プロフェッショナルなホームラボに必須のテスト・測定機器

2020年以降、在宅勤務が長期的な現実となる人も多いでしょう。目標を達成するために適切なツールが必要です。

2021年の現実の1つは、多くのエンジニアが依然として自宅に縛られており、職場にあるすべてのクールなガジェットやギズモが埃をかぶっていることです。この新しい世界でどう生産性を維持するか？ 自宅でどれだけ仕事ができるか？ それはあなたのプロジェクト次第です。目標を達成するために適切なツールが必要です。

テスト・測定機器を自宅に持ち込むロジスティクス

マカロニ彫刻を作らせた多くの幼稚園教諭が「クズで作れるクズには限界がある」と言うでしょう。これはツールとテスト機器にも当てはまります。職場に行けないなら、あなたか雇用主がポケットマネーを切って仕事を自宅に持ち込む必要があります。

雇用主が機器購入の手当を出してくれるなら、それを保持して税金で減価償却できるはずです。しかし機器がどのように自宅に入ろうと、保険オプションを調べるべきです。自宅保険は、職場から持ち帰った50,000ドルのオシロスコープを喜んで補償してくれるとは限りません。

電気工学のテスト機器については、「一度買えば、一度泣く」哲学を推奨します。10年以上持つ品質の高いツールにお金を払いましょう。あるいは、あなたの会社の開発サイクルがそれほど厳しくないなら、多くのテスト機器レンタル会社を利用して、必要な機器を必要な期間だけ借りるのも手です。

オシロスコープ

私はAdvanced Assemblyで働いており、上司と私はそれぞれ自宅ワークショップにTektronix MDO3104を持っています。これらの多機能デバイスはオシロスコープ、スペクトラムアナライザ、ファンクションジェネレータ、マルチメータ、その他まだ把握しきれていないいくつかの機能を果たします。最近まで、このデバイスは私の車より相当高価でした。それも私が新車を買ったからです。

その結果、私はおそらくあるべきより慎重に扱っています。家に新しい子供ができたため、耐火金庫に閉じ込められたまま人生の大半を過ごしており、私にはほとんど役立ちません。

どの帯域幅が必要か？

あなたのスコープとプローブは、存在するすべての信号を測定するのに十分な帯域幅を持っていないかもしれません。例えば、1 GS/sのMDO3104のようなオシロスコープでも、GaNスイッチング素子から出てくる40 psの立ち上がり時間を実際には捉えられません。

 

 

このGaNスイッチのキャプチャは立ち上がり時間40 psと謳われていますが、スコープは280 psに近いと表示します。本当でしょうか？ 帯域幅を下げて信号がどう見えるか確認しましょう。250 MHz帯域幅では完全に異なる信号に見え、スコープの立ち上がり時間は750 psです。

 

 

ここで私は実際に何を測定しているのでしょうか？ ある程度の確実性を持って言える唯一のことは、これは高速信号だということです。スコープとプローブの能力を超えており、上司は私に新しいおもちゃを買う必要があります。

非常に大まかな経験則として、最速コンポーネントの立ち上がり時間を0.6で割って必要帯域幅を求めます（調和波についての議論ステップをスキップし、わずかな安全マージンを含めました）。

例：

 

$$\text{Scope BW} = \frac{0.6}{40\;\text{ps}} = 15\;\text{GHz}$$

 

なぜこのデバイスを私の聖域のように扱ってきたのかわかりません。私の最速パルスさえ追跡できず、ツールは使われるためにあるのです。しかし、慎重な測定、プロトコル解析、スペクトラム解析が必要なときには使用し、その目的によく役立ちます。

1年前、それは私の作業台の上に関節式VESAマウントで取り付けられていました。子供が机の端から落ちたテストリードを引っ張る心配がなくなれば、またそこに戻るでしょう。

 

MDO3104オシロスコープ。Tektronix提供の画像

 

シンプルで低コストなオシロスコープでも仕事はこなせる

幸い、私が犯す基板設計ミスやハンダ付けミスのほとんどは愚かなものです。手作業実装時のハンダブリッジ、あるいはICのフットプリントが間違っているなど。I2Cラインの容量を誤算したことはまだなく、UART Txドライバを別のICのUART Txドライバに接続して基板を台無しにしたなんて言う人は damned liar です！

なので、私のデバッグニーズの60%は最もシンプルなオシロスコープで満たせます。基板立ち上げでは、ロジックローかハイか、おおよその電圧、データラインに実際にデータがあるかを知るだけで十分です。それらの目的には、最も安価なオシロスコープで通常事足ります。トラブルシューティングが「パケットをデコードしよう」レベルにエスカレートしたら、本格的なツールを出します。

ポケットオシロスコープの小型さと有用性を評価するようになりました。2チャネル版は約100ドル、4チャネル版は約200ドルで入手できます。

 

 

DSO213 4チャネル手持ちミニデジタルオシロスコープ。SainSmart提供の画像

 

これらのデバイスは小型、携帯可能、そしてできることが非常に限られています。フル機能オシロスコープを補完するものであり、置き換えるものではありません。これらはロジックアナライザではなく、プロトコル解析機能もありません。

しかし、価格のおかげで、デスクトップやガレージに置いてCNCマシンのトラブルシューティングに持ち出すことに躊躇がありません。最近の仕事は、防犯カメラのBNCポート出力がデジタルかアナログかを判断することでした。それが3G-SDIかもしれないという気づきを得ました。

 

ポケットT&M機器への注意点

ポケットオシロスコープに夢中になると、インターネット上のすべてのポケットサイズテスト機器を見つけてカートに入れたくなるでしょう。でも、やりすぎないようお勧めします。

これらのデバイスは使いにくく、大量に海賊版が出回っています。また、慣れが必要な不器用なユーザーインターフェースを持ち、動作周波数範囲が限られています。そしてそれほど慎重にキャリブレーションされているとも思えません。

 

ベクトルネットワークアナライザ

ポケットサイズのベクトルネットワークアナライザが利用可能です。つまり、信号の振幅と位相を取得できます。周波数範囲は通常10 kHzから始まり、1–1.5 GHz程度でピークに達します。

アマチュア無線アンテナプロジェクト用に1台持っていますが、仕事関連のタスクで定期的に使用しているわけではありません。Sパラメータ取得の効果や精度がどの程度かはわかりませんが、きっとがっかりする答えだろうと思います。本番環境での経験がある方はコメントで教えてください。

 

SeeSiiベクトルネットワークアナライザ（10 kHz–1.5 GHz）。SeeSiiとAmazon提供の画像

 

代わりにDG8SAQ VNWA 3SE完全自動2ポートベクトルネットワークアナライザを検討することもできます。これはコンピュータに直接接続し、タイムドメイン解析、ケーブル故障検出、ネットワークマッチングに使用できます。高い安定性と高いダイナミックレンジも備えています。動作周波数は1 kHzから1.3 GHzで、いくつかのISMバンドをカバーします。

 

SDR KitsのDG8SAQ VNWA 3、低コスト1.3 GHz VNA。SDR Kits提供の画像

 

このS11プロットは定在波比（赤）、損失dB（青）、インピーダンス（緑）を示す。この特定のアンテナは453 MHzで調整されているが、445–455 MHzの範囲で十分に機能するはずだ。

 

残念ながら、最大周波数3 GHzに移行するには本格的なキットが必要で、車を売って購入する必要があります。53 GHzに移行するには腎臓か第一子を売る必要があります。個人的には子供を推奨します。腎臓はもう1つ作れないからです。

 

マルチメータ

選ぶマルチメータは、あなたが行う仕事の種類に大きく依存します。精度レベル、機能数、データロギングなど、多くの機能がオプションとして利用可能です。しかし、マルチメータが単に抵抗/容量/電圧を意味しなくなったことも知っておくべきです。

赤外線カメラを内蔵したマルチメータが存在します！ FLIRとFlukeの両方からモデルが出ています。

 

FLIRの産業用イメージングマルチメータ、DM285。FLIR提供の画像

 

IRカメラの解像度はスタンドアロンIRカメラほど良くないかもしれませんし、マルチメータの仕様がマイクロエレクトロニクス作業に直接適さないかもしれません。しかし、商用電圧レベルのデバイスを扱うなら、これをツールキットに加える説得力のある議論ができます。

電子回路検査にIRカメラを使用するつもりなら、より高解像度の別モデルを選ぶべきです。検査したいコンポーネントの最小幅が3ピクセル幅であるのが良い経験則です。

あるいは、より高精度なベンチトップマルチメータを選ぶこともできます。

 

SDM3045X 4 1/2桁デュアルディスプレイデジタルマルチメータ。Siglent Technologies提供の画像

 

これらのデバイスは注意深く使えば非常に長持ちすることを覚えておいてください。私は20年以上前にRadioShackで購入した同じポータブルとベンチトップマルチメータを今でも持っていますが、新品のときと同じようにうまく動作します。つまり電池電圧チェックや基本的なトラブルシューティングができます。

非常に長く保持するつもりで何か投資することを検討してください。

 

長持ちするT&M機器への投資

トラブルシューティングや新設計の立ち上げをするなら、テスト機器が必要です。安くありませんし、誰かが支払わなければなりません。なので、あなたの新しい仕事は上司にこれらすべてのツールが仕事に必要だと納得させることです。それは難しいかもしれませんが、簡単な解決策があります：私がOKと言ったと上司に伝えるだけです。