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シミュレータ/ツール
アナログ回路，ディジタル回路，電磁界，熱，制御システムなどのふるまいを計算しビジュアル化してくれる多機能なシミュレータや，プリント基板やFPGA，マイコンの開発エコシステムの使い方を解説します．
ZEPマガジン
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計測のための24ビット$\Sigma\Delta$型A-Dコンバータ活用［第2回 実験研究！市販ICの内蔵ノイズ・シェーピング回路］ 24ビット$\Sigma\Delta$型A-Dコンバータは高分解能と高SNRを実現する．アナログ・デバイセズ製AD7401でノイズ・シェーピングの実験を行い，ノイズが高周波にシェーピングされる特性を確認 |
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HDL入門：IPコアの登録と接続 FPGAでIPコアを利用するときは，誰が見てもわかりやすい固有名を付け，正確に端子を接続していくことが成功の鍵 |
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フーリエ解析の基本「三角関数」の正しい理解 フーリエ解析は信号処理に欠かせない理論であり，その本質を理解するためには三角関数の性質をもう一度見直すことが重要だ |
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PICマイコンの新定番 Curiosity Nanoボード登場 PICマイコンの評価ボード“Curiosity Nano Board”はプログラムの書き込みやデバッグが簡単に行えるモジュール．開発にはMPLAB X IDEやMCCを使う |
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最新PSOCでタッチ・アプリケーション開発入門 PSOC4000T評価ボードと3種類の拡張ボード（ホバー・タッチ，誘導式キー・パッド，液面センサ）を使い，リアルタイムで感度やしきい値を調整する方法を紹介 |
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100W以下の中出力向け！定番電源「フライバック・コンバータ」の設計 フライバック・コンバータは部品数が少ないシンプルなスイッチング電源回路．100W以下の電源の多くがこの方式を採用している |
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ラズパイ+USB SDRで作るFlightradar24 Businessフィーダ Flightradar24は，飛行中の民間航空機の位置をリアルタイムで表示するウェブサイトおよびモバイル・アプリケーション．2006年にスウェーデンに住む2人の航空ファンにより始められ，2009年にサービスが公開された |
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Zynq搭載ボードの決定版“Eclypse Z7”で始める高速信号処理システム開発［Vol.1 開発環境“Vivado”をインストールしてFPGA（PL）でLチカ］ Xilinx製“Zynq”を活用したディジタル信号処理システムの構築方法を基礎から解説．Digilent製Eclypse Z7ボードを使って実際に動かす |
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GNU Radioで遊ぶ超高速ディジタル無線スタータキット“USRP B205mini-i” “USRP B205mini-i”とRF信号処理ソフトウェア“GNU Radio”を使ってディジタルFMラジオを作りFM放送を聞く |
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パソコンでEMC対策！3大電磁界シミュレータの選び方 電磁界シミュレータには，(1)有限要素法 FEM，（2）モーメント法 MoM，（3）有限差分時間領域法 FDTDの３種類あり，長短所を活かして使い分けるべき |
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5V入力/3～28V可変/3W：プロトタイピング用ミニ電源モジュールの製作 USB対応の出力電圧・出力電流可変のデスクトップ電源を自作した．広範囲に電圧設定と定電流設定ができるコンパクトな可変電源だ |
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PCB CADではじめてのプリント基板製作［Vol.2 電子部品の「シンボル」と「フットプリント」を作る］ CADツールにおける電子部品のライブラリは，回路図を作成する時に使う「シンボル」と，基板設計（レイアウト）の際に使う「フットプリント」の2つで構成される |
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オール・トランジスタ4ビットCPUの製作とFPGA開発［Vol.1 ノイマン型CPUの設計］ CPUキット「CPU1738」はディスクリートのMOSFETだけで構成されている |
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PCB CADで初めてのプリント基板製作［Vol.1 KiCadをインストールする］ “KiCad”（キキャド）は，オープンソースのプリント基板設計ツール．回路図入力，プリント基板の配置・配線，回路図シンボル作成，部品のフットプリント作成などの操作を一貫して行うことができる |
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FPGA/Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ FPGAを使えば，オリジナルのマイコン・チップを作ることができる．欲しいペリフェラル回路を何個でも用意できる |
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米国 Efinix社製 FPGAスタータキット “Xyloni”入門［RISC-V編］ Xyloni超小型ボードを使って，FPGAにRISC-VコアのSoC（System on a Chip）を実装してプログラム開発を楽しむ方法について解説 |
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高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！USBソフトウェア測定器 ADP5250誕生 ADP5250は実務用の測定器としての特徴が色濃い．一番の見どころは，アナログ入力のサンプル・レートが1GSPSと大幅に高速化している点だ |
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自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生 Analog Discovery Proは，Linux OSを実装したプロセッサを搭載しており，スタンドアロン動作が可能 |
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オール・トランジスタ4ビットCPUの製作とFPGA開発［Vol.6 CPUの全体統合とプログラムの実行］ 設計したA REG，B REG，OUT PORT，IN PORT，ROM，PC，ALU，STATE MACHINE，IDを接続してCPUを完成させる |
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オール・トランジスタ4ビットCPUの製作とFPGA開発［Vol.5 ステート・マシンと命令デコーダの設計］ CPUが1つの命令を実行する一連の流れを「命令サイクル」（instruction cycle）あるいは「マシン・サイクル」（machine cycle）という |
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オール・トランジスタ4ビットCPUの製作とFPGA開発［Vol.4 CPUのROM，PC，ALUの設計］ |
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オール・トランジスタ4ビットCPUの製作とFPGA開発［Vol.3 Lチカで学ぶFPGA開発体験］ アマチュアにも人気のワンチップFPGA MAX10で，LEDが点滅する回路を作るまでを順を追って解説 |
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オール・トランジスタ4ビットCPUの製作とFPGA開発［Vol.2 CPUのレジスタとI/Oの設計］ 4ビットCPUのアーキテクチャに含まれるA REG，B REG，I/O，ALU，PC，ROM，ID，STATE MACHINEといった各ブロックを設計する |
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PCB CADで初めてのプリント基板製作［Vol.3 回路図の入力と基板のレイアウト］ KiCadが備える回路図とレイアウト用のエディタを利用してプリント基板を設計し，基板メーカに提出する「ガーバ・データ」作る |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.1 ミリ波の性質と広帯域通信の実験環境］ 通信速度とデータ容量を向上させるミリ波は，電磁波の減衰の激しさや指向性の強さなど課題が多く，ビーム・フォーミングや周波数変換技術を駆使してこれらを克服する必要がある |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.2 反射の起こらない線路を作る］ GHzを超えると信号の波長が30cmほどに短くなり，プリント・パターンはもとより数GHzになるとコネクタや部品の物理形状も特性に効いてくるようになる |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.3 電磁波の漏れが少ない伝送線路］ 伝送線路を高周波電流の流れ方は直流電流とどのように違うのか？そして，高周波電流が流れる伝送線路からどのような電磁界が周辺に放射されるのか？ |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.4 信号が減衰しない基板］ インピーダンス・マッチング処理がなされていない伝送線路では，信号のエネルギが負荷端で吸収されずに反射して送信端に戻る |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.5 高周波センスを磨く！スミス・チャート］ 無線機や計測器の設計現場では，使う周波数や必要な帯域をまず決めて，その範囲で回路や伝送線路が希望のインピーダンスに近くなるように調整する「インピーダンス・マッチング」を行う |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.6 部品や伝送線路の入出力特性モデル「$S$パラメータ」］ 高周波では，回路や部品の特性を4つの変数「$S$パラメータ」を使ってモデリングするのが定石．その理由は？ |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.7 高速データ伝送 成功の鍵「群遅延」］ 群遅延特性を悪化させる主要因はLPFの位相変化である．逆に，群遅延の総合特性が実用的な帯域を決める |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験］ 次世代通信5Gには，400MHzもの超広帯域ベースバンド信号を送受信できる自営用の周波数バンド「ローカル5G」が割り当てられている |
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5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室［Vol.9 帯域優先？精度優先？2種類の周波数変換方式］ ZeroIF周波数変換は，送信信号(ベースバンド信号)とローカル信号と掛け合わせて一気に周波数アップ/ダウンする方式 |
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Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計 設計モデルが制御対象そのものならフィードバック制御系は期待どおりに応答するが，両者にギャップがある場合は，期待どおりの応答が得られない可能性がある |
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$V-I$特性を忠実に再現！SPICEモデル生成ツール Diode SPICE Model Creator 実ダイオードの静特性を忠実に再現！結果オーライのモデル生成ツールを自作した |
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Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ HDLは文字どおり，ハードウェアを記述するためのものだが，ANDやフリップフロップなどの論理素子を使った回路図をそのまま一対一対応で表現できる言語ではない |
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Renesas FPB＋拡張モジュール＋AIプログラミングで爆速マイコン・システム開発 RL78ファミリのFPBで，重力加速度の測定/表示/記録ができる「データ・ロガー」を製作．ArduinoシールドやPmod，Groveを活用する |
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バーチャル×フィジカルで高速開発！Renesas Arduino誕生 FPBはルネサス製マイコンを搭載したプロトタイピング向けボード．USB接続による電源供給と書き込み機能を備え，外部回路を用意せずに動作確認が可能 |
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V-I特性を忠実に再現！SPICEモデル生成ツール Diode SPICE Model Creator 特性パラメータを求めるSPICEモデル生成ツールは実デバイスの特性に合わせ込むことは難しいため，実測の$V-I$特性に合わせ込むことを優先したツールを自作 |
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波長はプリント・パターン上で短くなる 自由空間での波長λ0は光速cと周波数fから求められ，1GHz信号ではλ_0 = 30cm ．伝送線路上では電磁界の分布や基板の誘電率の影響で波長が短くなる |
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プリント・パターンの曲げ方と反射 角を切り落とした曲げのリターン・ロスは直角曲げに比べて全帯域で約10dB改善される |
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10mm，5mm，2.5mmのマイクロストリップ線路の通過帯域 マイクロストリップ線路は高周波信号を伝送するための代表的な構造．線路の長さLが信号の通過特性に大きく影響する |
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マイクロストリップ線路はインダクタンスとキャパシタンスで構成されている マイクロストリップ線路は，高周波では単なる導体パターンではなく，インダクタンスとキャパシタンスが組み合わさった分布定数回路として動作 |
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OPアンプで作る方形波発生器「弛張発振回路」 弛張発振回路は，抵抗とキャパシタを組み合わせて自励信号を生成する回路．OPアンプはコンパレータとして動作し，充放電の繰り返しにより周期的な信号を出力する |
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発振トラブル多し：I-V変換アンプの設計要点 フォトダイオードに光が当たると電流が出力される．この微小電流を電圧に変換するI-V変換アンプは，発振が起きやすい点に注意が必要 |
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抵抗とOPアンプ自体から出る：増幅回路の3つのノイズ源 増幅回路におけるノイズ源は大きく分けて3つある．（1）抵抗器が出す熱ノイズ（2）OPアンプが出す電圧性ノイズ（4）OPアンプが出す電流性ノイズ |
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位相補償容量の最適値探し：電子回路シミュレーションで実験 補償用キャパシタの容量が小さいと安定性の改善は限定的．容量が大きすぎると過補償となり，応答速度が低下したり波形のひずみが発生したりする |
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増幅回路の発振を止める：定石「進み位相補償」 増幅回路の出力信号が入力に逆相で戻る際，十分な位相余裕がないと，信号が自己増幅されて周期的に振動する．この好ましくない現象を抑えるために，位相補償が有効 |
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増幅回路の出力インピーダンス：負帰還による抑圧効果 増幅回路における出力インピーダンスは，回路の出力端から見た内部のインピーダンス．単体のOPアンプは数百Ωから数kΩの値をもつ |
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増幅回路の誤差「オフセット電圧」の設計法 OPアンプの増幅回路におけるオフセット電圧は，入力端子に印加された電圧差がゼロであっても，出力に現れる誤差のこと |
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大振幅と小振幅で全然違う！増幅回路の周波数特性 OPアンプ増幅回路は，周波数が高くなるほど出力信号が縮んでいく性質がある．小さな信号ではゲイン帯域幅GBWで説明できるが，入力振幅が大きい場合は別の制限が支配的になる |
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高域でのゲイン低下に注意！OPアンプ増幅回路の周波数特性 OPアンプ増幅回路は低域では抵抗で設定したゲインとおりの特性が得られるが，周波数が上がるにつれてゲインが低下し始める |
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入力と出力の電圧が等しい…それでもアンプ？絶対使う「ボルテージ・フォロア」 ゲイン1倍のアンプ「ボルテージ・フォロワ」は，高い信号源抵抗をもつセンサなどの電圧信号を低インピーダンスの負荷に正確に伝えることができる |
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USBマルチ測定器ADALM1000用測定アプリ ALICEのPCセットアップ ALICEはADALM1000を操作するための専用GUIソフトウェア．波形表示，直流・交流の信号生成，I-V測定，データ記録などの機能を備える |
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アンテナ・アレイのビーム・パターンを可視化 アンテナ・アレイのビーム・パターンは，各アンテナ素子の位相と振幅によって決まる |
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強制？自然？筐体放熱？密閉筐体の熱計算 小型密閉筐体に15W程度の基板を実装する場合，部品から発生する熱を効率的に筐体へ逃がすことが重要 |
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クルマ向け超低硬度TIM：大型電子部品の放熱 筐体との接触面が不均一になる凹凸のある電子部品には，超低硬度TIMを活用すれば，柔らかいシートが部品表面に密着し，効率的に熱を筐体に伝達できる |
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電子回路シミュレータLTspiceでCISPLE試験 CISPR規格に基づく伝導エミッション評価を回路シミュレータで模擬すると，実機測定前に問題点を把握できる |
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高効率化したいなら！不連続モードは重要な選択肢 スイッチング電源は，周期一定で臨界点近傍の動作を維持すれば，不連続領域でも安定な制御が可能であり，制御回路を複雑化せずに高効率が得られる |
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数十kHzの低周波電磁界 3相モータ・インバータの場合 PWMによる駆動においても，三相ラインを個別にシールドするのではなく，空間的に一体化した構造でのシールドが望ましい |
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10Gbps信号の電磁界空間放射 直線的な配線では放射が少なく抑えられる傾向があるが，配線を屈曲させた構造にすると，共振やアンテナ作用により放射が増す |
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差動信号はスリットを上手に超える スリット部を通過する際，差動伝送を用いると，信号の一部はスリット側に逃げるものの，大部分のエネルギは減衰せずに伝送される |
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キャパシタでスリット超え リターン経路は絶対確保 スリットによるリターン経路の断絶は，近傍にキャパシタを配置することである程度補うことが可能 |
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高速信号のスリットまたぎ 高速信号ならスリットをうまく通過できるように見えるが，実際は信号のエネルギの一部がスリット方向に流出する |
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30Gbps/0.03ns！超高速パルスの波形観測 直流と異なり，高周波のリターン電流は伝送路全体を経由するのではなく，信号の進行に伴って同方向に進む |
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安定に動作する負帰還アンプの検証と構築 OPアンプに同軸ケーブルなどの容量性負荷をつなぐと動作が不安定になる．また，帰還抵抗とOPアンプ自体の入力容量によっても不安定になる．とにかく容量には細心の注意を |
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低電圧/単電源動作のための適切なOPアンプ選定 OPアンプもディジタルICと同じく，電源電圧いっぱいで動くという理解は間違い．電源電圧いっぱいまで動かないOPアンプは多い |
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高精度増幅を実現するOPアンプの選び方 ±LSB/2が±0.6mVの12ビットA-Dコンバータと組み合わせる増幅回路に使うOPアンプには±60μVの入力オフセット電圧性能が必要 |
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OPアンプの周波数特性と適切な選び方 フィードバックをかけることでOPアンプは所望のゲインで動くが，その周波数特性はオープン・ループ・ゲインを超えられない．ゲインが10倍，$f_T$が10MHzなら実効的な帯域は1MHz |
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ネット通販に基板を発注 インターネットでプリント基板を発注するときに必要なのはガーバ・データとドリル・データだ．KiCadなどの基板設計ソフトから出力する |
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外形線データ設計とガーバアウト KiCadでは，外形線を「Edge.Cut」レイヤに描画する．このレイヤは基板の製造時に使用されるため，正確な設計が求められる |
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配線データの作成 KiCadを使用してプリント基板を設計するための初期準備として回路図データを読み込み，部品の配置に備える必要がある |
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回路図の作成 Kicadによる回路図作成では，ERC機能とネット名などの活用によって効率的かつ正確に基板を設計できる．特にネット名は視認性向上やエラー防止に役立つ |
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回路図シンボルの作成 端子が整理された配置が回路図の可読性に直結する．ライブラリ管理とシンボル設計を正確に行いたい |
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フットプリントの作成 基板上の寸法制約に対応しつつ、部品配置の正確性と作業効率を両立させるために、グリッド・サイズと原点位置の調整が不可欠 |
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KiCadのダウンロードとインストール Bluetoothレシーバの定番“BM83”を使って，iPhoneで高音質再生が可能なワイヤレス・スピーカを製作．基板はKiCadを使って製作した |
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コプレーナ/FET/BPFをQucsStudioに実装 ロスの小さい高周波信号用伝送路「コプレーナ・ウェーブ・ガイド」を用いて，伝達係数S21と反射係数S11のための評価低雑音アンプをQucsシミュレータ上で設計 |
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値を連続可変させて最適解を手早く探し出す AC解析やSパラメータ解析が可能な回路シミュレータ QucsStudioは，部品の定数を連続的に変化させながら，回路の応答を解析できる設計支援機能「スイープ」を備える |
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ベタ・グラウンドへの熱拡散に留意 時間をかけて確実に 高周波回路のはんだ付け作業をするときは，ルーペや拡大鏡を使って接続を詳細に確認することを怠ってはいけはい．LNAの入力端子の接触状態によっては雑音指数やSNRが低下する |
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NanoVNA実測 vs Qucsシミュレーション 数千円で買える3GHzネットワーク・アナライザNanoVNAと，DC解析，AC解析，Sパラメータ解析など多彩な機能を備えるQucsStudioは，高周波回路や無線回路の開発者の必需品 |
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校正?基板?測定器自体? S11は高域で波打つ どんなネットワーク・アナライザでも，S11を測ると高域で波打つ．原因は受信回路の整合度や校正の不正確さ，ケーブルの反射，測定器自体のインピーダンス変動などさまざまだ |
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マイクロストリップ？それともコプレーナ？ 標準的な厚さ1.6mmのFR4基板で，Z0=50Ωのマイクロストリップ線路の導体幅は3 mm．幅0.8mmの1608チップ部品と接続すると不整合が生じて数GHz帯域で大きな反射が発生する |
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精巧で繊細！コネクタはトルク・レンチでケーブルと接続 ネットワーク・アナライザにSMAコネクタを接続する際は，レンチを使って指定されたトルクで締め付けることが常識．無視すれば測定性能が低下し，1000万円を超える機器が使用不能になる |
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リターン・ロスS11と通過ゲインS21の実測 無線機の送信回路からアンテナまでのインピーダンスが整合していない場合，信号の一部が反射し，送信効率が低下する．この問題の原因はリターン・ロスを測ることで特定できる |
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損失，共振，反射，skew，ノイズ… USB TypeCなど，10Gbps超の高速域では信号の波長が短縮される．エラー要因として，信号線路の損失，反射，共振，skew，外来ノイズなどが挙げられる |
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Sパラ対応シミュレータ QucsStudioで解析 高速信号では，線路間結合「クロストーク」が通信の品質に悪影響を及ぼす．LTspiceにはできないSパラメータ解析対応のSPICE系回路シミュレータ“QucsStudio”で波形シミュレーションを実行 |
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良い例 vs 悪い例 差動信号の引き出し方 10Gbps超の信号を扱うUSB Type-Cコネクタは，SMD実装が基本．しかしリワーク作業性の理由から，信号損失や反射を引き起こす可能性のあるスルーホールが使用されることも多い |
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KiCad入門 基板の外形線を作る CADで描く基板の外形線は一筆書きでなければならない．製造エラーにつながらないよう，線データの交差や重複がないか注意深く確認する必要がある |
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KiCad入門 ドリル・データとExcellonファイル ドリル・データはプリント基板上のスルーホールやパッドのための穴を開ける工程で使用される．Excellonフォーマットで記述され，穴の位置，サイズ，層情報を含む |
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Sonnet Lite無料版をお試し！初めての電磁界シミュレータ 無線通信やRF設計用の定番ツール電磁界シミュレータ Sonnet Lite（評価版）を使って，パッチ・アンテナの電流密度分布（3.7GHz帯）を解析してみた |
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自宅がRF実験室に！1万円3GHzネットアナでSパラ測定 NanoVNAは約1万円と，デスクトップ型の数百分の1で買えるポケット型ネットワーク・アナライザ．無料シミュレータも活用して，自宅でRF回路の実験や開発が可能な時代だ |
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リフロ？手はんだ？フットプリントの作成術 部品のはんだ付けの方法には自動機またははんだこての2つ選択肢があり，各々に適したフットプリントを設計することが重要．0.5mm以上のパッドの露出部分を確保したい |
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GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機 USB接続型の定番ソフトウェア無線器“USRP”シリーズを使って，ソフトウェアFMレシーバを作ります．GNU Radioのプログラミング支援ツール“GNU Radio Companion”も利用します |
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初めての3Dプリンタ 種類と選び方 積層精度100μmのホビー用から，積層精度25μmのプロ用まで，3Dプリントの造形方式によって仕上がり精度や対候性が違います．その選び方は？ |
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ラズベリー・パイ Picoマイコン入門 C言語開発環境の構築 ARM GCC Compiler，CMake，Build Tools for Visual Studio 2019，Python 3.9，Git for Windows，Visual Studio Codeをインストールしてラズベリー・パイPicoのプログラムをC言語開発 |
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正しく回路が生成されないHDL記述 論理回路設計に不可欠なハードウェア記述言語 HDLの記述が文法的に正しくシミュレーションできたとしても回路に変換できるとは限らない．動画では失敗事例を3つ紹介 |
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米国 Efinix 社製 FPGA スタータキット“ Xyloni ”入門 米国FPGAメーカ Efinix社のモバイル/IoT向け小規模 FPGA“Trion”を搭載したスタータキット Xyloniの開発環境のインストール方法とLED点灯回路の論理回路設計を解説する |
