回路設計道場の第1回です。

先ず安心して頂きたいので、私の素性を公開しておきますｗ
私は《九州芸術工科大学の芸術工学部/画像設計課》卒でして、大学では全く電気・電子の授業を受けていませんｗ
頭の中身は、どちらかというと芸術系の脳味噌ですｗ　物理が大嫌いで苦手でしたｗ

2浪入学でして、1年目の正月に貰ったお年玉で買った電子工作キット（1989年当時で、\39,000)を”清水の舞台”から飛び降りる覚悟で購入。
これで、電子工作にどハマりしてしまい、次には自ら設計してみたいと思い独学で学び今に至りますｗ　
無線技術の理解と解釈も、それをベースにした独学ですｗ　なんと無線の解釈も私はオームの法則でやってますｗ　
無線理論をオームの法則で理解しているのは、世界でも私だけでは無いでしょうかね？　でもワリと行けますｗ
なので、全く学問としての理論（マックスウェルの電磁方程式とかｗ）は全く無知ですが、回路設計は出来ます。

趣味の延長で21歳～55歳になるまで、電子回路設計をやっていますし、以前はなんとCTOと称していましたｗ
但し、CTOとはChief Technical Officerの略ではなく、Chief Talking Officerの略でして、名詞にもそう記載してました。
2019年よりCEOに成っていまい、このネタが使えなくてとても残念に思っています。。。
この様に完全独学で回路設計を習得してきましたので、電子回路を習得する難しさは痛いほど理解している側の人間です。

趣味の延長でプロをやっていますから、「何が？・何処が？ 理解し辛いのか」は、よ～～～～く理解している側ですｗ
なので、難しい理論的解釈や難しい数式は私が知りませんので、使いません。というか、使えませんｗ　
が❗設計は出来ます。

こんな怪しいオッサンですが、「何をしたいのか？」を言葉で言って頂ければ、頭の中ではコンカレントに回路図を完璧に描けます。
ここ数年では、コンカレントに基板レイアウトも脳内で描いています。
皆さんも、必ずソコまでは出来る様になりますのでご安心ください。

電子回路を設計する上で、最も重要な事は、ゆるっと大雑把にイメージを直感的に理解する事です。これを実践して行きます。
霧が晴れていく様に、ボヤ~ッとした姿から次第にクリアに設計方法が見えてくるような流れこそが重要です。

厳密な電気理論をかざして、「違う！」とか言う頑固者は完全に排除します❗ｗ
そう言う人が結構居るので、こう言う事をしだすと、面倒クサイんですよね。必ず出てくる覚悟はしていますｗ

旧職の時にもそう言う人居ましたからねｗ
面倒クサイ奴でした。電気理論と難関大の卒業歴をかざすも、ロクに設計出来ない人ｗ　福岡だと九大ですか？ｗ
有名大の電子工学部を卒業し、「全ての電気現象は、マクスウェルの電磁方程式で説明出来る❗」と豪語するので、「じゃあお前さ～、オペアンプのボルテージフォロアの回路をマクスウェルの電磁方程式を使って描いてみてよ！？ハイどうぞ！」と突っ込むと、「そう言うのは違う❗」と逃げましたｗｗｗ
配線1本で完成するんですがね～ｗ

実際に有った話ですよｗ　趣味で電子工作をやってない電子工学の大学卒なんて、現実はこんなもんですｗ
因みに、旧職の電気関連の大企業の同期入社200人位が研修を受けたんですが、芸術系の私よりも電子回路が分かってる同期はゼロでしたｗｗｗ

一応、IT社会とSNS社会では、五月蠅いアホが出てくるのは覚悟の上ですが、完全に排除しますのでよろしくですｗ　
晒しますんでｗ　その覚悟を持って批判してくださいねｗ　マジでやりますんでｗ　笑い者にしますからｗ　覚悟の上で❗
これは定型文としてもっと検討して必ず載せていきます。　ほんと面倒クサイ。。。

では始めましょうｗ
 

電子回路設計を始めるにあたり、まず幾つか大事な設計の基礎について説明しておかないといけません。
【回路設計の基本の基】
①【デジタルとは、アナログの一種】⬅今回はコレ❗
②【直流DCとは、交流ACの一種】
③【設計には、交流ACは不要で、直流DCだけでOK❗】
④【必ず、電圧は固定（一定）❗】
⑤【オームの法則だけ知っとけば充分❗】

そもそも、物理教育で教える必要もない無駄な（要らん）事を教えてる事で、興味や好奇心を失わせているのが問題なんです。
電子回路設計は難しい事じゃないんです。凄く簡単なんですが、物理教育のアノ問題が原因なんですよ。
これは以前、電子回路設計（初級編）で書いてます。
https://blog.braveridge.com/blog/archives/209
こちらの初級編シリーズ（①～⑤）も是非読んで頂くと、より電子回路設計の理解が深まります。
オームの法則を使いこなすだけで、トランジスタの動作やラズパイでの制御でLEDの点灯までが可能です。

本シリーズは、初級編に続くシリーズという理解で良いと思いますが、【実践編】という感じにします。

新感覚の国産電子CAD”Quadcept”を使って、実際に回路を読み込んだり、描いていくので、是非Downloadして下さい。
https://www.quadcept.com/ja/trial/
将来的にはQuadceptの私なりのチュートリアルもやっていこうかと考えています。

【回路設計の基本の基】
①【デジタルとは、アナログの一種】
そもそも、有線インターフェースにおいて、デジタル通信をしているとは言っても、実際は脳内イメージのデジタルとは違っているのです。
電子回路では一見デジタルに見えている波形も現実は、直角に0➡1➡0と変化している訳ではありません。
その様子を見てみますのこんなイメージが現実なのです。

【下図】デジタルのイメージは以下の様なモノですが。。。

【下図】電子回路上で、実際の波形を観測するとこんな感じの赤い線みたいに、波形は鈍(なま)っています。

フーリエ級数が分かる人はイメージし易いですが、無限のN倍の周波数要素を足していかないと、矩形にはなりませんよね。
しかし、現実には回路の線路上や、波形の発生源と受け取り側にコンデンサCの要素があるので、高い周波数要素はGNDに吸い込まれますよね。
すると、現実には、完全な矩形は再現できないという事が分かるかと思います。

フーリエ級数が分からない方向けに説明すると、
0➡1へ変化するのが一見、瞬間的に変わっている様に見えたとしても、時間軸Tをガバ~~~ッと広げてZoomすれば0.001秒位でみると、0からジワーッと1へ向かって傾いた居ると思いませんか？
世の中そういうもんですｗ
1➡0への変化も同様で、ジワッと変わっている筈です。

いや、そんな事は無い！と言う人向けには、0.0000000000000000000000000000000001秒間では？というと納得出来るでしょうw
世の中そんなにスパッと甘くは無いんですｗ

【下図】では、実際に測ってみますと、時間軸の流れの中で、t1, t2, t3のポイントは0なのか？1なのか？って事なんですが、
t1:0.2
t2:0.5
t3:0.8
位に成ってますね。
t1は0では無く、t2は0でも1でも無く、t3は1では無い。
現実の通信では、≠0，≠1ですから全くデジタルでは無いです。

ハードウェアの世界では、現実は杓子定規な《0 or 1》の世界ではありません。
つまり、デジタルではないので、アナログって事に成りますね。

電子回路設計においては、完璧なデジタルはありません。
そう言う意味では、回路設計の世界は《アナログ》なんです。アナログとして考えないとダメだって事です。
しかし、現実にICの処理は《デジタル》ですよね。最新のICでは全て内部はデジタル処理です。

どう言う風になってるのか？を説明しますと、
デジタルなんだが現実はアナログに成ってしまっている波形を受け取る（受信する）際に、受信側がある取り決めをしています。

勿論、送信側と受信側はICになりますが、受信側の規格に〔VIH、VIL〕という取り決め(仕様)を設けています。だいたいな感じですが、
「0.2以下は0だと括ってしまう」=VIL ※Vの入力が0と判定する閾値
「0.8以上は1だと括ってしまう」=VIH ※Vの入力Iが1と判定する閾値
「0.2よりも大きくて、0.8よりも小さい場合は、0でも1でも無い《不定値》とするので、そう言う事がないように気を付けて下さい❗」
　➡これは設計者としては要注意ポイントです。

受け取る入力側で、アナログ値になってしまっている状態を、再びデジタル値として扱えるように変換しているのです。
これは非常に重要な事なので覚えておいて下さい。

以下に、Nordic Semiconductor社製SoC（マイコンとRFを一体化したIC) nRF52840の仕様書の抜粋をします。
この部分の仕様は必ずチェックしないとダメです。
このnRF52840は、VIL≦0.3、VIH≧0.7が閾値のようですね。少し広めで余裕があるという事になりますね。
※電圧値として記載されていますので、0.3x や 0.7xって記載をしてますが、同じ事です。
　これは、後に書く予定ですが、0=Low≦0.3xVdd(ボルト),　1=High≧0.7xVdd(ボルト)という扱いをする為です。
   Vdd:nRF52840の電源電圧のことです。

そして、回路設計者は0でも1でもない《不定値》に成らない様に気を付ける必要があります。
まぁ、そんな事は殆どありませんが、センサーICとマイコンCPU間の配線長を1ｍとかにしてしまうと、こう言うことが現実に発生します。
(参考例)
　シリアル通信UART：15ｍ以上のケーブルを使う場合
　I2C通信：0.5m以上のケーブルを使う場合
※通信距離としては、この位のイメージで捉えて頂ければ概ね大丈夫です。

配線長を長くしすぎた際の波形は以下の様になります。
青線：ギリギリVIL/VIHの判定が可能な状態
赤点線：VIL/VIHの判定が出来ない状態。➡通信不能となります。

後々、書こうと思っているのですが、元々のデジタル波形が0：50％、1:50%ですが、波形が壊れていきます。
このON/OFF=0/1=Low/Higの比が50:50の筈なのに、壊れる問題もあります。

今回、重要なポイントは、
回路設計においては、完全なデジタルというのは無く、アナログ（デジタル波形が鈍った状態）信号になる。
しかし、アナログ信号になってしまっても、受信側がVIH/VILという基準で再びデジタル波形に内部補正する。
この補正機能は、補正出来ない程の《不定値(0.2~0.8)》では機能しないので、注意が必要。

この事を理解してください。

このVIHとVILは、ICの仕様書を読み解く際には必ずチェックが必要です。意識しておきましょう。
※【回路設計道場】では、ICの仕様書の読み取り方も記述して行きますので、チョイチョイ大事な仕様についても書いていきます。

如何ですか？
①【デジタルとは、アナログの一種】
と理解して頂けましたでしょうか。

要するに、デジタルなんてビビる必要はなく、全部アナログの延長なんだと思って頂ければ良いかと思います。
ICがちゃんと上手く出来てますので、不安に思わなくて良いって事です。

また、これは無線通信の世界でも同様なんです。なので、とても重要な理解です。