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PCBの実装図を作成して設計の意図を明確に伝える PCBの実装図を作成して設計の意図を明確に伝える 1 min Thought Leadership 「一部、組み立てが必要です」この文言は、買ったばかりのものに心を躍らせていた人を恐怖に陥れます。実は、私にもそんな経験があります。それは、子どもたちへのクリスマスプレゼントとして購入したサッカーのテーブルゲームでした。サイズが大きかったために、私はゲームを箱に入れ、クリスマスイブの夜遅くまでガレージに隠しておきました。「それほど難しくはないはずだ」そう高を括った私は、子どもたちがベッドに入ってから、テーブルゲームを組み立て始めました。何杯ものカフェインを摂取し、指の節に痣を作り、部品を失くし、私を「行儀の悪い人リスト」に載せてしまうようないくつかの罵りを口にしながら、夜が明ける直前になってようやくベッドに入りました。クリスマスの朝の家族写真には、テーブルゲームで楽しそうに遊ぶ子どもたちと、もう1杯のカフェインにしがみつくゾンビのような父親が写っていました。 組み立てが必要になるものはたくさんありますが、PCBの世界では実装が必ず必要になります。設計者は部品の配置やトレースの配線中に、実装について常に考えているわけではありません。ただし単純な事実は、設計者が設計したものを誰かが実装しなければならないということです。そこで必要になるのが、製造業者に基板の実装方法を伝えるための実装図です。 これまでに実装図を作成したことがない場合は、この投稿を入門として活用できます。ご安心ください。これは分厚いマニュアルではありませんし、幼稚園に通う私の子どものお絵描きのような設計の見取り図も含まれていません。ここで必要になるのは、実装図のさまざまな要素のほか、PCBのレイアウトツールが実装図の作成にどう役立つのかについて理解することだけです。一番よいところは、ここに含まれる情報が読んでいただくものであり、実際の実装は必要ないという点です。 PCBの実装図には、部品の外形やデジグネータなどの要素が記載される PCB実装図の項目 連携する製造業者にとって使いやすく正確なものにするために、実装図は複数の形態で作成できます。設計中はPCBが実際にどのようになるのかについて、必ず実装図で製造業者に伝えるようにします。自分が連携している製造業者に留意することは重要ですが、大半の実装図に共通する下記の基本的な要素を理解しておく必要があります。 実装図の形式: CADシステムには、図面の形式が自動的に生成されるものと、個別のライブラリーの形状として図面を手動で作成する必要があるものがあります。いずれを使用する場合も、形式と設計データベースを組み合わせて実装図を作成することになります。 基板外形: 製造図と同様に、基板外形を表示します。基板のサイズに応じ、画像を縮尺して実装図の形式に合わせたり、画像を拡大して詳細を表示したりすることができます。 部品の形状: 基板外形内には、基板に半田付けされるすべての部品の形状とそれらのデジグネータを含めます。 機械部品: 取り付け工具を使って基板に配置する機械部品も表示します。こうした部品は標準的なPCBフットプリントではないかもしれませんが、形状を個別に追加または描画しなければならないことがあります。機械部品の例としてはejector handleが挙げられます。これは電気部品ではないため、回路図に表示されない場合もありますが、実装図と 部品表には含める必要があります。 実装の注記: 基本的な実装の詳細、業界の標準や仕様に関する参照、特別な要素の位置が記載される指示の一覧です。 識別ラベルの位置: バーコードや実装タグなどの識別ラベルは、実装の注記に含まれる特定のラベルへの参照や描画ポインターを使って含めます。 記事を読む
マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール 1 min Thought Leadership PCB設計者 システムエンジニア/アーキテクト PCB設計者 PCB設計者 システムエンジニア/アーキテクト システムエンジニア/アーキテクト 楽しい時間は早く過ぎると人は言います。私がマルチボードPCBを設計しているときに、時間がなかなか過ぎないように感じるのはそのせいかもしれません。 EMIの回避、 すべての正しい接地、 静電放電の軽減、 配線の最適化などを考えると、単一基板の設計でさえ大変なのに、物理的にも電気的にもすべてを適合させなければならないPCBシステムの設計となると、苦痛の限界が試されているように感じるときもあります。ところが幸いなことに、マルチボードの回路図の作成を懲罰から楽しみに変えてくれるツールが登場しています。このツールには基板間の接続、MCADインテグレーション、モジュールの組織化という 全般的なPCB設計に役立つ3つの機能がありますが、これらは特にマルチボードのPCBに有用です。まず、基板間のルールチェックは悪夢のような作業になるばかりでなく、基板を台無しにしてしまう可能性もあります。ところが、このツールを使用すると、異なる基板全体でのトレースの接続が単純化され、土壇場の変更があったときにも大いに役立ちます。次に、インタラクティブなモデルによって煩わしいクリアランスチェックが容易になり、すべてを整合させて筐体に収めることができます。最後に、モジュールの組織化では、過去に設計した基板やコネクターを使って、新しい回路を作成できます。 MCADとの統合 使っているプログラムに3Dモデリングツールを組み込んだところで大したことはないようにも思えますが、実際には設計プロセスに大きな違いをもたらすことができます。PCBのモデリングにMCADを使用することで、巨額なコストにつながるミスを回避できるほか、試作や製造に基板を安心して送れるようにもなります。別の場所にいる機構技術者が使っているツールがご自分の手元にあれば、基板を設計する方法が激変するでしょう。それがどのように実現するかを見ていきましょう。 3Dクリアランスチェック 基板を設計した後に試作品が高額になったり、製造の工程で基板が筐体に収まらなかったりしたことはありませんか? 私は一度そのような経験をしましたが、それは試作に送る直前に電解コンデンサーを設計に追加したときのことでした。後になって、クリアランスの計算が少し間違っていたことがわかったため、機構技術者に設計データを送ってモデリングとチェックをしてもらってから、モックアップに戻しました。製造の工程でそのようなミスが見つかってしまったら、上司に何と説明すればよいでしょう。クリアランスチェックはリスクが高くなりますが、特にマルチボードのPCBの場合はそれが顕著です。非常に高額な3Dパズルのようにすべてを適合させ、それを筐体に収める必要があります。筐体は社内のスタッフが設計する場合もあれば、そうでない場合もあります。私は自分のことを出来の悪い設計者だとは考えていませんが、使っているシステムの3Dモデルがなければ、気付きにくいミスをしてしまうでしょう。 いつでも可能なモデリング 今では大半の設計者が基板のコンピューターモデルを使っていますが、それらを構築するのは設計者ではなく、通常は機構技術者の仕事です。とはいえ、別の人に変更を何度も送ることなく、設計者自身がモデルを作ってクリアランスチェックができるとすればどうでしょう? これは、MCADプログラムを勉強して文字通りにすべて自分で作業をする、という意味ではありません。私が言いたいのは、 回路基板ソフトウェアに仕事をしてもらうということです。これを実現するのは、高度に統合されている優れたMCADツールです。現在では、個々のコンポーネントの3Dモデルを生成し、すべての要素を含む基板のモデルを作成できるツールが提供されています。高度なツールであれば、筐体の3Dモデルをインポートし、クリアランスチェックを実行できるものもあります。こういった機能があれば、誰かを間にいれることなくMCADを自分で進めることができます。たとえば、電解コンデンサーが適合しているかどうかも、ボタンを数クリックするだけで確認できます。 基板間のエレクトリカル ルールチェック エレクトリカル ルールチェックはソフトウェアによって自動的に基板レベルで実行されるため、通常はそれほど面倒なものではありません。とはいえ、接続が複数の基板にまたがる場合、接続を追跡するのはほぼ不可能です。システム全体をチェックし、電気的にも機械的にもすべてが適合しているかどうかを確認できるプログラムはごくわずかです。これが可能なツールでは、さまざまな基板にまたがってルールチェックを実行できるため、設計中のすべての準備を整えることができます。また、筐体の変更や他の外部的な要因によって、PCBで大幅に接続を修正しなければならない場合の再設計にも大いに役立ちます。 開発中のエラーチェック 記事を読む
必須のPCB設計のヒント：PCB設計にウォッチドッグタイマーを実装する方法 必須のPCB設計のヒント：PCB設計にウォッチドッグタイマーを実装する方法 1 min Thought Leadership 在宅勤務には仕事のメリットがいくつかあります。自分で食事を作ることができ、昼休みに洗濯をすることができ、好きなだけお茶を飲むことができます。私はお茶のために水を沸かすためにストーブトップのケトルを使用しているので、執筆に没頭しているときは、高い音のホイッスルでお湯が沸いたことを知らせてくれるのを頼りにしています。 時々、不注意で蓋をきちんと閉めないことがあります。その結果、ケトルは静かなままで、中の液体の水が急速にガスに変わっていても音を立てません。このシナリオでの私の不注意な行動は、お茶を少なく飲むことを意味するだけですが、組み込みシステムでは、ウォッチドッグタイマー（WDT）の操作方法を知らない場合、その結果ははるかに重大です。タイマーの操作に失敗すると、停止したマイクロコントローラーは停止したままとなり、組み込みシステムがダウンしたままになります。ウォッチドッグタイマーの仕組み、ウォッチドッグタイマー回路の実装方法、そして最初の試みで正しく機能させる方法を見てみましょう。そうすることで、このシナリオを避けることができます。 組み込みシステムがWDTを持っていても回復できなかった理由 ウォッチドッグタイマーは、ハードウェアまたはソフトウェアのウォッチドッグ回路がクラッシュした場合にマイクロコントローラーを再起動するための、電子機器におけるシンプルなフェイルセーフ機能です。STM32ウォッチドッグタイマーは、別の集積回路（IC）として、またはマイクロコントローラー自体に組み込まれた機能として利用可能です。組み込みシステム設計においてWDTを使用しないことは、しばしば許されない過ちです。 ウォッチドッグタイマーの動作方法はシンプルです。設定されたウォッチドッグタイムアウト間隔でカウントダウンするようにプログラムされます。通常の操作では、マイクロコントローラーは定期的にタイマーのカウントダウンタイマーをリフレッシュして、それが期限切れになるのを防ぎます。マイクロコントローラーが応答しない場合、ウォッチドッグタイマーをリフレッシュしません。その結果、ウォッチドッグタイマーが期限切れになると、マイクロコントローラーをリセットするためのパルスまたは信号をトリガーします。このシンプルな機能は、マイクロコントローラーがクラッシュする可能性がある設計ミスや環境要因を補償します。 しかし、WDTが失敗した場合、組み込みシステムが誤った状態から回復する可能性は低いです。これが、ウォッチドッグタイマーがマイクロコントローラーをリセットできない原因を特定することが重要である理由です。最も明白な答えは、ウォッチドッグタイマーチップが故障していることです。しかし、複数のユニットで組み込みシステムが回復できないと繰り返し発生する場合、設計に何か問題がある可能性があります。 実際に、私が設計し展開してきた数百のマイクロコントローラーベースのデバイスの中で、STM32ウォッチドッグタイマーが故障したという事例には一度も遭遇したことがありません。根本的な原因は、しばしば単純に人為的なミスです。 WDTが正常に動作しない可能性がある理由 内蔵WDTを使用する組み込みシステムでは、実行中のコードがウォッチドッグタイマーを無効にする可能性があります。これは、設定ビットが意図せずに上書きされた場合です。 外部ウォッチドッグタイマーチップは、全く異なる問題に直面します。この場合、ファームウェアエンジニアがプログラムを開発およびデバッグしているときに、外部ウォッチドッグタイマーからのリセット信号を切断できるジャンパーピンが一般的に存在します。しばしばこれらのジャンパーピンは、現場に展開する前に手動で接続する必要があります。接続されていない場合、WDTのリセット信号は切断されたままとなり、マイクロコントローラーをリセットできません。 ウォッチドッグタイマーが機能しない一般的な理由の一つは、コーディングエラーによるものです。WDTタイマーをリフレッシュする関数がプログラムの間違った部分に配置されている場合、それらは本来機能すべき時に動作しません。 リアルタイムオペレーティングシステム（RTOS）では、異なる優先順位を持つ複数のタスクがあると、マイクロコントローラのファームウェアが複雑になります。優先度の高いウォッチドッグ回路タスクは、優先度の低いタスクが異常な無限ループにある場合でも実行を続けることがあります。ウォッチドッグタイマー回路のリフレッシュが最優先タスクである場合、マイクロコントローラは正しく機能していないときにリフレッシュされません。 WDTが信頼性を持って機能することを確実にする方法 WDTがその役割を果たすことを確実にするには、ファームウェア開発者、システムインストーラー、およびハードウェアウォッチドッグ設計者が関与します。ファームウェア開発者は、内部WDTをオフにするコードオーバーランを避けるために プログラミングのベストプラクティスを適用するべきです。ファームウェア開発者は、マイクロコントローラのメモリアーキテクチャと、コード内でメモリポインターと割り当てを正しく使用する方法をよく理解していなければなりません。 その他にも、プログラムの構造は、ウォッチドッグタイマーがプログラムの適切な位置でリフレッシュされるように設計されるべきです。これは、プログラムのどこかで無限ループが発生した場合にプログラムがウォッチドッグリセットをトリガーすることを意味します。また、WDTの機能を現場でチェックするテストユーティリティを開発することもできます。これにより、外部ウォッチドッグタイマーとマイクロコントローラーの間の接続されていないジャンパーピンを見逃すリスクも排除されます。 高品質な製造可能な回路基板を構築するために必要なすべてを含む使いやすいPCBレイアウトツールにアクセスする必要がある場合は、 CircuitMakerをご覧ください。使いやすいPCB設計ソフトウェアに加えて、すべてのCircuitMakerユーザーは Altium 365プラットフォーム上の個人ワークスペースにアクセスできます。設計データをクラウドにアップロードして保存し、安全なプラットフォームでウェブブラウザを介してプロジェクトを簡単に閲覧できます。 記事を読む
自動配線が可能なPCB設計ソフトウェアで時間を節約できる主な理由 自動配線が可能なPCB設計ソフトウェアで時間を節約できる主な理由 1 min Thought Leadership 私は長年にわたってPCBの設計に携わっていますが、自宅よりも職場で過ごす時間のほうが長くなっていました。残念ながら、家族はそんな私の日常にすっかり慣れっこです。締め切りが迫っている設計があると、私が夜遅くまで仕事をすることになるのを家族全員がわかっています。ストレスを解消したり、家族といる時間を増やしたりするためには、設計時間を短縮する方法を見つけなければいけないのはわかっていました。 つい数週間前のハロウィンも、設計の締め切りと重なってしまいました。ところが、作業は前倒しで完了し、早い時間に帰宅することができました。家族はみんな大喜びです。私たちはトリック・オア・トリートやゲームをして遊び、大笑いしながら楽しい時間を過ごしました。私は家族のヒーローになれただけでなく、その夜は久しぶりにぐっすりと眠れました。予定より早く仕事を終えられたことで家族全員が救われましたが、そこで私が感謝したのはそれまで避けてきたあるもの - そう、オートルーターです。 私は何年もオートルーターを使っているため、この機能に対する反論についてもよくわかります。ただし、最近では考えが変わりました。オートルーターは進化し、以前よりもはるかに便利になっているのです。洗練された現在のオートルーターでは、これまでのように紛らわしくて使えない配線だらけの基板が作成されることはなく、特定のニーズに対応します。こうしたルーターの活用方法を一度覚えると、それがどれほど便利か驚かされることでしょう。自動配線によってPCB設計ソフトウェアの世界は変わりました。ぜひ、新しい視点からこの機能を見直してみてください。 かつては謎のブラックボックスだったPCB の自動配線 オートルーター: ブラックボックスからPCB設計ソフトウェアへ 多くの設計者は自動配線のことを、自分たちではコントロールできないある種の謎めいたブラックボックステクノロジーだと考えてきました。得体の知れないルーターに設計データを送っても、出てくる結果にがっかりするだけだったのです。ルーターで行われる不適切な配線のせいで、何時間もかけて手動できれいに修正するはめになるのはよくある話でした。こうした問題のせいで、私も含めて多くの設計者がオートルーターを信用できなくなりました。 ところが今は話が違います。以前よりも格段に改良されているのです。多くのオートルーターは、サードパーティー製のブラックボックスアプリケーションではなく、PCB設計ソフトウェアに組み込まれています。つまり、すでに設定してあるデザインルールを使えるため、別のアプリケーションと整合させる必要はありません。また、現在のオートルーターはさまざまなモードで機能するため、作業する領域を絞って配線することもできます。その一部をご紹介しましょう。 Point-to-point の自動配線: ネットを単純にPoint-to-pointで接続できます。配線対象のネットを選択すると、デザインルールに従ってトレースが自動的に配線されます。 一括自動配線: 私たちが覚えている以前の「ブラックボックス」のオートルーターと似ているものの、最新の一括ルーターでははるかに多くの設定ができます。通常はPCB設計ソフトウェアに組み込まれているため、すでに設定してあるデザインルールを使用すれば、格段に管理しやすくなります。 設計に役立つ自動配線機能を備えるPCB 設計ソフトウェア 自動配線機能を備えるPCB設計ソフトウェアはどう設計に役立つのか 同僚から自動配線を見直してみるようにすすめられたとき、私はまずそれを拒みました。ところが、助けが欲しかった私は最終的に必要に迫られ、自動配線にもう一度目を向けてみることにしたのです。そこで見つけたものに私は驚きました。きっと、皆さんも驚かれるはずです。下記は、その中でも本当に役立っている配線機能です。 記事を読む
マイクロコントローラーの故障モード: 発生理由と回避方法 マイクロコントローラーの故障モード: 発生理由と回避方法 1 min Thought Leadership 設計の成功の大部分は大学にかかっています。実験室の実験でコンデンサーを誤って爆発させる原因を学んだからではなく、思いもよらないときにマーフィーの法則が当てはまることがあると学んだからです。Warcraftゲームに参加して終わりのない任務の遂行に明け暮れていた私は、常にコンピューターに依存して活動していました。 その当時、コンピューターの性能はかなり低く、悪名高いWindowsの「死のブルースクリーン」ポップアップが時々表示されるのは珍しいことではありませんでした。Warcraftゲームが中断されることはイライラの種であり、遂行した任務がシステムに保存されず数時間が無駄になる一方で、私はコンピュータークラッシュにより重度のパニック発作を引き起こしたものです。設計者であれば、現場でマイクロコントローラーに障害が発生した場合に、同様のパニックを経験したことがあるかもしれません。 マイクロコントローラーの故障モードがシステムに与える影響 組み込みシステムでは、マイクロ コントローラー（MCU）の障害は、業務の締め切りに遅れた場合よりも悪い影響が出る可能性があります。多くの場合、MCUは、決済端末、医療機器、セキュリティーシステムなどの用途における心臓部です。これらのシステムは高い安定性を必要とし、たいていはシステム障害に強くありません。 MCUが故障すると、場合によってはシステムの稼働が完全に停止します。この状況は、ユーザーに迷惑をかけたり、重要な使用現場において安全上のリスクを引き起こす可能性があります。クライアントにとって、信頼性の低いシステムは運用能力に影響を与え、収益の損失につながる可能性があります。設計者にとっては、何百もの製品が現場で常に故障していることは、私たちの誇りに大きな打撃を与え、評判に影響することが考えられます。 マイクロコントローラーの故障の理由とその責任 信頼性のある組み込みシステムには、ハードウェア設計者とファームウェア プログラマの協力が必要です。一部の設計エラーは開発段階で検知されず、導入後にやっと問題が顕在化します。この場合、その責任の大部分を誰が負うべきなのでしょうか。 指をさす前に、マイクロコントローラーが故障する一般的な理由を考えてみましょう。 1. メモリスタック オーバーフロー マイクロコントローラーの メモリスタックは、一時的な使用を目的とした内部RAMの指定領域です。メモリスタックのサイズは制限されており、MCUによって異なります。ファームウェア プログラマがスタックサイズより大きい変数を割り当てると、ランタイム中にスタックオーバーフローが発生し、ファームウェアに問題が生じる場合があります。 2. 不正なポインター MCUファームウェア プログラミングでは、変数、またはプログラム関数のアドレスを示すために、通常 記事を読む
最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 1 min Thought Leadership 家の購入を決意する前には、おそらくたくさんの質問をするかと思います。自分にとって大事な施設やサービスが近所にありますか? 近隣の環境に問題がなく、安全ですか? 家の間取りが自分のニーズに合っていますか? これらはいずれも、そこに住むと決める前に解決する必要がある重要な質問です。 同様に、PCB設計ソフトウェアの購入も同じレベルの詳細な検討が必要です。そのソフトウェアが自分に必要な処理を行ってくれるかどうか、どのようなサポートが受けられるかなどを確認する必要があります。また、会社の将来や、それらのツールが設計ニーズの変化にともなって設計者とともに成長できるかどうかなども考慮する必要があります。 新しい家の購入と全く同じように、新しいソフトウェアへの移行は大変な作業になる可能性があります。設計者を手助けするため、Altiumは、PCB設計ソフトウェアについて質問する時に設計者がガイドとして使用できるトピックリストをまとめました。 PCB設計ソフトウェアが必要な処理を行ってくれるか 最初に確認すべきことは、検討しているPCB設計ソフトウェアが、自分に必要な処理を行ってくれるかどうかです。この質問に答えるためには、どのような設計技術のためにそのソフトウェアを使用するかを明らかにする必要があります。設計するのは片面、両面、または 多層基板 ですか? それらの設計の用途は、 電源 、 アナログ 、 デジアナ混在信号 、 高速 、あるいは RF 記事を読む
自動インタラクティブルーターの配線がオートルーターより整然としている理由 自動インタラクティブルーターの配線がオートルーターより整然としている理由 1 min Thought Leadership 少年の頃、私の部屋は常に散らかっていました。あらゆるものがどこにあるかわかっていると思っていたので、掃除する理由はありませんでした。最終的には、両親と友人からの強いプレッシャーに屈し、私は部屋を掃除しました。違いは驚くべきものでした。足の踏み場ができて、はるかに歩き回りやすくなりました。 オートルーターによるPCB配線についても同じことが言えます。オートルーターの配線は、 見た目が悪く雑然とする ことが知られています。そのような基板は、場合によっては追加設計が難しく、またいいかげんな設計に見える可能性もあります。こういった望ましくない配線は、通常次の3タイプのいずれかに分類されます。 1) バス配線の分割 2) 長く曲がりくねった配線 3) 望ましくないコーナーやスタブがある配線 何年もの間、PCB設計者は、オートルーターのスピードを必要とするたびに、配線に関するこれらの問題に対応してきました。自動インタラクティブルーターは、代替ルーターとしてはあまり知られていませんが、オートルーターに付き物の配線の問題はなく時間を節約することができます。 均一なバス配線 オートルーターは、PCBの配線時に多くの問題を引き起こす可能性があります。最初に目を引く問題は、バス配線の分割です。 バス配線は、類似するネットをグループ化した、均一な配線パターンです。例えば、8ネットのデータバス（D0からD7）はできる限りすき間なく配線する必要があります。このような配線は、トレースの長さとトポロジーを一致させることで、データバスの信号特性を維持します。 オートルーターは、バスをグループとして配線せず、バス内のネットを別々のものとして認識します。各ネットを配線するため、オートルーターは、そのバス配線から他のネットの配線を押しのけます（push & shove）。全てのネットの配線が完了したときには、オートルーターは、均一なバスを完全に分割しています。 これに対して、 自動インタラクティブルーター は、デザイン内の全てのネットではなく、ユーザーが選択したネットを操作します。また、パターン幅、クリアランス、レイヤー、およびトポロジ―についてユーザーが設定したネットおよびネットクラスのデザインルールに従います。その結果、整然として緻密なパターンのバス配線になります。さらに、自動インタラクティブルーターでは、オートルーターが配線方向を決定するのとは異なり、ユーザーがバス配線の経路を指定します。 記事を読む