主題
- #組込み
durumis AIが要約した投稿
- 組込み分野を簡単に理解するために、フーリエ変換、アナログおよびデジタル信号、基本的な回路理論などを扱う書籍の内容をまとめました。
- 抵抗、コンデンサ、インダクタ、トランジスタなどの素子の特徴と動作原理を説明し、プルアップ、プルダウン、オープンコレクタなどの概念を紹介します。
- 組込みシステムの設計と理解に必要な基礎知識を習得し、電子回路構成要素の役割と相互作用を把握するのに役立ちます。
AIが翻訳した投稿です。
durumis AIが要約した投稿
私は電子工学科を専攻しましたが、学部時代は各科目を履修する意味や必要性などを考えずに、ただ単位を取ることだけに専念していました。当然、学期が終わって夏休みが過ぎると、頭の中に残っているものはゼロ… ㅜ_ㅜ
この本は、組み込み系について勉強しようと検索していて見つけた本なのですが、軽く目を通してみたところ、非常に構成が良く、難しい組み込み分野をできるだけ分かりやすく説明してくれています。しかし、内容は奥深い印象の本でした。
今回は、少しでも頭の中に知識を詰め込みたいので、ブログで本の内容をまとめてみようと思います!!!
今から始めます!
フーリエ変換とは?
すべての信号はCosまたはSinの和で表すことができる!!→結局、信号を周波数別に分離する。
方形関数で例を挙げると、
方形関数の周波数観点から見るとsinc関数になるのですが、これはつまり、方形関数は連続した無数の正弦波が合わさって構成されており、周波数0付近の正弦波の振幅と周期が長く、遠い正弦波ほど振幅と周期が短いということを意味します。
このように周波数観点から見ると、1つの信号が何個の周波数で構成されているかを確認でき、それぞれの信号の大きさや振幅を分析することができます。
このサイトに入ると、フーリエ変換についてもう少し簡単に理解できます!!!(方形波に変えて見ると良いですよ!)
アナログ信号は、通常ACとDC(交流と直流)成分で構成されていますが、ACは極性が変化する信号であり、DCは安定した状態を意味します。1章では、すべての信号は複数の周波数の信号を足し合わせて作ることができることを学びました。つまりすべてのアナログ信号は、複数の周波数成分を足し合わせて作成することができます。
デジタル信号は、ほとんどDC成分で構成された信号です。つまり、デジタル信号もアナログ信号の一種です。ただし、一定の閾値(threshold)値を設け、その値以上であればHigh、その値以下であればLowと判断します。
デジタル信号は、0→1、1→0と変化する際、バウンスを起こしながら変化しますが、この部分がデジタルシステムで問題を引き起こす可能性があります(電圧が低くなったり、認識エラーが発生したり)。そのため、この部分を考慮して設計する必要があります。
GND=GROUNDは基準となる0Vを意味し、電池の-極を意味する場合もあります。GNDはすべての電流が集まる部分であり、0と1を区別する基準点となります。
抵抗:抵抗は、回路に流れる電流量を制限することができます!抵抗を通過すると、抵抗×電流値分の電圧が低下します。式で表すとV=IR
コンデンサ:コンデンサは、交流成分(AC)は通過させ、直流成分(DC)は通過させない素子です。つまり、交流成分と直流成分の周波数によって抵抗値が異なるということです。dV/dt = I / C つまり、電圧の時間に対する変化率が大きいほどよく通過し、抵抗が小さくなります。C値が大きくなると、電流は多く流れます!!
もう1つの特性として、電流を充電して放電する性質も持っています。
インダクタ:インダクタは、電流が変化しないようにします。V = L dI/dt つまり、低周波の電流のみが通過します。これはつまり、急激な信号の流れを阻止すると言えます。つまり、Lが大きいほど電流は小さくなります!!
まとめると、ある目的の特定の電圧に対して、電流量を決定することができますが、
Rの場合、Rが大きいほど電流をより少なく流すことができ、
Cの場合、Cが小さいほど電流をより少なく流すことができ、
Lの場合、Lが大きいほど電流をより少なく流します。
周波数の側面から見ると、決まったRLC値で
Rは周波数に影響されず、
Cは高い周波数ほど抵抗が小さく、(電流が多く流れます)
Lは高い周波数ほど抵抗が大きくなります。(電流が流れにくくなります)
フィルタ!
ローパスフィルタ(LPF):低周波成分のみを通過させるフィルタで、通常ノイズが高周波成分であるため、LPFがよく使用されます。
コンデンサはDCを通過させないため、開回路となります。つまり、VinDC = DoutDC
コンデンサがACを通過させるときは、短絡して閉回路になります。ここでは、Rの抵抗値によって流れる電流量が変化します。したがって、電流の流れ、つまり発熱を減らすために、Rの成分の大きさを大きくすることもできます。
トランジスタの用途は、電流を思いのままに制御できる素子です!
Bはベース、Eはエミッタ、Cはコレクタと呼ばれ、BによってスイッチがオンになるとE-Cを接続して電流を流し、そうでなければ遮断します。ここで、どのように流れる電流量を決定するかというと、B-E間にどれだけの電圧を強くかけるかによって異なります!!
ベースに印加する電圧量によって、飽和領域、活性領域、遮断領域が生じます。活性領域:C-E間の電流がBの入力によって大きく変化する領域!遮断領域:Bの電圧が低すぎてC-E間の電流が流れない領域!飽和領域:Bの電圧が高すぎてC-E間に電流が流れなくなる領域!
トランジスタの2つの機能はここから生まれます。増幅機能&スイッチング!
スイッチングは、遮断領域と飽和領域を利用して表現し、
増幅機能は、活性領域を利用して表現することができます。
Low ActiveはCS(チップセレクト)_、/などで表記され、電圧がLow状態の時に動作することを意味します。逆に1で動作するものはHigh Activeと言います。
図のように、もしDigital Chipが大きな抵抗であれば、Low Activeでプルアップはスイッチがオンになった時に、0値がDigital Chipに印加されるものであり、プルダウンはスイッチがオフになった時にhigh値がチップに印加されるものです。High Activeではその逆になります!!
プルアップ&プルダウンは、デフォルトレベル値を何にするかによって異なる動作と言えます。実際の世の中のチップは、上の例のようにすると、小さな静電気でもモーターが動作してしまう可能性があります。そのモーターが大砲だと考えると大変なことになります。
プルアップ&プルダウンと同じ役割をするのが、トランジスタです。