはPCB設計を超えたものです。これにはソフトウェア開発（ファームウェア、オペレーティングシステム、BSP、ブートローダーなど）、機械設計、オプション機能、 テストと検証（性能テスト、認証、環境テスト、基板の信頼性テスト、ソフトウェアテスト、熱テストなど）、およびドキュメントが含まれます。ゼロから何かを設計して構築する予定の場合は、希望する開発プラットフォームを使用するためのライセンス料も支払う必要があります。 製造費用：これにはPCB製造、組み立て、工具、部品、および送料が含まれます。 長期費用：組み込みシステム用の独自のコードを開発する予定の場合、カスタムボードは定期的にソフトウェアアップデートが必要になることがあり、バグを修正する必要があります。これらの継続的なソフトウェアメンテナンス費用は、既に広範な組み込みソフトウェア設計の経験がある場合でない限り、予測が難しい場合があります。 ビルドルートと比較して、既製のソリューションを選択することは、開発費、初期段階の部品費、製造費の大部分、およびソフトウェアメンテナンス費を間違いなく節約できます。これはビルドオプションが選択肢から外れることを意味しますか？それは本当にあなたのアプリケーション、既製ソリューションのコスト、および生産する必要がある量によります。 ボリューム 量はコストと密接に関連しています。製造よりも購入を推奨するエンジニアは、この点に焦点を当てがちです。なぜなら、これらの人々はスタートアップや趣味の人よりもはるかに大量の製品を扱う傾向があるからです。あなたの目標が低ボリューム――数十、数百、あるいは数千単位である場合――購入する方がおそらく最良の選択です。数量が多くなるにつれて、製造ルートがより魅力的になります。 購入と製造時の利益性と製造ボリューム 時間とともに単位数が増加するにつれて、「製造」オプションが利益を生み出し始めるのは、既製品の製造者と独占契約を確保できる場合のみです。一度自分の組み込みシステムボードを製造し、テスト体制を通過したら、再建する必要はありません。すぐに大量注文を行い、上記のグラフに示されている交差点に近づくことができます。 カスタマイズ性 オフ・ザ・シェルフの製品を購入して組み込みシステムを動かす場合、見たままが手に入るものです。オープンハードウェアプラットフォーム（例えば、ArduinoやRaspberry Pi）の電子回路図をダウンロードして、基板を完全に再設計する予定でない限り、製品の性能は基板上のコンポーネントによって制限されます。 記事を読む
PianoArc: 第一人者や大スターにふさわしい円形ピアノ PianoArc: 第一人者や大スターにふさわしい円形ピアノ 1 min OnTrack 今年初め、私はSan Diego Altiumユーザーグループで、非常に魅力的な設計者に会う機会がありました。Dave Starkey氏は、自身がパートナーとともに設計し製作した、PianoArcという円形のピアノについて語ってくれました。このインタビューでは、Starkey氏の経歴に加えて、中東のとある宮殿に飾られており、またLady Gagaのキーボード奏者であり、このPianoArcを考案したBrockett Parsons氏によって世界各地で演奏されている、この独創的な楽器を、どのようにして彼が共同制作するに至ったのかを紹介しましょう。 Dave Starkey氏とBrokett Parsons氏のAbu Dhabi訪問 Judy Warner: Dave、あなたの技術者としてのキャリアと、どのような経緯でPianoArcの設計と開発を行うことになったかを話してください。 Dave Starkey: 私は高校で、プロの音楽家になるか、それが無理なら楽器を作る仕事に就こうと決めました。音楽家になることが無理なのは、あまりにも明らかでした。そこで、私はPurdueでBSEEを取得するため学業に勤しむかたわらで、電子楽器を可能にしたテクノロジーに注目しました。その後、多くの年月をさまざまな音楽関係の製品の設計に費やし、16の特許を取得して、自分のエンジニアリング会社をナショナル・セミコンダクターに売却しました。ナショナルを離れた後で、私はアコースティックピアノでMIDIを生成するシステムを開発しました。私は、大学の音楽教育研究室の開発および設置の仕事を行っていたChuck Johnsonと親しくなりました。ChuckとBrockett Parsonsは大学で一緒にジャズバンドを組んでいました。Chuckはキーボード、Brockettはトランペットのパートでした。Brockettはその後スタジオのキーボードプレイヤーとなり、リアリティTVで賞を獲得し、その後Lady Gagaのバンドに加わりました。Brockettは、ピアノを視覚的な表現にするという構想を抱いていました。これは、Gagaの派手なステージにおいて彼がほとんど目立たなかったためです。 Dave 記事を読む
マイクロ波およびミリ波周波数におけるRFアンプのインピーダンス整合 マイクロ波およびミリ波周波数におけるRFパワーアンプのインピーダンス整合 1 min Thought Leadership MarketWatchによると、RFアンプの全体市場は2023年に270億ドルを超えると予想されています。では、これらのRFアンプはどこで使用されることが予想されているのでしょうか？5Gや一般的なセルラーネットワークの拡大により、予想される成長の大きな部分を占めることができます。PCBデザイナーにとって、特に高出力アンプの場合、RFアンプのインピーダンスマッチングは重要な設計ポイントになります。 大信号RFアンプのインピーダンスマッチング RF電力整合性に関わる人々は、特にパルスRFパワーアンプを扱う場合、アンプの出力を通じて過渡信号を抑制するためにモバイルデバイスに良好な電圧レギュレータが必要であることをよく知っているでしょう。RF設計に取り組み始めるかもしれない信号整合性に関わる人々は、RF回路を分析し、適切なインピーダンスマッチングを決定する際に、低信号レベルでSパラメータを使用することに慣れているかもしれません。Sパラメータの使用は、これらのアンプが非線形領域で動作しているため、Class ABおよびClass C RFアンプ設計には適していません。 低信号レベルでの電力伝送（つまり、線形領域において）に関しては、負荷インピーダンスが アンプの出力インピーダンスの複素共役に一致している場合に最大の電力伝送が保証されます。しかし、電力アンプ（通常、RF送信セクションに配置される）は、意図的なインピーダンスの不一致がある場合に、定格出力電力でより高い利得と効率を提供するかもしれません。 高出力で動作する場合、アンプの出力インピーダンス/負荷インピーダンスの一致/不一致が、負荷への最大電力伝送を生み出すものは、所望の周波数で最大効率を生み出す一致/不一致と一致しない場合があります（これは抵抗成分について確かに当てはまります）。では、最適な性能を確認するために、負荷における正しい一致したインピーダンスをどのように決定できるでしょうか？ソースによって見られるインピーダンスは、アンプの入力および出力電力レベルに依存するため、 アンプの出力によって見られる適切なインピーダンスを決定するためには、負荷プル分析を使用する必要があります。その後、この値に負荷のインピーダンスを一致させる必要があります。 シミュレータとスミスチャートを使用して、ロードプル解析を行う比較的簡単な方法があります。この方法は、特定の入力電力で、大量の負荷インピーダンス値（インピーダンスは抵抗とリアクタンスの合計であることを忘れないでください）を反復して通過させることです。次に、負荷抵抗とリアクタンスの各組み合わせに対して出力電流/電圧をプローブし、これによりゲインと効率も計算できます。その後、特定の入力電力での負荷インピーダンスの関数として出力電力の輪郭をプロットします。 これは以下のスミスチャートで示されています：各輪郭は、特定の出力電力（緑）と効率（青）を生成する抵抗とリアクタンスの値のセットを示しています。赤い輪郭は、これら2つの曲線のセットが重なる領域を示しています。輪郭が交差する特定の出力電力において、出力電力と効率の間のトレードオフを決定できます。異なる入力電力では、異なるセットの輪郭が生成されることに注意してください。 RFアンプのインピーダンスマッチングに関するロードプル解析の結果を示した例のスミスチャート [ ソース] 負荷プル結果から決定したリアクタンスと抵抗の組み合わせは、負荷インピーダンスを設定するためにどのマッチングネットワークを使用すべきかを教えてくれます。その後、テストクーポンを使用したベクトルネットワークアナライザーの測定でこれを確認できます。高周波でのマッチングネットワークの振る舞いに注意してください。自己共振に加えて（下記参照）、マッチングネットワークの帯域幅が FMCWチャープレーダーに対していくつかの問題を引き起こす可能性があります。77 GHzで、チャープ範囲が4 GHzに達することができるので、帯域幅は73から81 GHzまで比較的フラットであるべきです。 記事を読む
PCBにおける冷却ファンの電気ノイズ低減 PCBにおける冷却ファンの電気ノイズ低減 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 PCやラップトップを開けて、そのファンやヒートシンクをじっくりと見たことがない人はいないでしょう。高速コンポーネント、高周波コンポーネント、または電力コンポーネントを扱っている場合、これらのコンポーネントから熱を取り除くための冷却戦略を考える必要があります。蒸発冷却ユニットを設置するか、水冷システムを構築するという核オプションを使用したくない場合は、冷却ファンを使用すると、最小の形状で最良の結果を得ることができます。対流熱伝達を助けるために、ヒートシンクにファンを追加することは良い考えです。 ファンの電気ノイズと放射EMI システムを冷却するためにどの方法を使用するにしても、または冷却システムを構築している場合でも、ファンを駆動するために使用される方法に応じて、特定のEMI/EMCの点を考慮する必要があります。 AC駆動 AC駆動ファンは、周波数制御なしでは速度制御ができないため、コンパクトなシステムではあまり使用されません。また、これらのシステムは一般的に高AC電圧で動作するため、工業システムで見られることが多いです。これらのファンは、基本周波数および高次高調波で顕著な伝導EMI（共通モードおよび差動モード）を発生させ、これが電源/グラウンド線を通じて伝播します。これは通常、 共通モードフィルタリング（LCネットワーク）に続いて差動フィルタリング（別のLCネットワーク）、そして直列のRCフィルターで除去できます。 DC駆動 DCファンは電気的にノイズがないように見えるかもしれませんが、音響的および電気的ノイズを発生します。異なるタイプのファンは、それぞれ独自のEMIを発生させ、 EMCテストの合格を困難にします。DCモーターを駆動しても、ローターを引き寄せたり反発させたりするために使用される回転する磁石のおかげでEMIを発生させます。これは、整流時に強いスイッチングノイズを生じます。DCファンから発生するEMIは、通常、ファンの電源リード内の伝導EMIに限定されます（2線式DCファンの場合）。このファンの電気ノイズは通常、共通グラウンドに注入され、ファンを駆動する任意のアンプの出力で再現されます。 シンプルな単軸DC冷却ファン これは、DCファンが放射されるEMI（電磁干渉）を発生させないという意味ではありませんが、放射されるEMIは、永久磁石とステータ巻線からの未封じ込め磁場（UMF）により、回転速度と同じ周波数になります。UMFはほとんどのファンにある程度存在しますが、UMFに対処する最初のステップはメーカーの責任です。一部のメーカーは、少なくとも2つの取り付け面でUMFを抑制するために、ファンに薄い鋼のエンクロージャを設置します。これは、放射されるEMIがファンの向きに強く依存することを意味します。 UMFからの放射されるEMIは、近くの高インダクタンス回路に低周波のリップル電流を誘導することがあります。一般に、大きなファンは駆動のためにより強い磁場を必要とするため、与えられた回転速度でより強いEMIを示します。しかし、数千RPMの回転速度でさえ、この放射されるEMIの周波数は数百Hzの範囲内にしかなりません。 PWM駆動 PWM駆動ファンは、デューティサイクルとPWM信号を変化させることで速度制御を提供します。PWM駆動では、 スイッチングMOSFETや他のデューティサイクルが変化する回路を扱っています。速度制御は、適切なデューティサイクルとパルス周波数を設定することで提供されることに注意してください。これは、非常に低いパルス周波数の極端な場合、PWM信号が低い間にファンが停止するまで遅くなる可能性があるため、実際にはかなり重要です。PWM信号が非常に速い（高周波）場合、ファンを速くしすぎようとすると、エイリアシング効果による興味深いノイズが聞こえます。 PWMで駆動されるファンの場合、ほとんどのPWMドライバーは、MHz範囲に達する高周波で共通モードノイズを発生させます。PWMで駆動される誘導モーターは、導電性EMIとして電源線を通じて近くの回路に共通モードノイズを誘導することがあり、これはEMC評価に影響を与える可能性があります。このタイプのファン駆動は、速度制御が必要なコンピューターでより一般的です。この場合、ファンが安定した速度を維持するために温度制御および速度調整回路の使用が必要であり、コントローラーが必要に応じてデューティサイクルを増減できるようにする必要があることに注意してください。 シンプルな単軸DC冷却ファン PWM回路自体もオーバーシュート/リンギングによって伝導EMIを発生させることに注意してください。これは平滑化またはフィルタリングされるべきですが、バイパスコンデンサや フェライトビーズをファンの入力に追加する前に、ファンメーカーのガイドラインを確認するべきです。この問題に対処するための推奨事項には、LCフィルターの構築、リンギング信号を除去するためのバンドストップフィルター、出力にRCフィルターを使用することなどが含まれているのを見たことがあります。いずれにせよ、フィルタリング戦略がメーカーの推奨事項を満たしていることを確認してください。 PWM信号の立ち上がり時間が速い場合、スイッチング信号が近くの回路にクロストークを誘発するスイッチングモード電源で見られるような類似の問題が発生することがあります。大型ファンを駆動するために高電流PWM信号を使用している場合、PWM信号のスイッチング動作が近くのデジタル回路に不随意のスイッチングを引き起こすことがあります。これは、PWMパルス列の周波数やデューティサイクルに関係なく発生します。この時点で、PWM回路に 記事を読む
低消費電力の頑丈なネットワークアタッチドストレージサーバーの設定 低消費電力の頑丈なネットワークアタッチドストレージサーバーの設定 1 min Blog IoTデバイス や連続動画の録画などを構築する場合、低消費電力で高容量の記憶システムが必要であり、できれば安価なハードウェアを使用することが望ましいです。特定のケースでは、デバイスがリモートであったり、産業機器、ロボット、または車両に取り付けられるなど、高い振動強度に対処する必要があるかもしれません。このような状況では、固体記憶装置が不可欠です。 Raspberry Pi? 私は、Raspberry Piを使用してネットワーク接続ストレージサーバーを構築することから始めました。結局のところ、それらは素晴らしいシングルボードコンピューターです。しかし、この種の用途にはあまり理想的ではないいくつかの点があります。まず、最新の3B+ではネットワークポートが300Mbit/s、古い世代では100Mbit/sしかありません。次に、USBポートはUSB 2.0（480Mbit/s）のみで、USB 3.0（5Gbit/s）よりもかなり遅いです。USBコネクタは、高振動環境では常に最適とは限らず、このために断続的な接続エラーを起こしたり、ケーブルがしっかりと固定されていない場合には疲労で故障することがあります。特にUSB 2.0のケーブルは、VFD駆動モーターなどの高EMI環境では特に性能が良くありません。 ODroid HC1! 市場には魅力的な選択肢が数多くありましたが、私はイギリスのディストリビューター（https://odroid.co.uk）からODroid HC1（Home Cloud 1）を選びました。これは非常にコンパクトで手頃な価格のシングルボードコンピュータです。HC1の広告されているベンチマークは、同じ価格帯の他のシングルボードコンピュータと比較してもかなり驚異的です。 Hard Kernelから 直接購入した場合、ユニットのコストはUS$49で、送料、電源、ハードドライブは含まれていません。Hard Kernelは、支払いに応じて処理能力の高いRasPiフォームファクターの印象的なボードも提供しています。HC1は、ネットワーク接続ストレージを制御することに特化しており、余計な機能を一切省いた点で私にとって魅力的でした。また、巨大なヒートシンクに取り付けられているにもかかわらず、かなりコンパクトで、オープンエンクロージャーとしても機能しますが、上部カバーを付けたい人のためのオプションもあります。 WiFi機能が組み込まれていること、そしてディスク障害が発生した場合のRAIDとデータセキュリティのために複数のドライブを動かす能力があることを望んでいました。Odroid 記事を読む
実装業者向け出力の生成 実装業者向け出力の生成 2 min Blog 先日、比較的経験の浅い技術者から、実装業者が問題なく作業できるためにはどのようなファイルを送ればよいか、また、実装業者が設計について不明点を明らかにするための質問の数を減らすにはどうすればよいか、という質問を受けました。その技術者は、大手の企業で専門職として数年間働いており、自分がかかわっている製品の出力を生成する責任もなければ、その出力を目にすることもなく、実装の経験といえば、趣味や大学のプロジェクトを通じて自分で組み立てたことしかありませんでした。 実装業者に適切なファイルを送らなかったり、設計者の意図を十分に明示した出力を提供しなかったりすれば、実装業者との理解の相違を解消するために作業が行きつ戻りつして遅れが生じる可能性があります。この記事で紹介する方法は必ずしも業界のベストプラクティスではありません。筆者自身が、外注の実装業者や製造業者にファイルを送った際の不明点を減らすために何年もかけて改善してきたプロセスです。カナダ、ヨーロッパ、中国の実装業者と一緒に働いている筆者の場合、このプロセスがうまく機能していることは既に明らかです。 この記事で例として取り上げるプロジェクトを直接操作しながら説明を読み進めたい場合は、私が GitHubで使用している基板を入手できます。古い基板ですが、実例を示すという目的には最適です。このプロジェクトを基にして独自の基板を作成し、デジグネータの扱いを練習する場合は、フットプリント用の Altium Designerのデータベースライブラリの古いV1バージョンをダウンロードしてください。 デジグネータ 基板にデジグネータを使用したがる設計者もいれば、使用する必要性を感じない設計者もいます。筆者個人は、自分のシルクスクリーンにはデジグネータをまったく追加しません。デジグネータの使用について意見がある方は、この記事にコメントする形で理由をお知らせください。自分の経験では、非常に狭い空間にコンポーネントが配置された状態でデジグネータを追加すると、たいていは混乱するので、部品を探す場合は実装図を参照してもらうようにします。回路基板にコンポーネントを配置する際は、すべてのデジグネータを新しいデジグネータメカニカルレイヤーに移し、デジグネータを部品の中央に配置して、必ずデジグネータがコンポーネント自体よりも小さくなるようにします。 これは、アセンブリ用出力を生成する際、実際に役に立ちます。各コンポーネントの位置を正確に示すこのメカニカルレイヤーから、非常に明快な図面を作成できるからです。 このために筆者が考えたプロセスは、 [Panels]（Altium Designerの右下）≫ [PCBFilters] からアクセスできる [PCB Filter] タブを使用する方法です。フィルターテキストは、単純に「 isDesignator」に設定し、一致するものを選択し、一致しないものを選択解除します。 PCBフィルターの追加により、デジグネータを簡単に選択できます。 次に 記事を読む
実装業者用の寸法線付きPCB図面 実装業者用の寸法線付きPCB図面 1 min Blog 前回の記事「実装業者用出力の作成」では、実装業者や請負製造業者がコンポーネントの配置位置を視覚的に特定できるすばらしい実装図を作成しました。ただし、機械の設定などのプロセスを容易にするため、場合によっては、実装業者が基板をより明確に理解できる図面を提供する必要があります。これには通常、面付けの寸法線や基準位置が含まれます。前の記事では、プロジェクトの面付けが非常に単純だったので、実装業者に寸法線や面付けビューを提示しませんでした。 多数の基板を含む複雑な面付けの場合、各基板の原点に対する寸法線を記入すると便利です。実装業者が、すべてのPick and Placeファイルではなく、基板固有のPick and Placeファイルを使用する場合、各基板の原点からのオフセットが非常に有効です。実装機によっては、各デジグネータを重複できなかったり、Pick and Placeファイルを1つだけ実行対象から外せなかったりします。同様に、複数の設計がある場合、実装機は、異なる値を持つ複数の同一デジグネータ (R1やC1など) をうまく処理できないことがあります。この制限は、単に機械のソフトウェアのためだけでなく、操作エラーの可能性を減らすためでもあります。したがって、例えば、複数のR1を含む単一ファイルがあり、4つが同じ値で1つが異なる値の場合、機械が同じ値をすべて一度に配置するために、それらをすべてまとめてグループ化してしまうことは、解決が難しいエラーではありません。 この面付けは標準とはかなり異なり、4種類の異なるデザインが含まれています。そのうちの2つには、よくない配列のコピーが複数あります。この面付けは、実装業者にとっては扱いにくく、よい配列、または複数の面付けにすべての部品を含むものと比べると、追加の設定作業が多数、発生する可能性があります。これらの基板はすべて、1つの少量生産品で使用されます。そのため、1配列の基板を含む面付けを複数製造するのではなく、ユニットごとに1パネルを製造する方が理にかなっています。 上の面付けについて言えば、実装作業に適していないデザインの部分が複数あります。例えば、基板の多くはmouse nibble tabで固定されています。そのため、実装機による配置時の圧力で基板に曲げや反りが生じ、機械内で個々の基板が割れる可能性があります。この部分こそ、設計について実装業者と密接に協力して作業を進めることで、業界のベスト プラクティスから外れても生産成功率を維持できるところです。 面付けへの寸法線の配置 Draftsmanドキュメントで先に図示した面付けを設定しました。これは、前回の記事と同様に設定されていますが、SMT、およびPTHパッドの表示が追加されています。実装図では通常、パッドを表示するとコンポーネントのデジグネータが読み取りにくくなることがあります。ですが、今回の実装図では、デジグネータが判読できなくてもかまいません。各基板はそれぞれ個別に実装図が作成され、すべての情報が明確に示されているからです。 Draftsmanでは 数種類の寸法線を使用できます。右クリックして表示される配置用メニュー、上部のツールバーの配置用メニュー(キーボードで

を押して表示します)、あるいはエディター上部のActive Barからアクセスできます。

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