ロジック信号のレベル変換について

 昨今、ICの低電圧化が進んでいることから、昔のようにロジックIC=電源は5V、
ということは無くなってしまいました。
これはロジックICに限らず、マイコンにも言える話で、
最近リリースされるマイコンでは、電源電圧3.3Vという物が増えてきました。

これらが電圧を気にせず使えるのなら、特にどうということもないわけですが、
実際には大抵の場合、信号の電圧レベルを意識する必要が有ります。

そこで必要となるのがレベル変換器となるわけですが、
そう頻繁に使う代物でもないと思うので、簡単な基礎的知識を書いてみます。

まずレベル変換器は大別して3種類に分けられます。

①プルアップ抵抗＆オープンコレクタ素子

これは、H -> Lの遷移のみを半導体素子でドライブし、
L -> Hの遷移はプルアップ抵抗任せというもの。
半導体素子の耐圧を超えない範囲で、任意の電圧レベルに変換可能です。

この方式の歴史は古く、有名なICとして74LS07が有ります。
このICの出力端子は30Vまでの耐圧を持っているので、
TTLレベルの信号を24Vの信号に変換することも可能です。

②プルアップ抵抗＆ダイオード

これはL -> Hの遷移はプルアップ抵抗任せという点では①と同じですが、
H -> Lの遷移時、Lに引っ張るのはレベル変換器に接続されたデバイスです。
逆流を防ぐ意味で、ダイオード相当のものが挿入されますが、
実際にはFETが使用されます。

昨今話題になったFETとプルアップ抵抗を組み合わせた相互レベル変換回路もこの応用です。

 

また、この方式を使ったレベル変換ICもメーカーから出ており、
これらはバススイッチ等と呼ばれています。
製品例：　東芝TC7MPB9307

この方式は割りとお手軽なのですが、要注意点も有ります。
１つ目としてLに引っ張るのがデバイス自身という点。

デバイスがLに引っ張るのは当たり前じゃないかと言われそうですが、
例えばマイコンと74HC17を繋いだ際、マイコンがLに引っ張るのは74HC17まで信号線です。
その先の信号線をLに引っ張るのは74HC17の役目。

ところが、バススイッチを使った場合は、全信号をマイコンが引っ張ることになるのです。

PICマイコンであれば20mA位まで電流を引っ張れるので、
問題になることは少ないと思いますが、
もっと電流ドライブ能力の少ないデバイスを使う場合は、気にする必要があるかと。

２つ目としては、Hに引っ張るのがプルアップ抵抗という点。
一般的にプルアップ抵抗は10KΩや47KΩという値を使うケースが多いかと。
しかしこの回路のプルアップでは、そんな高抵抗だと立ち上がりが非常に遅くなります。
立ち上がり時間を高速にしたい場合には、470Ωや1KΩといった、
低抵抗を使う必要があります。
すると、システムの消費電力が増加するのみならず、
１つ目に述べたデバイスの電流ドライブ能力に注意する必要が出てきます。

お手軽なように見えて、ちょっとやっかいな代物なのです。

③専用ロジックIC

異電圧レベル間の繋ぐ為のロジックICというのが存在します。
テキサスインスツルメンツであれば、SN74LVCC4245AやSN74LVC1T45といった製品です。
これらは2つの電源系統と各々に対応したロジック入出力端子を持っています。
いわゆる74ロジックICの仲間ですから、速度は十分に速いです。
見かけ上の論理はバッファとして動作するので、信号伝達は単方向になります。
一時期と比べ、製品の種類が淘汰されてしまった感が有り、
入手性も昔より悪化してる感じがします。
しかしながら、②の方式のように電流ドライブ能力を気にする必要がないことから、
低消費電力の機器には　もっとも向いてると思われます。

差動信号線のパターン設計の話

 皆様、あけましておめでとうございます。
惰眠を貪っている間に新年が来ていたコナンです。

今年最初のネタは差動信号線のパターン設計について。

新年早々、USBが載った基板を設計することになったのですが、
USBの信号線は差動ラインでございます。
なので差動信号線としてインピーダンスマッチングしたパターンを引く必要があるわけですが・・・

そこで、文献やら各種計算サイトを調べてみると、各々で結構な差が有るんですね。
時間とお金が有るなら、実測用の基板を作って、実際のインピーダンスを測ってみる、
なんて手もありそうですが、さすがに私には無理。

そんな最中、これはアテになりそうと感じたのが、Kicad付属の計算ツール。

これが実際に先日設計した基板の値です。

この計算ツールで感心した点は、２本の信号線が同相か逆相かで、
それぞれの値を算出できること。

USBの信号線は差動信号なので逆相信号ということなります。
なのでこのツールだとZdiffの値になりますので、
Zodd×2という計算になるそうな。

上記の表だとZoddは 57.7662Ωなので、2倍すると115.5324Ω。
USB信号線インピーダンスは90Ωが規定値らしいので、まぁ許容値かと。
90Ωに対して約30%もプラスじゃないか！という指摘が出そうですが、
そもそも115.5324Ωという値が合ってるのか？という話もあるので、
あまり深く突き詰めても意味が無いと判断したわけです。

ちなみになぜ計算値に疑念が有るのかという話ですが、大きく２つ。

１つ目は計算式について。
どういう理論に基づくかによって計算式が変わるようなので、
こちらではその点に付いて追いかけられませぬ。

２つ目は与えるパラメーターについて
上記の表を見て頂ければ解るとおり、ツールに対して与えるパラメーターは結構多いです。
しかしほとんどはデフォルト値を使っています。
私の方で入力したのは基板厚、パターン厚、パターン間距離、パターン幅くらい。
これ以外の値を正確に出そうとすると、実物の基板解析が必要になるので現実的に無理。

というわけで、計算値は　あくまで参考値という扱いにしかならないのです。

新価値創造展2022終了。

 デザインオフィス・シィ様のご好意で、今年も新価値創造展へ出展いたしました。
うちのような弱小は単独での展示会出展なんか厳しいもんで、
間借りさせて頂けるのは大変助かるのです。

今回の新価値創造展では「防災」のジャンルが無くなった為、
「測定分析・試験」というジャンルで出展することになりました。
正直、なんで「防災」ジャンルを無くしたのか、非常に疑問なところ。
このジャンルは注目度高かったんですけどね。
防災向け製品を出してた某会社さんも防災ジャンルが無くなってしまった為に、
よくわからんジャンルに振り返られてしまい、閑古鳥鳴いてたそうな。
決して製品が悪かったとは思えないので、展示会主催者側の問題だと感じた次第。

それはさておき、うちも現時点で即売可能な製品は少なくて、
「かんたんスマートモニター」と「V/Aプローブ」くらいなのですが、
ジャンルから外れてはいないものの、完全に噛み合ってるとも言いがたい感じ。
特に「V/Aプローブ」はターゲットユーザーがニッチなもので、
あんま前面に出しても仕方無い感じでして。

そんなわけで今回の主役も「仮設水位発信機」。
今回は機能実証試験機の実物を展示しました。

 

 

 

 

 

 

 

左側奥が機能実証試験機

製品ではないのでデザインも垢抜けない代物なので、
お客さんの目を引かないのが難点。
そもそも仮設水位発信機という製品概念が世の中に無いので、
デカデカのパネルを掲げていても皆さんスルーするわけです。

ところがいざ製品について説明差し上げると、皆さん非常に興味を持って頂けるんですね。
パっと見で判りづらい展示という点はマイナス要素だと思うので、
今後は要改善の必要がありますね。

LT③「アクティブ接触ソルバ」の紹介

 第2回「脳内3D科」にて私が発表したLTの本題がこれです。

 

 

これを実際に動かしてみたのが以下の動画。

マウスで先端部をドラッグし、ぐりぐりと伸縮させてます。 

アクティブ接触ソルバを使用しない状態だと有り得ない状態まで動かせちゃう！

 

 

でもアクティブ接触ソルバを有効にすると・・・・・

 

このように可動範囲内で停まるようなります。

 

アクティブ接触ソルバは必要以上に動かないようにする為の機能？？

そんな疑問に答える為、更に動画を用意してみました。

上の動画は可動部の先端をマウスでドラッグしてましたが、
別にブロック状の物体を用意し、それをマウスでドラッグしてみます。

 

まずはアクティブ接触ソルバを使用していない状態。
このようにブロックが重なってしまいますが・・・・・・

アクティブ接触ソルバをONにすると

 このようにブロックを介して可動部が押されます。
ブロックと可動部間には拘束は存在していません。
なので、ブロックを引き戻しても、可動部が伸びてきません。

アクティブ接触ソルバの有用性のダメ押しとして、以下の動画を。

 歯車っぽいものの噛み合わせです。
四角い箱の中には何も入っていません。
単なる軸受けです。

LT②「曲げ板金の話」

 第2回「脳内3D科」で私が発表した３つ目のLTです。

 

LT①「脳内3D科のメリット」

 第2回脳内3D科で発表したLT１つ目「脳内3D科のメリット」です。

 

 

コテ先の劣化

 ハンダゴテのコテ先は消耗品で、劣化することは皆さんご存知かと思います。

しかし、工場等で毎日沢山のハンダ付けを行ってるとかでなければ、
劣化を実感することは少ないのではないでしょうか？

かく言う私も、鉛ハンダを使用しててコテ先が凹んでいって穴が開いた、
という体験が１回だけ。
この程度では、無いに等しいレベルですね。

鉛ハンダに比べ、無鉛ハンダはコテ先劣化が激しいと聞いておりました。
しかし具体的にどうなるかは謎なままだったのですが、
やっと実感できた事例が発生です。

いつものようにケーブル加工作業を行っていたところ、
リールのハンダが空になったので、新しいハンダを出しました。

以前使っていたハンダはアルミット製の銀入りハンダ。
それに対し新しいハンダは日本スーペリア製の銀を使っていない無鉛ハンダです。

このスーペリア製のハンダはオリジナル組成の合金を使っていて、
メリットが多いことから私も大好きな代物。
合金は同一のまま、含有フラックスが異なる製品が複数存在します。

今回使用するのは「032」という型式のフラックス使用版。
従来標準の「030」に比べハンダの飛散が抑えられるという謳い文句で、
期待して購入したわけです。

いざ使用してみると、コテ先の汚れがハンパ無い！！
ハンダ付けを行えば、フラックス由来の汚れがコテ先に付着します。
汚れが酷くなればハンダの溶けが悪くなりますから、適時スポンジ等で清掃するわけです。

ところが「032」を使い始めると、この清掃頻度がハンパ無いのです。
もう、１回ハンダ付けする毎に清掃しなきゃならないくらい。
これでは作業効率が悪すぎます。

うーーん、このフラックスはダメかなぁ？と思っていたところ、
ふと、コテ先を替えてみるかと思い立ち、予備のコテ先に替えたところ、
以前より清掃頻度が減ったのです。

つまり、古いコテ先は表面が劣化したせいで、
汚れがこびり付き易くなっていた模様。
別に穴が開いたり等、外観上は問題無いのですけどね。

ともあれ、これが鉛フリーハンダのコテ先劣化かと実感できた、というお話でした。