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アナログ・デザイン・シリーズ 【シリーズ一覧へ】

高速時代は回路の理解&プロービングが成功のかぎ

アナログ・センスで正しい電子回路計測

石井 聡 著
A5判 456(4C:8,1C:448)ページ
定価3,888円(税込)
JAN9784789842037

2015年5月1日発行

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 電子回路を設計したとき,一発で動くことはまずありません.問題を解決するためには波形を観測するのが一番の近道です.波形には,タイミングやひずみ,安定性などさまざまな情報が含まれており,見れば回路の動作が非常によくわかります.
 しかしそもそも,「正しい」波形を計測することは簡単ではありません.たとえば高価なオシロスコープを使ったとしても,プローブの取り付け方次第で取得できる波形は全く異なってきます.アナログ回路的な知識…つまり電子回路の物理的なふるまいを理解しておかないと,「正しい」波形を計測することはできません.高速・低電圧時代では特に重要な技術です.
 本書では,波形を計測するための理論と実際の計測テクニックを,実験を交えて基礎から解説していきます.オシロスコープやプローブ取り付け(プロービング)を中心に紹介してきますが,どの測定器でも共通です.アナログでもディジタルでも電子回路の計測を行うときには必要となる技術です.見えない電気信号を正しく計測するために役立つ1冊です.


目 次


はじめに

イントロダクション
波形を正しく計測することの重要性
回路のことは波形を見ればぴたりと分かる
測定器とプロービング…しくみの理解で計測の99%が決まる
本書を役立てられる技術者の例

Appendix 1 計測の準備
道具1:パッシブ・プローブ
道具2:本書で用いる同軸ケーブルと同軸コネクタ類
道具3:計測器本体の選定に関する注意点

第1部 計測の基本技術

【成功のかぎ1】実験とオームの法則で分かる測定器の内部抵抗の影響
第1章 計測には誤差がつきもの
1-1 現場の視点で基本から高度な応用まで
1-2 誤差を論理的アプローチでできるだけ減らす
1-3 計測で誤差が発生するようすを実験で確かめる
1-4 計測の心得は論理的なアプローチにあり

【成功のかぎ2】「ひずみ」や「寄生成分」が誤差を生む
第2章 振幅と周波数特性の計測
2-1 まずはおさらい:交流で計測する値
2-2 波形の違いが計測値に与える影響
2-3 リアクタンスの周波数特性が計測値に与える影響
2-4 高速・高周波回路で注意すべきこと

第2部 ディジタル信号の計測技術

【成功のかぎ3】正しいグラウンドで正しく計測する
第3章 高周波信号の集まり「ディジタル信号」の計測
3-1 ディジタル信号は高い周波数成分があるので計測には注意
3-2 計測の基準「グラウンド」の正しい位置
3-3 プリント基板上で発生する計測の誤差要因
3-4 グラウンド・リードから発生する計測波形の暴れ
3-5 信号の立ち上がり時間とオシロスコープの帯域幅

【成功のかぎ4】プロービングによる信号波形の変化を抑えるテクニック
第4章 数十MHzのディジタル信号を50Ω系計測で忠実に計測
4-1 数十MHzのディジタル信号をオシロで忠実に計測する
4-2 パッシブ・プローブの限界
4-3 パッシブ・プローブの限界を打ち破る「50Ω系計測テクニック」
4-4 「50Ω系」プロービングによる波形への影響など
4-5 不安定波形による不具合を見つけられる治具的回路
4-6 プローブを接続すると現象が再現しなくなっちゃった!そんなときの対策

【成功のかぎ5】基板上の電圧/電流の変化が放射ノイズを生む
第5章 ディジタル回路の放射ノイズの計測と対策
5-1 電磁波の性質を理解して対策する放射ノイズ
5-2 パターンを流れる電流を検出できる近磁界プローブ
5-3 放射ノイズ計測と対策の注意点
5-4 信号がパターンを伝わるようすから放射ノイズを理解する
5-5 放射ノイズの原因!信号の反射とリンギング

第3部 アナログ信号の計測技術

【成功のかぎ6】回路図にないインダクタンス/容量/抵抗成分が誤差になる
第6章 精度よく電圧や抵抗値を計測する
6-1 「精度よく計測する」には
6-2 精度よく電圧量を計測するにはグラウンドが特に重要
6-3 抵抗値を精度よく計測する
6-4 回路の出力抵抗や出力インピーダンスを計測する

【成功のかぎ7】原理を理解すれば簡易計測したり精度よく計測したりできる
第7章 知って得するアナログ信号の電圧/電流計測テクニック
7-1 電圧を的確に計測する その1:プロービングの影響を受けやすいハイ・インピーダンス回路
7-2 電圧を的確に計測する その2:計測するのが簡単ではない正しい実効値
7-3 電流を的確に計測する その1:グラウンド基準でない計測
7-4 電流を的確に計測する その2:誤差要因を考慮した電流トランス活用法

【成功のかぎ8】アナログ回路の安定度が分かる
第8章 確実に動く回路を作るために…位相の計測
8-1 二つの信号の位相差を計測する
8-2 きちんと位相差を計測できる位相比較回路の製作
8-3 アンプと位相の深くて難しい関係
8-4 実際にOPアンプの位相余裕をステップ応答で計測してみる
8-5 対応が難しい電源回路の位相余裕を計測する

【成功のかぎ9】グラウンドの電位はどこでも同じだと思ったら大間違い
第9章 原因不明?…同相モード電圧ノイズを回避する計測テクニック
9-1 計測でノイズの原因になる同相(コモン)モード電圧とは?
9-2 同相モード電圧が計測に影響を与えるメカニズム
9-3 同相モード電圧の影響を抑える計測方法
9-4 応用!絶縁計測回路の製作

第4部 スペクトラム・アナライザによる計測技術

【成功のかぎ10】高周波だけでなく高速・微小信号にも応用できる
第10章 スペクトラム・アナライザの原理と基本的な計測
10-1 スペクトラム・アナライザでできること
10-2 初めての方へ…使い方の三つのコモンセンス
10-3 より的確な計測を行うためにスペアナのしくみを知る
10-4 上手にスペアナを設定して的確に計測する

【成功のかぎ11】スペアナで低レベル信号を適確に計測するテクニック
第11章 ひずみや放射ノイズなどの微小信号計測
11-1 大信号に隠れた低レベルなひずみ成分の計測
11-2 放射ノイズなど低レベル信号のスペクトル計測
11-3 スペアナでひずみ率の計測もできる

Appendix 2 スペアナだけで実現するNFの計測

【成功のかぎ12】玄人技を知り活用することで観測信号の本性を見きわめる
第12章 ゼロ・スパンとオシロでキャリア変化を計測
12-1 キャリアがON/OFFするバースト波形を表示させる
12-2 AM信号の復調波形の観測
12-3 FM信号の復調波形の観測
12-4 PLL回路の出力周波数の時間変化を調べる

第5部 TDRを活用した伝送線路の計測技術

【成功のかぎ13】簡易的なステップ波形発生器とオシロで伝送線路のようすが診断できる
第13章 TDR配線診断の準備…原理と波形発生器の製作
13-1 時間軸で計測する伝送線路の診断術「TDR」
13-2 そこのポイントまで行かなくても先のことは調べられる
13-3 信号波形が伝搬するようすからTDR計測を考える
13-4 TDR計測用の簡易ステップ波形発生器を製作する
13-5 製作したステップ波形発生器の基本特性

Appendix 3 TDR計測で重要な要素「特性インピーダンス」と「位相速度」

【成功のかぎ14】伝送線路の長さ,特性インピーダンスと負荷抵抗の大きさで波形が変わる
第14章 波形発生器ではじめてのTDR伝送線路診断
14-1 実験その1:テスト信号を加えて出力端のようすを見てみる
14-2 信号が伝わって戻ってくるうごきを理解する
14-3 戻ってきた信号を再反射させず確実に観測する
14-4 実験その2:負荷抵抗が変わると波形の階段状態が変わるようすを見てみる
14-5 波形の階段状態が変わるのを計算で確認
14-6 実験その3:伝送線路の途中でインピーダンスが変わったときの波形

【成功のかぎ15】複雑なインピーダンス不連続のようすをかいまみる
第15章 TDR計測によるプリント基板診断
15-1 実際のプリント基板でTDR計測を試運転
15-2 基礎実験その1:コンデンサ&抵抗負荷のTDR波形
15-3 基礎実験その2:インダクタ&抵抗負荷のTDR波形
15-4 あらためて実際のプリント基板をTDR計測で診断

第6部 差動伝送の理解と計測技術

【成功のかぎ16】差動モードと同相モードに分けて考える
第16章 差動信号の伝わり方と波形の確認
16-1 差動伝送はすごい!信号をノイズ少なく良好に伝送できる
16-2 差動信号をホントに計測してみた
16-3 重要な考え方「差動モードと同相モードに分解する」

Appendix 4 高精度伝送やEMI/EMCで問題となる…モード変換の恐怖

【成功のかぎ17】相互に結合していても二つのシングルエンド伝送線路として表せる
第17章 差動伝送線路のモデル化
17-1 原理的な動作からモデル化…差動の成分のみの場合
17-2 原理的な動作からモデル化…同相モード成分を加える
17-3 差動伝送線路のモデル化ステップ1…結合していない2本の伝送線路
17-4 差動伝送線路のモデル化ステップ2…線路間の影響を加える
17-5 差動伝送線路のモデル化ステップ3…同相インピーダンスも加える
17-6 差動伝送線路の特性インピーダンスをTDR計測で確認

【成功のかぎ18】差動伝送線路の特性を正しく理解し正しく処理する
第18章 差動インピーダンスを計測して確実に終端する
18-1 差動伝送線路をきちんと終端することが最重要
18-2 差動インピーダンスを求める方法
18-3 同相インピーダンスを求める方法
18-4 差動線路のインピーダンスが途中で変化するとどうなるか
18-5 定番差動インターフェースRS−485のマッチングを最適化する

【成功のかぎ19】最適な差動信号伝送を実現するため計測の視点で知っておくべきこと
第19章 差動伝送線路を正しく評価するための5箇条
19-1 その1:差動信号には差動プローブを使う
19-2 その2:線路は終端して計測する
19-3 その3:オシロスコープの入力抵抗で終端してはいけない
19-4 その4:差動線路の片方だけを終端して計測してはいけない
19-5 その5:減衰回路はシングルエンド回路を組み合わせて作る

第7部 アナログ信号計測技術のレベルアップ

【成功のかぎ20】標準機能や自作のロー・ノイズ・プリアンプで波形を正しく捉える
第20章 オシロスコープ自体もノイズ源になりうる
20-1 オシロスコープ内部で発生するノイズが計測に影響を与える
20-2 「見かけノイズ」を低減するテクニック
20-3 自作ロー・ノイズ・プリアンプを使った「見かけノイズ」を低減した計測

【成功のかぎ21】調整の必要性から性能を100%引き出すコツまで
第21章 パッシブ・プローブの等価モデルと正しい計測
21-1 パッシブ・プローブは調整しておかないと正しく計測できない
21-2 パッシブ・プローブの補正の影響をシミュレーションで確認
21-3 パッシブ・プローブが正しく使える上限は100MHz程度
21-4 グラウンド・リードのループはできるだけ小さくする
21-5 パッシブ・プローブを「裸」にしてグラウンド・リードを短くする

Appendix 5 ディジタル・オシロスコープならではの計測の注意点
21-A その1:サンプリング時のエイリアシングが原因で正しく計測できない
21-B その2:FFT機能で計測できるダイナミック・レンジは40〜50dB程度

【成功のかぎ22】パッシブ・プローブでは対応できない高周波アナログ信号計測に挑戦
第22章 入力容量1pFの自作アクティブ・プローブによる計測
22-1 パッシブ・プローブで計測できる周波数の上限
22-2 測定対象に影響を与えにくいアクティブ・プローブ
22-3 より高周波までOK!低入力容量プローブ
22-4 入力容量1pFの簡易アクティブ・プローブを手作り
22-5 製作したアクティブ・プローブの特性を計測
22-6 水晶発振回路の励振電力の計測に応用してみる

【成功のかぎ23】高周波アナログ信号を的確にオシロに取り込む技と注意点
第23章 100MHz超のアナログ信号波形の正しい計測
23-1 500MHzのオシロで計測できる波形の周波数は…
23-2 高周波アナログ信号は50Ω系直結計測が活用できる
23-3 50Ω系計測の特長を生かしたZ0プローブ
23-4 差動プローブやアクティブ・プローブを正しく使う
23-5 差動プローブに長い付加リード線を接続するときの注意点

第8部 ソフトウェアとデバッグのための計測基本技術

【成功のかぎ24】ソフトといえどもハードウェアとしての動作確認が基本
第24章 マイコン動作チェック術(1)…I/Oポート&シリアル通信
24-1 信号を出力しているはずのポートの電圧レベルが変化していない
24-2 ソフトウェアでポートを読んでみるとなぜか値が不安定…
24-3 低速シリアル通信がうまくできないとき

【成功のかぎ25】オシロ×自作回路でできるちょっと高機能なデバッグ
第25章 マイコン動作チェック術(2)…割り込み/タスク切り替え/起動
25-1 割り込み動作のデバッグ術
25-2 ステート・マシンの計測によるデバッグの勧め
25-3 フラグなど内部メモリの値をモニタする方法
25-4 パワーオン・リセットの解除とCPU起動のモニタリング
25-5 メイン・ループの一巡に時間がかかり過ぎる原因を見つける

Appendix 6 測定器を利用した高度なトリガ・テクニック

Appendix 7 本書で紹介した計測用治具の回路図


初出リスト
第 1章〜第 9章
 トランジスタ技術2010年9月号〜2011年5月号
 高速時代の計測・プロービング入門〈第1回〉〜〈第9回〉
第10章〜第12章
 トランジスタ技術2014年7月号〜2014年9月号
 ワイヤレス時代のスペクトラム・アナライザ入門〈第1回〉〜〈第3回〉
第13章〜第15章
 トランジスタ技術2012年1月号,2012年2月号,2012年 4月号
 信号が正しく伝わる度合いがわかる!配線診断「TDR測定」〈第1回〉〜〈第3回〉
第16章〜第19章
 トランジスタ技術2012年6月号〜2012年8月号,2012年10月号
 差動伝送のメカニズムと伝送線路の評価術〈第1回〉〜〈第4回〉
第20章〜第23章
 トランジスタ技術2011年6月号〜2011年9月号
 高速時代の計測・プロービング入門〈第10回〉〜〈第13回〉
第24章
 トランジスタ技術2014年12月号
 オシロだけで挑む!ダメ出しマイコン基板の間違い探し〈前編〉
第25章
 トランジスタ技術2015年 1月号
 オシロだけで挑む!ダメ出しマイコン基板の間違い探し〈後編〉



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