機器性能評価の基本の基本

今回の記事も分かってない人が多くて困った事多々ありだったので書きました。

 

電子機器のカタログに書いてある性能は基本的に何らかの測定器で性能評価した成績を元に書かれます。

それ自体は良いんですが注意する必要があるのは、じゃあ使った測定器の性能は大丈夫なの?って事を常に意識していて欲しいです。

 

大原則はこの関係が成立している事

評価したい対象の性能<評価に使う測定器の性能

 

具体的な例を出すと

3千円くらいで売っているテスタなら

大体1.5Vの電池電圧を10mVの桁まで表示してくれます。

ただ、本当に表示されている値が正しいのか?って事を証明するには

余裕を見ると同じ電池の電圧を計ったときに

1mV以下の桁を正しく表示してくれる測定器で確認した証拠が欲しいところです。

 

で、ここからが困りもので

その手の高精度測定器というのは基本的に低精度測定器よりも環境変化に弱いです。

高性能出すために限定条件をつけているとも言います。

HUNTER×HUNTERに出てくる念能力の制約と誓約みたいなもんです。

 

例えば私のプライベートで持ってる秋葉原で買ってきた3千円ポケットテスターですが、

メーカーのHPの製品カタログに書いてあった仕様にはこうありました。

動作温度:湿度: 0℃~40℃、湿度80% RH以下 (結露のないこと)

 

屋内で人間が留守にする間(空調止まっている)の温度変化をカバーするぐらいの動作温度ですね。

で、同じメーカーで、この手のテスターの出荷検査に使う測定器(標準校正器)があったので

こちらのマニュアルを見てみるとこう書いてあります。

使用環境: 5℃~40℃ 70%RH以下(結露のないこと)
確度保証環境: 23℃±3℃ 70%RH以下(結露のないこと)
予熱時間 :スイッチ投入後、約 1 時間以上

 

使用環境自体は大差ないですがポイントは次の行の確度保証環境。

23℃±3℃って書いてあります。仕様に書いてある性能を発揮する保証ついているのはこの範囲って限定しています。

「そこから外れた温度で使う場合、表示は出るけど正しいかどうかの保証は無いです。お客様の自己責任です。」

という訳です。

しかも、予熱時間が規定されていて使いたいときにすぐ使える訳ではありません。

少なくとも空調がガッチリ効いた部屋に置かれて会社の就業時間中は電源ONしっぱなしが前提の測定器です。

空調効かない部屋に出す使い方自体が間違えています。

 

以上のような前提をちゃんとわきまえて測定器を使う・製品評価をして欲しいなぁ、とたまに無茶な事を言ってくるお客様相手に内心思っています。

特注とかで変なオプションつけるのであれば尚更に。

 

松岡修三みたいな思い込みとか精神論が入った主張を電子機器の公的な評価をする場に持ち出さないでいただきたい。

・精神論で電子機器の性能は変わりません。

・測定結果ぶれるようであれば、大抵の場合、作業者の操作に無理があります。

・正しく計測可能な数字に基づいた話をお願いいたします。

 

事前準備をきっちりした上で現場ではスタートボタンを押しただけで

きっちりした数字が出てくる測定系を組めるのが理想型です。

人間が操作する余地は最小限にしておきたいものです。何回も同じ測定するなら尚更。

 

 

 

 

 

 

 

 

センサの基本の基本

よく「高精度のセンサが~」なんて技術系の新製品のニュースに載ったりしますが”高精度”を達成するためには色々あるんだよって電気屋さんのお話。

直接的なEMCノイズの話は今回の対象ではありません。

高精度≒高SN比

高精度と一口に言うと色々ありますが、基本的に「細かい物が見つけられる」、「僅かな変化を区別できる事」を意味します。

それを実現するための必要条件は何か?というと二つあります。

1.Signal(目当ての信号)が大きいこと

暗闇の中でごま粒を探せと言われても無理です。

虫眼鏡で大きく見えるようにするなり、目標物を野球ボールサイズに変更して貰うなり目当てのものにある程度の大きさが必要です。

 

2.Noise(目的以外の余計なもの。雑音)が小さいこと

まわりがうるさい雑音だらけの中で聞き漏らし無く話を聞くのは無理です。

静かな場所に移るか、余計な雑音を無視するテクニックが必要です。

 

1と2が両方バランス良く達成されて初めて高精度が実現されます。

そのため、電気回路に限らず物事を評価する上で、どの程度うまく目当ての物が見つけられて居るかを判断するのに

Signal Noise RationいわるゆSN比という信号の大きさとノイズの小ささの比が物差しとして使われます。

 

赤玉の温度計とかはともかく、今時の高精度と称されるセンサは基本的に電気回路に接続され、センサから電気(電圧・電流)を供給されて動きます。

図にするとこんな流れです。

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センサの定義ですが、ここでは測定対象の何らかの物理的なもの(温度・光量・力等)を電気信号に変換するものとしています。

最終的に人間が温度を知ったり、AIやロボットと言った機械が判断するための情報としての体裁を整えるシステムを考えています。

高Signalを得る基本戦略

結論を先に言うと必要十分なエネルギー(≒電力orコストor時間)をぶち込め

 

 

①のセンサでは測定対象にできるだけ大きく・できるだけ密着させること、センサに悪影響の無い範囲で駆動の電力を大きくするとSignalが大きくなります。ちなみにセンサの大きさor数はたいていの場合、材料費という形でお値段に跳ね返ってきます。

図にある時間は測定時間を長くすることで時間軸方向に積分したSignalを大きくする事を意味します。

日光写真の日に当てる時間と鮮明さの関係を想像するのが一番身近でしょう。

悪影響の無い範囲というのはセンサによって千差万別ですがセンサが燃えて壊れたり、氷の温度を測りたいのに氷を溶かすような熱々の条件でセンサを動かしてはだめというお話です。

②のアナログ回路はデジタル回路で処理するには小さすぎる信号を大きくするための物です。少なくとも数個の素子を組み合わせる事になりますが、信号増幅可能な倍率は基本的に素子のお値段と動かすのに必要な電力にある程度比例します。

③のアナデジ変換はコンピュータで扱えるよう変換する物です。②で適切に増幅されたと仮定した信号をどれだけ細かく(1か0の二通りか99から0までの百通りかの様に)分解できるかは素子のお値段と動かすのに必要な電力と時間にある程度比例します。

信号処理で高Signalを得る基本戦略は③の信号を時間軸方向に積分していくことになります。

低Noiseを得る基本戦略

結論を先に言うと必要十分なエネルギー(≒電力orコストor時間)をぶち込め

 

 ①のセンサで余計な雑音に晒されないように遮蔽するor周りから離すことです。左側の明るさや温度を測りたいのであれば、右側からの明るさや温度は仕切りを設けて遮断しましょう。基本的に仕切りは大きく頑丈で、周りから遠くに隔離できる方が望ましいですがお値段に跳ね返ります。

②のアナログ回路の基本戦略は3つ。センサとの距離を最短距離にする事、素子の性能で十分低ノイズな物を用意すること、②の出力は必要最低限の速度に落とすこと。センサの出力線はもっともノイズを拾いやすい箇所なので極力短い方が好ましいです。ただ、前者二つの戦略をとるのはお値段と電力がかかる傾向にあります。最短距離にするとお値段がかかるというのはセンサの近くというのは、測定対象のせいで大抵熱かったり寒かったり振動してたりするので素子にも特殊(≒高い)な物を要求されがちだからです。特殊環境で動くためのマージンとして電力も同様です。ノイズは基本的に回路が動く速度に比例して増えます。なので増幅後、欲しい信号の変化よりも速い成分はバッサリカットしましょう。

③のアナデジ変換で低ノイズにするのは②の出力に極力近接させることです。①ー②間ほどでは無いですがノイズが入りうる経路は極力短くしましょう。最近だとアナログフロントエンド(通称:AFE)と呼ばれる②と③が一体化したICが売られています。主要な種類のセンサに最適化された物が色々と出ています。

④の信号処理の低ノイズ化基本戦略は時間をかけて平均を取ること、Signalはある程度一定ですがノイズ成分はランダムであることが多いので平均を取ると大体消えます。単純な平均処理であれば低コストでも可能ですが、信号の特徴を使って統計など駆使して余計な雑音をさらに除去しようとすると処理の複雑さに比例して時間と電力か高性能高コスト高電力なコンピュータが必要になっていきます。

まとめ

何をするにも、センサにはある程度のエネルギー(≒電力orコストor時間)が必要です。

とりあえず計れればどうででも良い用途ならともかく

安く、早く、小さく、高性能、低消費電力の全て最高レベルで達成するのは無理です。

 

量産を考えると作りやすさ(人の手間がかからない、変な機械加工や調整が少ない)も必要です。 

 

適切に取捨選択した目標値を設定した上で、新技術なり新手法なりの技術者の工夫が盛り込まれて初めて高精度なセンサが世に出ます。

技術者は工夫をひねり出すために七転八倒するのです。

逆に趣味なり研究段階で「無茶と知りつつこれが計りたい!」みたいな場合、早期実現の近道は金に糸目をつけず、大きな既存の高性能品を組み合わせる事です。日本のノーベル物理学賞を受賞した研究から例を出すとスーパーカミオカンデが該当します。隣の芝生は青く見える理論的には、そこまで良い物でも無いのでしょうが。

 

後、雑談ですがコンピュータは基本的に低電圧・大電流にしつつ短時間の処理にすることで時間軸に積分したときの電力を節約する方向に進化しています。

高電圧・低速応答のセンサとは相性の悪い方向に進んでいるのでご注意を。

 

会社の後輩と話をすると今回の話のような認識が頭から抜けている事が多いことに気づいたので愚痴っぽいですが書きました。

 

 

 

 

シンガポール出張の備忘録

もはや年1更新に近い有様である。ほぼ誰も見ていないので備忘録と開き直ろう。

シンガポール出張に行ってきたので次回行くならあった方が良いものやった方が良いことなどを列挙する。

両替について

2017年秋のレートはざっくり80SGD/円

チャンギ国際空港に降り立ったら、空港内の両替所で滞在期間中に必要な金額を一括両替するのが楽。

ホテルでの両替はレートが悪すぎるので避ける。

観光ガイドに従い市内の両替所に行ってみたが、日々の為替変動に埋もれるぐらいしか差が無かったので

少額を一々レートの良いと評判の両替所に足を運ぶのは手間ばかりかかり不毛。

市内の両替所では1000円を入れたとき、いくらになるという

円:12.5 SGD

みたいな表記をよく見かけた。 

 

クレジットカードでキャッシングできるATM(DBSとかUOB)が市内のあちこちにあるので、両替のために遠出せずに、ホテルよりも良いレートで両替引き出しできる点を評価したい。

当然ながら日本に居る内にクレジットカードのキャッシング枠を使えるよう手続きしておくこと。今回、キャッシングしないと思って(実際日本だとやらない)キャッシング枠0に遙か昔設定したことを忘却していた。現地でキャッシングできなくて焦るパターンにはまった。

 

SIMカード

ネット接続できる端末が無いと死んじゃう病の人は空港の両替所で購入できるSIMを使うのが楽。

今回はSingtelの旅行者向け30$で10日間使えるプリペイドSIM

hi! Tourist SIM Cardsを購入。

シンガポール)国内通話無料、期間限定で通信容量10GBまで

 

シンガポール国内通話のための電話番号は8から始まる番号がSIMカードのパッケージに書いてある。

同梱の取説を見てAPNだけ設定すれば普通に使えた。MRTの地下区間でも使える。

(手持ちスマホの対応BANDだけ事前確認しておくこと)

 

ホテルのWiFi等は通信帯域が安定しないため、ゲームをするのには不適だった。

無料WiFiはあちこちにあるけど、SMSで認証番号受信しないと使えないタイプの物が多いのであちこち歩き回る時は面倒な印象。

 

食事について

結論を先に書くとホーカーは若干小汚いけど安くてうまい。

レストランとかは日本感覚でも高い。

ホーカーは周辺住民の食事の場なので、料理ラインナップは周辺環境の影響を大きく受ける。チャイナタウンやリトルインディアだとあからさまにそれぞれのお国料理ばかりになる。

ホテル周辺のホーカーで食事を済ませる場合、苦手料理の国の人が多そうな地域だと辛い。

後、アルコール度数で酒税があがるらしくビールかワインがメジャーなようだった。

蒸留酒の類いはあからさまに高かった。

現地人に「日本は酒とたばこが安く手に入る。なんてうらやましい国なんだ」的な事を言われた。

 

交通手段について

市内はバスとMRTが基本。

シンガポールの公共機関はGoogleマップと提携しているので、現地でGoogle先生にアクセスできるようSIMを用意しておけば目的地へのルートで迷うことは無いはず。

バスとMRTの両方で使えるSuica的なez-linkカードをチャンギ国際空港のMRT駅窓口で購入するかSIMカード購入のおまけで付いてくるので活用すると良い。

市街地の移動だとバスもMRTも大体1回1SGD~2SGDで乗れる。MRT駅でチャージできる。10SGD入れておくと4~5回公共交通機関を利用できるイメージ。

逆にez-linkカードが無いと、バスは乗り込むときに車掌に行き先を告げて現金精算なので英語に自信が無い人には難易度高い。

uberが使えるという事でやってみたのだが、何故か手持ちクレジットカードでは支払い処理がうまくいかなかったので、現金払いで一回だけ乗った。スマホで行き先情報送れるので行き先説明を下手な英語でする必要がないのは楽だった。MRTとかよりはもちろん高いので、大荷物を持ち歩きたくない時やバスもMRTも近くを通ってない場所行くとき限定だと思われ。

 

 

 

 

年の瀬雑記

ltspiceが16年夏にバージョンアップしてIV→XVIIになっていたことに年末になって気づいた。

前々から改善してほしいと願っていた日本語コメント対応という重要な内容を含んでいたのに気づかなかった自分の情報感度の低さにびっくりだよ。

ちなみに、この新バージョンは公式ページにいかないと手に入らないのでご注意を。

今年のトピック

android端末増えた。

メインスマホ故障(4G回線につながらない)で格安スマホに乗り換えたがおサイフケータイが使えない機種のためお財布ケータイ用に旧スマホ残している。

 

で、テザリングを使って

休憩時間に旧スマホをネットにつなぎ

両手スマホでソシャゲの自然回復ポイント消化しながらネットニュースをみるという

バトルプログラマーシラセみたいなアホなまねをしてる。

傍目にはアレな奴と映っているだろうが便利です。

抵抗のノイズ

先日アナデバのセミナーを受講。

興味深かったのが抵抗のノイズのお話。

 

抵抗性雑音4kTRBは割とどこの資料でも載ってる、

でも低雑音アンプ製作の注意事項で見かける

薄膜抵抗や金皮抵抗推奨する理由とかを式で表したような話は見たこと無かった。

後、自作アンプ記事の写真で、ぱっと見過剰にでかい抵抗を使う理由ってなんだろうと思っていた。

あれ系のこだわり抵抗って単価が高いから確証無しに自分で買って試す気がしなかったからモヤモヤをしてたけど

そのあたりの説明を抵抗の電流性1/f雑音で説明してた。

 

材料固有値A, 抵抗体体積Qとして1/f雑音の大きさが

A-10*log(Q)で決まる性質があるって話がへーって感じだった。

ワッテージとディレーティング満たしていれば最小の抵抗が良いわけでもないと

頭の片隅にとどめておこう。

 

 

肉熟成庫自作案

本記事は思いつきの備忘録です。調べたけども自作しても置き場が無い事に気づいため実地検証していません。

経緯

おいしい熟成肉食べてみたいなぁ

→どうも熟成(笑)なまがい物の熟成肉が多いらしい

→熟成条件を見ると熟成庫があれば割と放置に近い状態で作れそう(熟成最適条件探しとか商業ベースだと問題になるランニングコストを無視するとして)

→いっそ熟成庫自作すれば遊べそう

という妄想からのプラン

 

ネット記事や本で見かける熟成肉の熟成条件

1.温度:1度~3度

2.湿度:70%~80%

3.風をあてつづける

4.熟成期間は肉の素性・サイズによりそうだけど立派そうなのは3ヶ月以上~半年熟成させてる

 

自作に当たっての前提条件

・1~2kg程度のかたまり肉を熟成できるサイズ(肉仕入れコストと食えるサイズの兼ね合いから暫定的に)

 

ポイントは温度と湿度の作り方。

基本的にはできたら1面をガラスかアクリルで覗けるようにした密閉箱用意して、風に関しては手抜きするならPC用の12cmファンを1~2個用意すれば良さそう

湿度制御はJIS B 7920にある飽和塩法が手軽でよさそう。加湿器で見かける湿らせた布に扇風機を当てる方式はフィルタのカビ発生でトラウマがあるのでパス

やり方は要するに溶けきれない食塩(塩化ナトリウム)を放り込んだ水を入れた容器を密閉空間内に置くと温度によらずおおむね湿度75%になるらしい、下げるときはにがり(塩化マグネシウム)を追加、上げるときは塩化カリウム(炭酸カリウムとして販売されることも)を入れて微調整。

水は揮発していくものなので数日おきに交換。

 

温度に関してはよほど小さいもの以外は30L~45L小型冷蔵庫を買うのが安くつきそう。(1万5千~2万)

冷蔵庫の中に湿度の下りで述べた箱を押し込む形

ぱっと調べた感じでは個人ベースでコンプレッサを用意して温度を下げるのは難易度高そうなのでペルチェ素子1択だがペルチェ素子と駆動電源はともかくヒートシンクの用意が大変そうである。(でかいヒートシンクは高い・邪魔・強制空冷うるさそうなど)

 

でもこうやって書き出して見ると小型冷蔵庫を買ってしまうと電子工作っぽい要素がほぼ無いな~

 

ノイズフィルタ

今時、USB接続のヘッドホンアンプなり、DACなりでPCの音を出している人が多いと思いますがノイズきになったりしませんか?

私の場合、先日購入したUSB-DACをつなぐと、ブラウザをスクロールさせたときに聞こえる「ジー」って音が気になってました。

音量的にはスピーカーでは聞こえず、無音時にヘッドホンだと聞こえるぐらいですが

一度聞こえてしまうと我慢できません。

 

よくあるケーブルにパチンと止めるタイプのノイズフィルタでは効果がなく、もっと直接的かつ強力にフィルタリングしたいとおもってました。

 

同じようなことを考えた先達はいるもので、

以前、村田製作所がHPで公開していた定数のコモンモードチョークやフェライトビーズを使ってフィルタを自作している人たちがいました。部品が小さいのと周波数高めなことを考えるとユニバーサル基板やジャンパで作るのは止めておいた方が無難そうだったので手習いがてらにPWB基板作るかなんて思っていたら、

自作する場合の部品代とPWB基板代を考えたらリーズナブルなお値段で完成品見つけたので買っちゃいました。

効果は覿面で、今まで聞こえていたヘッドホンのボリューム12時では聞こえず、常用外の3時ぐらいまで上げると聞こえるぐらいに減少しました。

 

回路的にはデータ線にコモンモードチョーク一つ、

電源線にコンデンサフェライトビーズ(VBUS, GND両方)でパイ型フィルタ+コモンモードチョーク+タンタルコン?

とシンプルなものですが効果はばつぐんでした。

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多分上記部品を買っても部品代1000円しないはずなのでUSB関係の基板を自作される方は入れるのを検討してみてはいかがでしょうか?

USBオーディオ向けにノイズ対策したというHUBを4万で買うより、よっぽど安上がりに済むと思います。

村田製作所TDKのUSB向けコモンモードフィルタとかのラインナップから秋月あたりで買えそうなのをチョイスすることになると思います。音声帯域よりも周波数が大分高いので、でかいコンデンサVBUSにいれるために線を長く引きずると逆効果になりそうなのが注意点?