Chapter 04

デジタル信号の観測 — ロジックアナライザとオシロで線を読む

この章のゴール.

ロジックアナライザとオシロスコープの役割分担を理解し、 サンプリングレート・トリガ・プロトコルデコードの基本を押さえて、 GPIO・バス・タイミングを「見える化」できるようになること。

この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. アナログ（01 章 2 節）、オラクル（01 章 8 節）、記録（01 章 4 節）、判定（02 章 1 節）、電源（02 章 2 節）

1. 2 つの目 — ロジックアナライザとオシロ

まずロジックアナライザ。デジタルのやり取りの 9 割はこれで見える。波形が乱れて誤動作する、アナログが絡む、というときにオシロを足す。

2. サンプリングレートとナイキスト

ロジックアナライザは、信号を一定周期でサンプリングして 0/1 に記録する。 正しく捉えるには、観測したい信号の最高周波数の最低 4〜10 倍でサンプリングする（理論下限のナイキスト = 2 倍では波形の形が分からない）。

• 100 kHz の I²C → 最低 1 MS/s、余裕をみて 4 MS/s 以上
• 8 MHz の SPI → 40〜100 MS/s
• 短いパルス（グリッチ、割り込み）を捉えたいなら、そのパルス幅の逆数のさらに数倍

サンプリングが足りないと、エッジがずれる・パルスが消える・デコードが失敗する。「デコードできない」ときはまずレートを疑う。

3. トリガ — 見たい瞬間だけ捕まえる

ずっと記録し続けるとメモリが足りず、目的の 1 回を探せない。トリガ（trigger）で「この条件が起きた瞬間」を中心に記録する。

「たまに起きる不具合」は、その症状（エラーピン、異常な値）でトリガを張って待つのが定石。捕まえたら前後（プリ/ポストトリガ）を見る。

4. プロトコルデコード — 波形を意味に変える

生の 0/1 の羅列は読めない。プロトコルデコーダが、波形を「I²C: アドレス 0x68 に書き込み、データ 0x3C」のように意味のある表に変換する。

• sigrok/PulseView は 100 種類以上のデコーダを持つ（I²C、SPI、UART、CAN、1-Wire、各種チップ専用…）
• Saleae も同様。デコーダをスタックできる（I²C の上に「この I²C はこのセンサのレジスタアクセス」という高位デコーダを重ねる）
• デコード結果をエクスポート（CSV/JSON）して、判定スクリプトに渡せる（19 章）

自分でデコーダを書く.

独自プロトコル・独自チップは既存デコーダがない。sigrok のデコーダは Python で書け、 「エッジの列 → 状態機械 → 注釈」という素直な構造をしている（19 章）。 AI 生成ファームの独自通信フォーマットを検証するとき、専用デコーダを 1 つ書くと以後のテストが桁違いに楽になる。

5. 何をオラクルにするか

デジタル観測から作れる判定の例。

• タイミング関係: 「割り込みピンが立ってから応答まで t 以内」「クロックとデータの位相」（14 章）
• プロトコルの正しさ: アドレス・レジスタ・データが仕様どおりか。ACK が返っているか、リトライしていないか
• GPIO の状態機械: 「電源シーケンスが規定の順で立ち上がる」「LED の点滅パターンがエラーコードと一致」
• 有無: 期待した通信が「起きている/起きていない」。AI コードが「実は一度も送っていない」を暴く

6. プローブの当て方

• 共通グラウンド必須（02 章）。多チャンネル LA でも GND は 1 本しっかり
• テストポイント・ピンヘッダがあればそこへ。なければ IC のピン・部品の端子に。細かいピッチはマイクログラバやフライングリード
• プローブの容量が高速信号を鈍らせる。SPI が高速でデコードが不安定なら、プローブの負荷とグラウンドの取り回しを見直す
• 信号を借りるだけ（ハイインピーダンス観測）が原則。能動的に駆動する（06 章の能動テスト）ときは競合に注意

7. 手を動かす

サンプリングとデコードを体験する

この章のポイント

• ロジックアナライザがデジタルの主力、オシロは波形の質とアナログ。まず LA
• サンプリングは信号最高周波数の4〜10 倍。足りないとエッジずれ・パルス消失・デコード失敗
• トリガで見たい瞬間を捕まえる。症状でトリガを張って「たまに」を捕獲
• プロトコルデコーダが波形を意味に変える。独自プロトコルはデコーダを自作すると強い
• オラクル: タイミング関係・プロトコルの正しさ・状態機械・通信の有無