Chapter 25
測定とデバッグ・部品選定
この章がなぜ必要なのか——測り方を間違えると、存在しないノイズが見えるから.
- 「電源に 500 mV のノイズが乗っている！」→ 測り方の問題だった
- 「オシロで見ると波形が汚いが、実は測定系のせい」
- 「テスターで測ったら 3.3 V なのに動かない」
- 「どのオシロを買えばいいのか」
- 「部品を選ぶとき何を見ればいいのか」
測定器は回路に影響を与える。 それを理解して初めて、 見えたものを信じてよいかどうかが判断できる。
この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. バイアス（01 章 4 節）、ESL（02 章 2 節）、ESR（02 章 2 節）、インダクタ（02 章 7 節）、コンデンサ（02 章 7 節）、フェライトビーズ（02 章 5 節）、温度特性（02 章 3 節）、スイッチ（05 章 2 節）、増幅（05 章 2 節）、BJT（06 章 6 節）、CMRR（06 章 5 節）、MOSFET（06 章 6 節）、飽和（06 章 3 節）、低消費電力（07 章 6 節）、ダイナミックレンジ（08 章 6 節）、CAN（09 章 2 節）、ジッタ（09 章 3 節）、水晶（09 章 2 節）、負荷容量（09 章 2 節）、バンドギャップ（10 章 3 節）、\(I_Q\)（14 章 6 節）、配置（16 章 3 節）、トリガ（17 章 6 節）、後述（18 章 3 節）、ブートモードピン（19 章 7 節）、長い配線（19 章 7 節）、長期（19 章 2 節）、ESD（20 章 7 節）、I2C（20 章 1 節）、SPI（20 章 1 節）、UART（20 章 1 節）、クロック精度（20 章 5 節）、コモンモード（20 章 5 節）、リンギング（20 章 3 節）、差動（20 章 1 節）、絶縁（20 章 5 節）、フォトカプラ（21 章 2 節）、共振（22 章 5 節）、電圧範囲（22 章 9 節）、EMI（23 章 3 節）、テストポイント（23 章 6 節）、ウォッチドッグ（24 章 4 節）
1. プローブ——最大の誤差要因
標準的な 10:1 プローブ
| パラメータ | 典型値 |
|---|---|
| 入力抵抗 | 10 MΩ |
| 入力容量 | 10〜15 pF |
| 帯域 | 100 MHz〜500 MHz |
| 減衰 | 10:1（表示は補正される） |
容量が波形を壊す
プローブの 10 pF が回路に並列に入る。
| 状況 | 影響 |
|---|---|
| 低インピーダンス回路（電源） | ほぼ影響なし |
| 高インピーダンス回路（1 MΩ の分圧など） | \(\tau = 10^6 \times 10^{-11} = 10\) µs。完全に鈍る |
| 水晶発振回路 | 負荷容量が変わって周波数がずれる／発振が止まる（09 章） |
| 高速信号 | 立ち上がりが鈍る |
水晶を直接プローブしてはいけない.
10 pF は、負荷容量 12 pF の設計に対して巨大である。 発振周波数が数百 ppm ずれ、最悪発振が止まる。
正しい測り方:
- MCU のクロック出力ピン（MCO など）から出して測る
- 1 MΩ 程度の抵抗を直列に入れたプローブ、または FET プローブを使う
- 周波数カウンタで、非接触または高インピーダンスで測る
グラウンドリード——最大の悪
このリードがインダクタになり、プローブの容量と共振する。
この周波数で盛大にリンギングする。 回路には存在しないリンギングが、画面に見える。
正しい測り方.
方法 内容 バネ型グラウンド（グラウンドスプリング） プローブ先端に直接付ける。リードが数 mm になる 専用の GND ピンを基板に置く 信号テストポイントの隣に GND ピン プローブのチップを直接基板に当てる 熟練が要る ソルダーインプローブ 最も正確 リンギングを測るなら、グラウンドリードは絶対に使わない。 「基板を触ると波形が変わる」のは、たいていこれ。
グラウンドリードの影響を見る
リード長を変えて、画面に現れるリンギングがどう変わるかを見る。
プローブ補正
10:1 プローブには補正用の可変コンデンサがある。
オシロの校正信号（1 kHz 方形波）で必ず合わせる。 プローブとオシロの組合せごとに変わるので、使う前に毎回確認する。
帯域の影響
（03 章の \(t_r \cdot f_c \approx 0.35\)）
100 MHz のオシロは \(t_r = 3.5\) ns。 真の立ち上がりが 2 ns の信号を測ると:
2 倍に見える。 高速信号を測るなら 信号の 3〜5 倍の帯域が要る。
2. 測定の実際
電源リプルを測る
最も間違えやすい測定である。
| やってはいけないこと | 正しい方法 |
|---|---|
| 10:1 プローブ + 15 cm グラウンドリード | バネ型グラウンド、または同軸で直結 |
| AC 結合せずに DC で見る | AC 結合して縦軸を拡大 |
| 帯域制限なし | 20 MHz 帯域制限を ON（規格の測り方に合わせる） |
| プローブを長い配線の先に付ける | 測りたい IC の電源ピンで測る |
「電源に 500 mV のノイズが乗っている」の 9 割は測定系.
グラウンドリードが拾った磁界と、共振によるリンギングである。
確認方法: プローブの先端を、そのグラウンドリードの根元に当てる （信号を測らず、GND-GND を測る）。 ここで何か見えたら、それは全部測定系のノイズである。
電流を測る
| 方法 | 特徴 |
|---|---|
| 電流プローブ（クランプ） | 非接触。DC 対応は高価。帯域と感度に注意 |
| シャント抵抗 + 差動プローブ | 安価・高帯域。シャントが回路に影響する |
| 電源の電流計 | 平均値のみ。動的な変化は見えない |
| 専用の電流測定器（Otii、Power Profiler など） | µA〜A のダイナミックレンジ。低消費電力機器の必需品 |
低消費電力機器の電流測定は特殊である.
スリープ 2 µA、送信時 15 mA。ダイナミックレンジが 7500 倍。
普通のテスターでは測れない（レンジ切り替え時のバーデン電圧（電流計の内部抵抗による電圧降下）で 電圧が落ち、MCU がリセットする）。
専用測定器を使うか、シャント + 対数アンプが要る。 「電池寿命が計算の 1/10 だった」の原因を見つけるには必須。
差動測定
GND に繋げない 2 点間（シャント抵抗の両端、モータの相間など）を測る。
| 方法 | 注意 |
|---|---|
| 差動プローブ | 正しい方法。コモンモード電圧範囲を確認 |
| 2ch の差（MATH） | CMRR が悪い（両 ch のずれが誤差に）。大まかな確認まで |
| オシロを浮かせる（絶縁トランス） | 危険。絶対にやらない |
「オシロの GND をどこに繋ぐか」は安全の問題である.
オシロの GND は、電源のアース（大地）に繋がっている。
AC 電源の一次側（整流後の DC バス）に GND クリップを付けると、 短絡してプローブが溶ける、または感電する。
一次側を測るときは、必ず高電圧差動プローブを使う。 オシロを絶縁トランスで浮かせるのは、 筐体が高電圧になるので極めて危険である。
ロジックアナライザ
| 用途 | 内容 |
|---|---|
| プロトコルの確認 | I2C / SPI / UART / CAN のデコード |
| 多信号の時間関係 | 8〜32ch を同時に |
| 稀な事象の捕捉 | 長時間記録、トリガ条件 |
オシロとの使い分け:
| 見たいもの | 道具 |
|---|---|
| 波形の品質（リンギング、レベル、\(t_r\)） | オシロ |
| 論理の内容（データ、タイミング関係） | ロジックアナライザ |
| 両方 | MSO（混合信号オシロ） |
安価な USB ロジアナは非常に費用対効果が高い.
数千円のものでも、I2C や SPI のデコードには十分。 「プロトコルが正しいか」と「波形が正しいか」を切り分ける だけで、デバッグ時間が大幅に減る。
スペクトラム測定
| 道具 | 用途 |
|---|---|
| スペクトラムアナライザ | EMI の事前確認、発振の周波数特定 |
| オシロの FFT | 簡易的な確認。ダイナミックレンジが狭い |
| 近傍界プローブ | 基板上のどこから出ているかを探す |
近傍界プローブは自作できる.
同軸ケーブルの先端を輪にして、外皮を一部切る—— これだけで磁界プローブになる。
絶対値は測れないが、「どこが一番強いか」の比較には十分。 EMC 対策の切り分けで極めて有効。
3. デバッグの進め方
切り分けの原則
「どこまでは正しいか」を二分探索する。
電源から順に
| # | 確認 | 方法 |
|---|---|---|
| 1 | 各レールの電圧 | テスターで DC 値 |
| 2 | リプルとスパイク | オシロ（AC 結合、バネ GND） |
| 3 | 投入時の波形 | シングルショットで立ち上がりを見る |
| 4 | 負荷変動時の落ち込み | 最大負荷時にオシロで |
| 5 | クロックが出ているか | MCO 出力、周波数を実測 |
| 6 | リセットが解除されているか | NRST の電圧 |
| 7 | デバッガが繋がるか | SWD/JTAG |
「テスターで 3.3 V なのに動かない」.
テスターは平均値を見ている。
- 実は 1 µs だけ 2.0 V に落ちている（負荷過渡）
- 実は 50 mV のリプルの上に 800 mV のスパイクが乗っている
- 実は 電源投入が遅すぎて POR が正しく効いていない
必ずオシロで見ること。
症状から原因を探す
| 症状 | 疑う順 |
|---|---|
| まったく動かない | 電源 → リセット → クロック → ブートモードピン |
| たまにリセットする | 電源の落ち込み → ウォッチドッグ → スタックオーバーフロー → ESD |
| 温度で動作が変わる | クロック（内蔵 RC）→ タイミングマージン → 部品の温度特性 |
| 個体差がある | タイミングマージン → 部品ばらつき → はんだ不良 |
| 触ると直る／変わる | フローティング入力 → 接触不良 → 測定系の影響 |
| 通信が化ける | 波形品質（リンギング）→ クロック精度 → GND |
| アナログ値が暴れる | 入力インピーダンス → リファレンス → ノイズ源との結合 |
| 時間が経つと壊れる | 熱 → ディレーティング不足 → 電解コンデンサ寿命 |
再現性の確保
再現しない不具合が最も厄介である。
| 手法 | 内容 |
|---|---|
| ストレスをかける | 温度（冷却スプレー／ドライヤ）、電圧を上下、負荷最大 |
| 長時間ログを取る | オシロのセグメントメモリ、ロジアナの長時間記録 |
| トリガ条件を工夫する | パルス幅、ランタイム、シリアルパターン |
| 統計を取る | 何台中何台、何時間に 1 回 |
| GPIO でマーカを出す | ソフトの処理位置を波形として見る |
GPIO マーカは強力である.
割り込みの入口で GPIO を H、出口で L にする。 オシロで見れば 割り込みの頻度・処理時間・ジッタ・ 他の信号との時間関係が一目で分かる。
printf デバッグより遥かに軽く、リアルタイム性を壊さない。
4. 部品選定
選定の順序
| # | 項目 |
|---|---|
| 1 | 機能要求を満たすか（電圧・電流・速度・精度） |
| 2 | 最悪条件で満たすか（温度・電圧・経年・ばらつき） |
| 3 | ディレーティングを満たすか（16 章） |
| 4 | 入手性（後述） |
| 5 | パッケージ（実装可能か、熱は逃げるか） |
| 6 | 価格 |
| 7 | 代替品があるか |
データシートの読み方
| 見るところ | 注意 |
|---|---|
| 絶対最大定格 | これを超えたら壊れる。動作保証値ではない |
| 推奨動作条件 | ここが設計範囲 |
| 電気的特性の条件 | 「\(T_A = 25\) ℃、\(V_{CC}=5\) V」など。条件が違えば無効 |
| min / typ / max | typ で設計してはいけない。min/max がないパラメータは保証されていない |
| グラフ | 温度・電圧・電流依存が分かる。表より情報量が多い |
| アプリケーション情報 | 推奨回路・レイアウト。必ず読む |
| 改訂履歴 | 仕様が変わっていることがある |
「typ しか書いていない」パラメータは保証値ではない.
例: 「\(I_Q\) = 1.2 µA (typ)」で max がない場合、 10 µA の個体が来ても文句は言えない。
電池寿命を計算するなら、max がある品種を選ぶか、 大きめに見積もる。
入手性とライフサイクル
| 確認項目 | 内容 |
|---|---|
| ライフサイクル状態 | Active / NRND（新規設計非推奨）/ EOL / Obsolete |
| 在庫と納期 | 主要ディストリビュータで確認 |
| 最小発注数量（MOQ） | 少量生産では効く |
| セカンドソース | ピン互換の代替品があるか |
| 長期供給プログラム | 産業用・車載用は 10〜15 年保証の品種がある |
設計段階で NRND を選ばない.
「安いから」と選んだ部品が NRND だと、 量産時に手に入らず基板の作り直しになる。
必ずメーカのライフサイクル状態を確認すること。 産業機器なら、長期供給を明言している品種を選ぶ。
品質グレード
| グレード | 温度範囲 | 用途 |
|---|---|---|
| 民生（Commercial） | 0〜70 ℃ | 屋内・家庭用 |
| 工業（Industrial） | −40〜85 ℃ | 産業機器・屋外。組み込みの標準 |
| 拡張（Extended） | −40〜105/125 ℃ | 過酷環境 |
| 車載（AEC-Q100/200） | −40〜125/150 ℃ | 自動車。信頼性試験が別次元 |
| 軍事・宇宙 | −55〜125 ℃ | — |
温度範囲は「動く範囲」であって「精度が保証される範囲」ではない.
データシートの精度は 25 ℃ の値で、 温度範囲全体では別のグラフに従うことが多い。
屋外機器では、−40 ℃ と 85 ℃ の両端で実測すること。
受動部品の選定（再掲・要点）
| 部品 | 見るべきこと | 章 |
|---|---|---|
| MLCC | クラス（C0G/X7R）・DC バイアス減衰・サイズ・クラック対策 | 02 |
| 電解コンデンサ | リプル電流・寿命・ESR | 02・16 |
| インダクタ | \(I_{sat}\)・\(I_{rms}\)・DCR・磁気シールド | 02・15 |
| 抵抗 | 電力・温度係数・許容差・パルス耐量 | 01 |
| フェライトビーズ | インピーダンス曲線・定格電流・DC 抵抗・共振 | 02・24 |
| 水晶 | 負荷容量・ESR・周波数許容差・温度特性 | 09 |
| コネクタ | 定格電流・挿抜回数・接触抵抗・誤挿入防止 | — |
部品選定を確かめる
MLCC の実効容量、インダクタの飽和、抵抗の電力—— 条件を変えて、カタログ値と実際の差を見る。
5. 開発の流れ
| フェーズ | やること | 注意 |
|---|---|---|
| 仕様 | 電源・環境・規格・寿命を決める | 適用規格を最初に確認 |
| 回路設計 | 部品選定、計算、シミュレーション | 最悪条件で計算する |
| 基板設計 | 配置 → 配線 | 配置で 8 割決まる（23 章） |
| 試作 | 実装、動作確認 | 対策部品のパッドを置く（24 章） |
| 評価 | 温度・電圧の両端、長時間、負荷変動 | 測り方に注意（本章） |
| EMC 事前試験 | 近傍界・簡易測定 | 正規試験の前に潰す |
| 量産 | 検査、歩留まり、部品変更管理 | 部品の変更は再評価が要る |
「試作で動いた」は「量産できる」ではない.
試作で見落とすもの 内容 部品のばらつき 1 台では出ない。最悪組合せは 1000 台に 1 台 温度 常温でしか試していない 経年 電解コンデンサ、フォトカプラの CTR、Flash の摩耗 EMC 試験して初めて分かる 実装ばらつき はんだ量、部品の向き、洗浄残り 最悪条件の見積もりと、両端での実測が、 「たまに動かない製品」を防ぐ唯一の方法である。
6. シリーズの終わりに
このシリーズで扱ったことを、1 つの流れとして振り返る。
| 部 | 何を得たか |
|---|---|
| I. 電気と素子 | 理想の素子は存在しない。 ESR・ESL・DC バイアス・寄生容量が実際を支配する |
| II. トランジスタ | すべての IC はこの 2 種類でできている。 スイッチとしての MOSFET、増幅としての BJT |
| III. アナログ IC | 負帰還が精度を作り、位相余裕が安定を決める。 バンドギャップが基準を作る |
| IV. デジタル IC | CMOS は容量を充放電しているだけ。 タイミングと消費電力はそこから出る |
| V. 電源 IC | 捨てるか（LDO）、運ぶか（DC-DC）。 どちらもインピーダンスの設計 |
| VI. データ変換 | アナログとデジタルの境界。 入力インピーダンスと基準電圧がすべて |
| VII. インタフェース | 信号は電気である。 差動・終端・絶縁で距離とノイズを克服する |
| VIII. 実装 | 配線は伝送線路、リターン電流が主役。 ループ面積が EMC を決める |
全体を貫く 5 つの考え方
| # | 考え方 |
|---|---|
| 1 | 理想と現実を分ける。 教科書の式に、寄生成分を足して初めて実際になる |
| 2 | 電流はループで考える。 行きだけでなく、帰り道を必ず追う |
| 3 | 最悪条件で設計する。 typ で動くのは当たり前。min/max で成立させる |
| 4 | 桁の感覚を持つ。 「だいたい何 mV、何 ns、何 Ω」が言えれば、間違いに気づける |
| 5 | 測って確かめる。 ただし、測定器も回路の一部であることを忘れない |
回路は、書いた通りではなく、作った通りに動く。
しかしその「作った通り」は、この 25 章で扱った物理法則に従っている。 だから、原因のない不具合は存在しない。
必ず説明がつく。
まとめ
| ポイント | 内容 |
|---|---|
| プローブ容量 | 10〜15 pF。高インピーダンス回路と水晶を壊す |
| グラウンドリード | 15 cm ≈ 150 nH。存在しないリンギングが見える |
| 正しい測り方 | バネ型グラウンド。GND-GND を測って測定系のノイズを確認 |
| プローブ補正 | 使う前に毎回、1 kHz 方形波で合わせる |
| 帯域 | \(t_r = 0.35/BW\)。信号の 3〜5 倍の帯域が要る |
| 電源リプル | AC 結合 + 20 MHz 帯域制限 + バネ GND + IC の電源ピンで |
| 低消費電力の電流 | ダイナミックレンジが 4 桁。専用測定器が要る |
| 差動測定 | オシロの GND は大地に繋がっている。一次側は高電圧差動プローブ |
| ロジアナ | プロトコルと波形品質を切り分ける。安価でも効果は大きい |
| 近傍界プローブ | どこから出ているかを探す。自作可能 |
| デバッグ | 電源 → クロック → リセット → 起動 → 周辺の順に二分探索 |
| GPIO マーカ | 割り込みの頻度・処理時間・ジッタが波形で見える |
| データシート | 絶対最大定格 ≠ 動作範囲。typ で設計しない。条件を確認 |
| 入手性 | NRND を選ばない。長期供給品種とセカンドソース |
| 品質グレード | 組み込みの標準は 工業品（−40〜85 ℃） |
| 試作と量産 | ばらつき・温度・経年・EMC・実装ばらつきは試作では見えない |
| 5 つの考え方 | 理想と現実／ループで考える／最悪条件／桁の感覚／測って確かめる |
ここまで 25 章、素子 1 個から基板 1 枚までを通した。
もう、回路図を渡されて途方に暮れることはない。 記号が読め、部品が選べ、波形が測れ、 そして「なぜか動かない」に必ず物理的な説明を与えられる。