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信号伝搬、高速デジタル設計、そして線路終端の規則全てが、 1マイルよりも長いケーブルに本当に当て嵌まるのだろうか？ 現実の応用で学んだレッスンが、実際にそうであることを証明する。
しばらく前、我々の車輪検出製品の１つの現場での問題の解決に関係した。 その製品は列車の車輪があるかどうかを検出するために誘導的な方式を用いていた。 その誘導センサは、検出位置から中央処理室へ ツイスト・ペアの銅のワイヤを通してアナログ信号を駆動する。 この応用での問題は、センサが偽の車輪を検出することであった。
そのシステムは、システムに影響し得るいかなるノイズも おおよそ 50kHz の車輪検出信号の帯域内になければならないほどきつい、 ハードウェアとソフトウェアのフィルタを含んでいた。 電車の推進システムが広帯域の高調波周波数を放射することは良く知られている。 これらの高調波の 50kHz 成分が車輪センサと中央処理システムのあいだのケーブルに 磁気的に結合することはありえただろうか？ 我々は既にシールド・ケーブルを用い、 そのケーブル・シールドを信号の受信側で接地していたので、 最初の反応はこのシナリオはあり得ないというものであった。
落ち着かない数週間の後、ケーブル長が波長の 1/20 を超える時、 ケーブル・シールドの受信側のみではなく両端を接地すべきであると言っている 古い教科書に出会った。 好奇心だけから、その 50kHz の信号の波長の 1/20 を計算したところ、300m となった。 ふむ。 ケーブルは、場合によっては 2000m に達し得た。 高速デジタル設計に対してのみのものだと思っていたこの忠告と式が 1マイル近くの長さのケーブルを用いた遥かに低い周波数のアナログ信号にも 当て嵌まるのだろうか？ 我々は、ケーブル長が 300m を超える施設をケーブル・シールドの両端を接地するように改修し、 その問題を解決した。
(Taken from "Tales From The Cube" by Jeff Fries, GE Transportation, in EDN, September 3, 2009)
新設計が奇妙なタイミング・バグを起こす時、 デバッグをどこから始めるかを決めることは難しいものとなり得る。 そこで、テストベンチにセットアップし、オシロスコープに繋ぎ、 手元照明を点け、動作させる。
その朝、技師がその日の作業のためにボードとオシロスコープを用意した後、 デバッグのプランについての話を始めた。 彼は、問題の原因を突き止めたと思うと言った。 「ラボのベンチで使っている照明のせいだ」、と彼は言った。 「その照明がノイズを出し、ソフトウェアを混乱させている。」 彼が意見を持っているのを知って興味を引かれたが、 それはありそうにないことで、すぐにがっかりとさせられた。
「照明のせいじゃない。 どうして照明がソフトウェアを混乱させられるのか？」 私は、やや軽蔑して言った。 照明を付けてボードを照らしたところ、 LED のパターンは正常から異常へと即座に変わった。 私は唖然とした。 照明とボードのあいだに紙片を置いてボードの電源を入れ直し、 LED が問題なく点滅するのを見た。 紙を取り除くと、LED パターンは再びおかしくなった。
紙にほぼ IC の大きさの穴を開け、 ボード上のそれぞれのコンポーネントに選択的に光を当てて、 すぐに問題を同定することができた： Bluetooth インターフェース IC を照らす光が問題を引き起こした。 チップの標準設定が使えたのでその接続は不要であったものの、 その Bluetooth チップはプログラミングのために SPI バスに接続されていた。 私はその Bluetooth の部分への SPI リード接続を切ることでその問題を解決し、 それ以降はコントローラはうまく動くようになった。
(Taken from "Tales From The Cube" by Edward Sullivan of Fibertek Inc., in EDN, August 6, 2009)
LC 発振器が所望のフェーズ・ロック・ポイントの周囲で でたらめな位相回転を続ける時にはどうすれば良いか？ 技術者はその野獣を飼い慣らすことができる。
かなり昔、 マスター・ユニットからリモート・デバイスへ同期 RF キャリアに従ってデータを送信し、 同時に2オクターブ低い同期 RF キャリアに従ってデータを返す、 実験的な LAN インターフェース・ハードウェアを開発した。 受信したキャリアを、デジタル PLL CDR (クロック・データ・リカバリ) のために TTL レベルに増幅した。
最大の問題の1つは、ループ・フィルタの帯域幅が小さい時に、 マスター・ユニットの受信器 PLL に 戻りのキャリアを全ての箇所にわたってジッタなしに再生させることであった。 私がなにをしようと、ワイヤー・ラッピングされたブレッドボードの LC (インダクタ/コンデンサ) 発振器は狭いループ帯域幅では安定して動作しなかった。 それはフェーズ・ロック・ポイントの周囲ででたらめな位相回転を続けた。
私は、局所送信発振器と戻りのキャリアの双方からの同期したデジタル・ノイズが PLL 発振器を引き込んでいるのではないかと疑った。 私は、PLL 制御電圧を発振器のバラクタから切り離し、 仮定された浮遊ノイズ結合のみを残すことで、この疑いを検証した。 はたして、発振器を動作周波数の近傍に手で同調させた時、 そのデバイスはジッタなしにデジタル・ノイズに強く安定にロックした。
デジタル電磁界から完全にシールドするためにその LC 発振器を金属の箱の中に組み直し、 電源と制御電圧入力をフィルタすることで、驚くほどの改善がもたらされた。 私は PLL 発振器を電源レールと浮遊電磁結合からの デジタル同期ノイズ干渉から保護しなければならないことを学んだ。
1年ほど後、私は2本の光ファイバを用いて リモート・スレーブとマスター・ユニットのあいだでデータをやりとりする ハードウェアを設計していた。 私は、スレーブとマスターの双方の受信機のクロック再生を、 意地の悪い PLL ではなく、素性の良い LC タンクに頼るように設計していた。 一方、同僚は、マスター・ユニットの光リンク・クロック発生器を、 RC (抵抗/コンデンサ) 発振器を含む PLL デジタル IC を用いるように設計していた。
そのマスター・クロック・レートは 16.384MHz であったが、 光リンクはパターン同期オーバーヘッドのために 19.456MHz を必要とし、 その費用見積はより安定な VCXO (電圧制御水晶発振器) の使用を許さなかった。
その光リンクの送信器 PLL はでたらめな位相回転を続けた。 私は、「そんな馬鹿な」と思った。 デジタル・トランジションからのノイズ・トランジェント全ては マスター・オシレータのスイッチング・トランジションのすぐ後で生じ、 従って、理論的にそれ自身のノイズに敏感ではない筈であったが、 実際にそうなっていた。 マスターのリモート・ユニット受信器を止めれば PLL は安定に動き、 問題の原因が確認された： それ自身の浮遊デジタル・ノイズが リモート・ユニットへの長い経路を介して再び戻り、それを悩ませた。 このラウンドトリップ遅延は予測できなかった； ケーブル長 10m 毎が、 戻ってくるノイズのクロック周期に対して 360°のシフトに相当した。 発振器は 19分周されていたため、 位相検出は 19クロック・サイクル毎に1度のみ生じた。 その中間のサイクルでは、発振器はフリーであった。 リモート・ユニットが 1km 離れている場合、 発振器は 10μs、また 200クロック周期分前の相の干渉に追従した。 その PLL は自分の足跡を追いかけていた。
我々は、メインの PCB の上に独立して保持される 切れ目のない下層のグランド・プレーンを持つ小さい PCB (プリント回路板) 上に VCO を組むことで、 その問題を飼い慣らした。 発振器の PCB グランド・プレーンは 上側の回路を下側の邪悪なデジタル回路から遮蔽することを助けた。
(Taken from "Tales From The Cube" by Glen Chenier of Teeter Totter Tree Stuff, EDN, July 23, 2009)
プロファイルがやや少ないが、見劣りのしない仕事をしているのは、 設計コンサルタントの Plextek である。 代表取締役の Colin Smithers によれば、 「UK は設計の文化を持っている。 それはおそらく他の場所よりも強く、 30〜40年にわたって発展してきた強い基礎から流れている。」 Smithers が取り組んでいる問題は、経験である。 「人材を得ることは常に難しく、ますます難しくなっている。 大学を出る時に与えられていなかったスキルが必要であるので、 かつてよりも『自家栽培』をしなければならなくなっている。」 彼は、コンポーネントが変わり、物が小さくなる時、同じ問題が残る； そして、彼の見るところ、リストの最も上にあるのは EMC である、と言った。 「それは通信製品設計において常に人を罠にかけている。 そのデジタルの部分はアナログ側に干渉し、技術者は常にそれに後になって気付く。 私がこの仕事をやっている 25年のあいだ、それは常に真である。」 従って、経験は価値のある財産である。
「火傷したことのない若い技術者は『最も新しく最も素晴らしい』チップを使うが、 設計は予期されたよりも難しく、ツールは正しくなく、 チップを入手できないことから、プロジェクトは遅れるであろう。 それはキッチンを買うようなものである。」と彼は主張した。 「いずれにしろ、始めてで正しくやることはできない！」
(Taken from " `Can do' culture", by Graham Pitcher, New Electronics 28 July 2009, pages 14-15, www.newelectronics .co.uk)
つい先週、電話で母と話している時、 私が生活のために何をしているのかを彼女が本当は理解していないことに気付いた。 彼女は私が自分を EMC 技術者と呼んでいることは知っているが、それは何だろうか？ EMC 技術者は歯医者や高校教師のようなものではない。 EMC 技術者はイエローページに広告を出しておらず、映画やテレビにも出てこない。 私の職業の重要性を母にどのように伝えられるだろうか？ EMC 技術者が直面する刺激的な挑戦をどのように気付かせられるだろうか？ 私は、先週のほとんどを放射エミッションを 20dB 下げるように データ通信ボードの設計を変更するのに費したと言った。 彼女は、「それは良かった」と言った。 (私は、200dB と言い、同じ反応を得ることもできたろう。) 私は、元の設計は入力信号に小さいグリッチを検出した時に動かなくなったが、 変更された設計は数千ボルトのトランジェントに耐えたと言った。 彼女は「ふーん」と言った。 私が必要としたものは、家族に関係するありふれた EMC 問題のいくつかの例である。 結局、EMC は仕様への適合以上のものである。 EMC 技術者は物が実世界で動くようにする。
残念ながら、母が理解できるような日常的な EMC 問題の例を出すことは容易ではない。 彼女はコンピュータを持っておらず、放送塔の近くに住んでもいない。
何日か前、掃除をしている時にテレビに「スノー」を見たことがないかと電話で聞いた。 どうやら中国語らしい他の電話の会話が双方で聞こえたため、会話をするのは難しかった。 彼女は、天気のことを聞いているものと思った。 彼女は、ここ2週間は雪を見ておらず、掃除をしている時にはテレビを見ないと言った。 もう充分だろう。 だが、母が関係するような EMC 問題がどこかにある筈である。
EMC の特集のネットワーク・ニュースがあることを聞いたので、 母に電話をしてそれを見るように言った。 これは私が生活のために何をしているのかを彼女に見せる完璧な機会であるように思われた。 テレビのニュースはどのようなトピックでも刺激的で重要に見せることができる。 私は彼らが EMC についてどのように言うのかを見るのを待ちきれなかった。
私は町を離れていたので、その番組を録画するようにしておいた。 残念ながら、電源のフリッカが VCR の登録をリセットし、私はそれを見逃した。 隣人の新しいコンピュータが彼女のテレビの音量を下げたり上げたりしたため、 母もそれを見逃した。 通常、これが起きる時、彼女はテレビを見るために叔母の Helene の家まで車を走らせる。 だが、おそらくは設置されていたワイヤレス・セキュリティ・システムのために、 彼女の新しい車は動かなかった。 それは違いを生じなかっただろう。 番組が始まるとすぐに、低空飛行の飛行機が自動ガレージ・ドア開閉器をトリガし、 犬が逃げ出せるようにした。 (彼女は、雷が電気柵に落ちてから、 犬をガレージに入れておかなければならなくなっていた。) もう１つの機会も失われた。
私は、一部の人は EMC 問題に決して出会わず、 私が生活のために何をしているのかを母が完全に理解することはないという 事実とともに生きなければならないのだろうかと思った。
勿論、私が刺激的で挑戦的で重要な職業にあることを少なくとも私は良く知っている。 私はそれを母と話すことはできないかも知れないが、支部の会合や討論会には、 EMI、ESD、トランジェント、そして類似のトピックについて話すことを本当に楽しむ 多数の専門的な EMC 技術者がいる。
そして、専門家として、我々はかなり良い仕事をしている筈である。 さもなくば、母のような、消費者向け電子製品の典型的な、日常的な使用者を悩ませる、 遥かに多くの EMC 問題があることだろう。
(EMC Society History - EMC Society Newsletter, Spring 2009, by Daniel D Hoolihan, repeating an article originally provided by Todd Hubing as "Chapter Chatter" in Issue No.164, Winter 1995, www.emcs.org/acstrial/newsletters/spring09/societyhistory.html)
技術的なものは素晴らしいが、 EMC が面白い仕事になり得ることを示す多くの逸話がある。
エアフォースワン (米国大統領の飛行機) での私の最初の経験は、1959年のことであった。 アイゼンハワーが大統領で、ニクソンは会合のためソビエト連邦への途上であった (この会合でニクソンとフルシチョフの有名な 1959年7月の「キッチン討論」が行なわれた)。 機がポーランド上を飛行していた時、 航法システム (三角測量を行なっていた) が何らかの干渉源によって妨害された。
無線局からのどの送信聞くこともできず、 ロシアに向かうために航法上の支援を必要とした。 エアフォースワンがソビエト連邦から戻るとき、 私は Filtron の一部門で働いており、呼び出しを受けた。 Sam Skolnick がニューヨークの Filtron に現れ、 「Sam Burruano を3日借りたい」と言った。 彼らは、どうやら問題が何であるかを見つけるのにそれだけかかると考えたようである。 私の上司は同意し、私は問題を見に行った。 15〜20人程度がその航空機の機体の微視的測定を行なっていたようである。
私は、これを進めている大佐のところに行き、 「やあ、連中を家に帰してくれ。私が問題を解決しよう」と言った。 (それは勇気あることであるので、そうする時には良く祈ること。 だが、私はシチリア人であり、それが違いを生んだ。) 彼は私のアドバイスを受け入れ、他の人達を帰宅させた； そして、私は腰を据えて論理的な質問を始めた。 何がこれを引き起こし得たか？ (それが機上にある筈であることは明らかであった。) それはどのようなものであり得るか？ 広帯域発生源や連続波発生源だろうか... それとも電子システムや電気システムだろうか？ 大佐は、「我々は何をする？」と言った。 私は全ての電気システムをリストすることを提案した。
彼が同意したので、私は全ての電気システムと電子システムのリストを作った。 電子システムを除外するために、それら全てを一度に入れ、 それは航法システムに何もしなかった。 そこで、電気システムをひとつづつ試し始めた。 突然、「ブー」！ やあ、見つけたぞ！ それが何かを調べたところ、蛍光灯であった。 従って、その解決は非常に単純であった。 私は特別なランプをいくつか入手してフィルタを追加し、干渉は消えた。 彼らは、私はヒーローだと考えた。 (私は、ヒーローは本当はイタリアンサンドイッチであることを知っている！) それ以降、エアフォースワンの人々は私を彼らの導師として扱っている。
今度は、別の問題があった。
欧州でのある会合からの帰路、Dean Rusk がエアフォースワンに乗っていた。 彼らはパリの空港に着陸しようとしたが、着陸できなかった。
機上に、UHF 帯の全てを妨害する広帯域の「ノイズ」があった。 彼らは通信できなかった； 彼らは機を着陸させられず、それが自然に「解消」されるまで3時間ほど周囲を飛行した。
彼らが USA に着陸した時、当然それを直すことを望んだ！ 彼らはホワイトハウスから私に電話をかけ、 「ジョンソンとケネディーが 彼らが出席しなければならないことのために空軍基地に行こうとしているのだが、 ここに来て直すことができるだろうか？」と尋ねた。 私は、(濃霧の中を) 午後4時から翌日の正午まで車を走らせ、 ボストンからアンドリュース空軍基地に行った。 私はそこに着き、連絡要員は「さて、何をなさりたいですか？」と言った。 私は、「機器が１セット必要だ」と言った。 私はそれを手に入れ、「高度4000フィートまで連れていってくれ」と言った。 我々は 4000フィートまで上昇し、はたして、 外気温が華氏 −50度となった少し後でシステムは「妨害」された。
そこで、我々は下降したが、空港に着陸できなかった。 機が反応しないあいだにパイロットがしようと考えたことは、 タッチ・アンド・ゴー (機を短時間着陸させ、すぐに再離陸する) を行なうことであった。
残念ながら、この行動は私を飛行機酔いさせた！ いずれにしても、我々は結局は着陸し、問題を探し始めた。
何をすべきかが本当にわからなかったので、全てを分解することから始めた。
我々が知る必要があるのは何かに影響している接地システムであるかも知れないと考えたので、 私はコネクタを分解し、実際に翼を分解した。 (今日のボーイング 707 はひどい接地システムを持つ。) もしそれを想像できるのであれば、 私が「Lower 41」と呼ぶどこかに全てが一点接地されていた。 それはやることのできた最悪のことであった。
我々は問題を解決しようと3日間格闘した。 3日目、最後に、「ここ3年のあいだにこの機に取り付けた新しいものは何か？」 と言った。 「ああ、HF システムのためのアンテナ・カバーに覆いを付けただけだ」 と一人が言った。 そこで、それを調べた。 全ての電源を入れてこのカバーを見に行くと、はたして、 そのカバーの上にオン／オフしているサーモスタットがあった。 これからのトランジェントの広帯域エネルギーは、 UHF 帯を優に超えて拡がっていた。 カバーに新しいサーモスタットを付け、干渉は消えた！
話しておきたいもう１つの逸話がある。
私はレーダー設計者であったが、休職中で、球形レーダーの仕事を丁度終えたところであった。 私は、同期装置、ビデオ装置、インジケータ、表示システム、そして電源の仕事をした。 (私は兵役から戻った25歳の時に多くの仕事をした。) RCA は、X-42 と呼ばれる、非常に小さいが、実際に美しいレーダーを作る装備を、 カリフォルニアに送っていた。
Lemay 将軍は彼の飛行機をライト・パターソン空軍基地に着陸させようとしたが、 レーダーを入れた状態では、それが機上の全てのものを妨害したため、着陸できなかった。 そこで、着陸するためにレーダーを切り、降下した時、「そこを開けろ」と言った。 その後、それを作った工場を停止させた。 私は RCA を休職中で、彼らは「直しに行ってくれ」と言った。 私はその作業のために Navy Development Center へ行ったが、 それはひどいものであった。
レーダーを初期化すると表示を完全に拭い去るほどのノイズを発生する小型 DC モーターがあった； それは大きなホワイト・ノイズの塊のようなものであった。 あなたが想像できるよりも多くの問題があった。 だが、ある時間をかけて、私はそれを直した。
(Taken from "EMC War Stories: A Collection of Tales", by Samuel Burruano, Founder of the IEEE EMC Society, IEEE EMC Society Newsletter, Issue No. 221, Spring 2009, www.emcs.org/acstrial/newsletters/spring09/WarStories.html)
平均すると浮遊静電気放電は電子コンポーネントの 16〜22% を アセンブリに組み込まれる前に破壊する、と ESD Association は言う。 組み立ての後では、ESD があるコンポーネントのみに損傷を与え、 故障までの短い時間のあいだは機能できるようにすることがあるため、 デジタル・デバイスの 33〜70% が顧客が購入したすぐ後に故障する。
これらの損失のコストは年に数十億ドルに達し得る。 そのコストは、損傷を受けた製品の損失を含むだけではなく、 その損傷に関係する修理、再加工、輸送、労働、そして間接的なコストを含む。 IBM、Jabil、Flextronics、Selectron、そして Sanmina-SCI のような企業の技術者は 5V 程に過ぎないものによって破壊され得る電子チップやコンポーネントを開発しており、 そのコストはさらに高くなり得る。
ほとんどの受託生産施設は、静電気放電を 100V 以下にまで管理できる。 だが、既に述べたように、そのレベルは、 50V に対して、あるいは 5V に対してさえ敏感なコンポーネントのためには充分ではない。 これらの施設は、静電気放電の潜在的な機会を除去していることを立証することが ますます必要となるであろう。
(Taken from: "ESD Fundamentals - 10 Common Myths about Static Electricity", by Don Schutz, Conformity, 2009 Annual Guide, page 161, www.conformity.com.)
ESD Association によれば、ESD による損失は売上げの 10% に達する可能性があり、 予測された平均的な悪影響は売上げの 6.5% である。
1997〜2001年の生産データに基づくと、 世界の電子産業界は毎年 8400億ドル以上を失っている。
この損傷の防止のため、産業界は毎年 80億ドル以上を費している。
(Taken from: "How much do your ESD solutions really cost?", by Rodrigo Lima, Ciba Corporation, Conformity, March 2009, Page 36, www.conformity.com)
Electronic Nanosystems (ENAS) のために Continental と Infineon Technologies が行った 共同プロジェクトは、 弱い電界や磁界の位置を１ミリメートルの数百分の１の精度で決定できる測定システムを開発した。
「回路は世代毎により敏感になっている」と、 Paderborn の Fraunhofer ENAS の Thomas Mager は主張した。 「ほんの数年前には、プロセッサを不安定にするためにはまだ数ボルトを要した。 今日、数百万のトランジスタの邪魔をするのに、時には数百ミリボルトで充分である。」 Mager は、電子回路の設計者は電磁両立性をより多く考慮する必要があると論じる。 それはもはや携帯電話や MP3 プレーやのような電子パッケージを外部の影響に対して保護する、 あるいはその電磁エミッションに対して環境を遮蔽するというだけの問題ではなく、 基板上の個々のコンポーネントがどのように振る舞うかについてのものでもある。
近傍界スキャナは、基板の表面に沿って移動するプローブを取り付けられたロボットである。 回路からの電界と磁界のエミッションを異なるプローブが見る。 誘導ループ・プローブは磁界の、小型電気的ダイポールやモノポールは電界の成分を測定する。
そして、ソフトウェアが、測定からの電磁界を再構成する。
(Taken from: "Robot scanner checks chip fields", IET Engineering & Technology magazine, 25 April - 8 May 2009, page 6, www.theiet.org/magazine)
ユニークな対ミサイル・デバイスに焦点を当てた、 [50年前の] ニュースレターの興味深いストーリー。
「Walker R.N.」と題された、ロンドンの Pan Books Ltd. が出版した 第二時世界大戦についての本の中、135ページは、 「ある護衛艦が、搭乗していた科学者が電気剃刀の電源を入れたすぐ後に 『滑空爆弾』を発射した航空機に攻撃されるまで、 『Chase-me-Charlie』に対する防御手段はなかった。 その船と敵航空機が驚いたことに、 その新兵器は曲芸飛行の素晴らしい見世物のように空を旋回し、 最後には自らの『親』を追い始めた。 何らかの不可解な形で、 その『Chase-me-Charlie』の制御システムが剃刀が出した電磁波に影響された。 この手法は海軍本部によって公式に認められたことはないが、 『Chase-me-Charlie』地域を航行する船はそれがフールプルーフであることに気付いた。 リバプールで、あらゆるメーカーの電気剃刀を売る店が急増した。」
(Taken from: "EMC Society Newsletter Review - 50, 25 and 10 Years Ago" in the EMC Society History section, by Daniel D Hoolihan, the IEEE EMC Society Newsletter, Issue 220, Winter 2009, http://www.emcs.org/acstrial/newsletters/winter09/history.pdf)
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2010-08-08