完成した「オシロスコープのプリント基板」のお裾分け

Arduino Nano が手元にあれば、手軽な部品で製作できる簡易型オシロスコープの製作記事は、前回の「OLEDオシロスコープ」のノイズを何とかしたい（番外編）で完結しました。
この記事で紹介している専用基板は２か所の不良があったので、パターンカットとジャンパ線で何とか動作確認をすることが出来ました。（単純な私の設計ミスです。はい。）

そこで、「完成品」の基板を目指して、今度こそ最後の「OLEDオシロスコープ」製作記事です。
（多分 3D プリンタでケースを作って記事にする気がしますが・・・）

なお、今回の記事は昨年初頭にブログを初めてから「祝！１００記事を超えた記念」として、自作した「OLEDオシロスコープ」基板を「無償」でお裾分けします。（製作者の方々からは了承を頂いています。）

詳細は、記事の最後をご覧ください。

ー「お裾分け」についてー

今回の表題にある「お裾分け」は「他の方から頂いたものを、他の人に分け与える」という「お福分け」の意味で使用しています。
本来の厳密な意味からは、少し離れてしまいますがご了承ください。
（決して言葉本来の「つまらないもの(裾)を分ける、自分には余計なものを他人に分ける」という意味ではありません。）
このブログを始めようと思ったのは、第１回目の記事でも書いている「honkytonk」さんの作製された GPSDO を組み立てることでした。
「honkytonk」さんは、自作された GPSDO の回路図、ファームウエアをブログで公開して頂いているだけではなく、製作したプリント基板も分けて頂き沢山のアドバイスももらう事が出来ました。
おかげさまで、しばらく遠ざかっていた日曜電子工作に戻ってくることが出来ました。

この「honkytonk」さんの GPSDO、そして「ラジオペンチ」さんと「siliconvalley4066」さんの OLEDオシロスコープに関して頂いた数々のものを、電子工作に興味がある方が増えるように「お福分け」できれば良いなぁと思って「オシロスコープのプリント基板のお裾分け」を始めました。

ー2024年9月29日追記ー
プリント基板などの在庫が変わったら、ここに記載します。
・基板残り：9セット
・特殊部品セット残り：9セット

前回の「OLEDオシロスコープ」製作記事は以下を見てください。別窓が開きます。

「OLEDオシロスコープ」のノイズを何とかしたい（番外編）

「OLEDオシロスコープ」製作記事は前回で最終回のはずでした。しかし、V402 のみは、見た目のノイズが消えていませんでした。今回は、作者からのコメントを頂いたので、最後のノイズ対策を記事にします。（これで本当の最終回です。）

（今回の記事は、プリント基板製造の PCBgogo さんに提供を頂いています。
よろしければ、以下のリンクのクリックにご協力ください。）

製作した３種類の OLED オシロスコープ

今回プリント基板を製作したのは、３種類の「OLEDオシロスコープ」です。
それらの機能などの詳細を紹介します。

「ラジオペンチ」さんの V300

最初に紹介するのは「ラジオペンチ」さんが設計・製作された「OLEDオシロスコープ」です。
最終バージョンは V300 です。
「ラジオペンチ」さんの「OLEDオシロスコープ」のまとめ記事は下のリンクをご覧ください。（作り始めから数えて１４個の記事があります。）

ラジオペンチ

モノいじりが好きなおじさんの探究日誌

その性能は Arduino Nano と数個の部品で作ったとは思えないほど高性能で YouTube 上には多数の製作例が見られます。

ー主要性能ー
入力モード：+DC, AC (DCの負電圧は不可）
垂直感度：0.2 ～ 50 V
水平感度：50 us ～ 200 ms
サンプリング周期：8 us (125kHz)
トリガ：50% p-p 自動、スロープ指定可能
その他の機能：波形周波数表示、波形デューティ比表示、ゼロオフセット、マルチメータ、電源電圧表示

画面の表示例はこんな感じです。
画面最上部に「AC/DC」、垂直感度（電圧）、水平感度（時間）、周波数などが、小さい画面を効率的に使って過不足なく表示されます。

1.3 インチの OLED を表示器に使っているので、暗いところでもキレイに波形を見ることが出来ます。
操作性も３ポジションのサムスイッチを使ったので、直感的に操作することが出来ます。

「その他の機能の機能」の操作説明です。

ゼロオフセット：初回の立ち上げで電源電圧の違いなどで波形の中心がゼロではなく、上・下にズレてしまった場合に「Hold」を押した状態で「Select」を押すと、ずれたゼロ位置がこの操作でワンタッチで修正されます。（大変便利！）
値は MCU 内の EEPROM に記憶されるので、１度行えば電源を切っても保持されます。
なお、5 V 以下とそれ以上で設定値が異なるので、電圧を切り替えて設定を２回行う必要があります。

マルチメータ機能：最高測定電圧により起動方法が異なります。
「UP」を押したまま電源 ON：5 V レンジ

「DOWN」を押したまま電源 ON：50 V レンジ

なお、マルチメータ状態で「AC/DC」スイッチを切り替えると AC/DC が切り替わります。
（AC に切り替えると電圧だけではなく、実効値（rms）が合わせて表示されます。）

電源電圧表示：「SELECT」を押したまま電源 ON で、電池の電圧を表示できます。

これらの機能は、電源を切ってから普通に電源を入れれば通常のオシロスコープの画面に戻ります。

「siliconvalley4066」さんの V402

「siliconvalley4066」さんが「ラジオペンチ」さんの「OLEDオシロスコープ」を改造された一連の製作記です。「siliconvalley4066」さんの製作記事は、こちらをご覧ください。（別窓が開きます。）

Arduino OLED Oscilloscope with equivalent time sampling

今までに公開されているバージョンは次のとおりです。

V310：「ラジオペンチ」さんの最終バージョン V300 から時間軸を４倍拡大して 20us/div まで表示できるようにし、FFT によるスペクトラム表示機能が追加されています。

V311：校正用パルス信号の発生機能を追加（校正パルスは 75kHz）

V401：九州工業大学大学院情報工学府の「等価時間サンプリング」を採用して「16Msps」という MCU の限界まで、時間軸を拡大しています。
なお、このバージョンからチャタリング対策をソフトウエアで実現しているので、ハードウエアでチャタリング対策用に使用していたダイオードなどが省略されています。

V402：「siliconvalley4066」さんの最終バージョンです。
「V401」で使用していたスイッチ割り当てなどを変更して、操作性を改善したバージョンです。

ー追加された主要性能ー
水平感度拡張：20us/div(25samples/div)
FFTによるスペクトラム表示
校正用パルス信号
等価時間サンプリング：～ 16Msps

追加機能の「校正用パルス信号」と「等価時間サンプリング」機能は、常時駆動しています。
「FFTによるスペクトラム表示」機能を使うには、「SELECT」で「AC/DC」に移動して「UP」か「DOWN」で切り替えます。
FFT に切り替わると、画面表示がオシロスコープと違うのですぐに分かりますが、「AC/DC」の所が「FF」と表示されます。

基板の製作例はこんな感じです。
機能は追加されていますがダイオードなどが省略されたので、基板上の部品は少なくなりスッキリした印象の基板になりました。

なお、「siliconvalley4066」さんの V402 は「ラジオペンチ」さんの V300 の機能拡張版なので、その他の機能（ゼロオフセット、マルチメータ、電源電圧表示）はそのまま動作します。

また、細かな点ですが、この「OLEDオシロスコープ」は立ち上げの際のクレジット表示が「ラジオペンチ」さんになってます。
ネット上で海外の方が公開されている製作例は、ここを自分の名前に書き換えていることが多いのですが、これだけの機能を追加・改造してもオリジナルを尊重する姿勢は凄いと思います。

「siliconvalley4066」さんの 2CHオシロスコープ

「siliconvalley4066」さんが新規設計された 2CHオシロスコープです。
オリジナルのアイディアは、大阪教育大学の光永さんの「Arduino でオシロスコープ」のようです。
（この製作記事は、現在は絶番になっているようですが「LilyPad & Arduinoを使ったテクノ・クラフト(マイコンと電子工作 No.4)」という書籍に収録されていたようです。）

公開されているバージョンは「GOscillo120」から始まり、最終バージョンが「GOscillo132」です。
「siliconvalley4066」さんの製作記事は、こちらをご覧ください。（別窓が開きます。）

Arduino OLED dual channel oscilloscope with equivalent time sampling, Pulse Generator, DDS Function Generator and Frequency Counter

名前にあるように、OLED を表示装置に使用した Arduino Nano で作られた本格的なオシロスコープです。
今回は、他の「OLEDオシロスコープ」と同じサイズに収めるために１チャンネルで基板化しました。

主要機能の要約は次のとおりです。
あまりに機能が多いので、詳細については「siliconvalley4066」さんのページをご覧ください。細かな機能が解説されています。

ー主要機能ー
・オシロスコープ機能
チャンネル数：2
入力モード： DC、AC
電圧レンジ(volts/div)： 1V, 0.5V, 0.2V, 0.1V, 50mV
時間レンジ(time/div)： 10s ～ 580us (17ksps)、(1チャンネルのみ) 500us ～ 33us (307ksps)
、62.5us ～ 0.625us (16Msps)（等価時間サンプリング）

・FFT機能：8bits 128 samples（200ms/div以下）

・パルスジェネレータ機能：0.238Hz ～ 8MHz （約5Vpp方形波 Duty ratio可変）

・ファンクションジェネレータ機能： 0.01Hz to 9999.99Hz(実用域は1kHz程度まで) 約5Vpp
8波形: sine, saw, revsaw, triangle, noise, sinc5, trapezoid, chainsaw

とても MCU に Arduino（ATmega328P）を使ったとは思えない高性能ですね。

実際に基板化したものは、こんな感じになりました。

上２つの「OLEDオシロスコープ」では３ポジションのサム・スイッチを使っていましたが、この「OLEDオシロスコープ」は、インターフェースが上・下・左・右に変更になったので３ポジションでは足りません。
そこで、５ポジション・スイッチを使ってみました。
使用した５ポジション・スイッチです。⑥の「Push」を使用しないと、ちょうど上・下・左・右の操作をカバーできます。

なお、このスイッチを取り付けた後に、（後の解説で出てくる）操作の一部に「上・下」や「左・右」キーの同時押しに割り当てている機能がある事に気づきました。
（このスイッチでは、どうやっても同時押しは無理ですね。）

実際に作る際には別個の４つのタクト・スイッチなどを使うか、公開されているスケッチを修正した方が良いでしょう。

操作方法

「2CHオシロスコープ」（実際には１チャンネルですが・・・）の操作方法は、その高性能を実現するために４ページに分かれています。

「UP」または「DOWN」で項目を上下に移動して、最下段（最上段）になると次のページに移動します。
各項目の設定変更は「Right」か「Left」で切り替えます。

なお、周波数カウンタを ON にすると信号発生関係の機能は停止します。

ページ１

ページ2
（CH2 は実装していないので OFF にしています。）

ページ３

ページ４

最終版の基板をオーダー

いつもお世話になっている PCBgogo さんにプリント基板を注文しました。
今回は「最終版」の予定なので、発注前に慎重に確認作業を行ったつもりです。

最終基板の作成方針

前回のグランド対策を強化した基板で、ずっと気になっていたノイズは消すことが出来ました。
しかし、確認不足で大きな不具合が２つありました。

１つ目は、OLED 端子の部分です。
ノイズ対策のために MCU の ATmega328P を１８０度回転して配置したのですが、OLED の信号端子である「SDA」と「SCL」はそのままの順番でつないでしまいました。
つまり、OLED の 4P 端子は左から「GND」「+5 V」「SCL」「SDA」でなくてはなりませんが、「SDA」「SCL」の順になっていました。
この配線を修正します。

２つ目は、入力端子がグランドに短絡していました。
入力端子のフットプリント（外形データ）は、今回のオシロスコープ用に KiCad で私が独自に作ったものですが、作りが悪くて裏側の端子につながる部分がグランドと短絡していました。
この部分はフットプリント・エディターで修正しました。

追加で、前回のプリント基板に搭載する昇圧基板は大・小２種類を選択してノイズが少ないほうを使う設計でしたが、小さな方の昇圧電源基板でもノイズは抑えられることが分かったので、大きいほうの昇圧基板を除去して小さい昇圧基板専用にしました。
その分の余白に、電源スイッチと電源 LED 等を追加しました。
また、ケースを作る時を考慮して基板右下部分は電池ボックスが食い込んで配置できるように部品配置をずらしました。

基板のオーダー

いつもどおりに夜に基板データが完成しました。
KiCad で作ったデータを Zip で圧縮して製造会社へアップロードします。

PCBgogo さんは、夜間にデータをアップしても２時間程度でデータの確認が終了するので、確認が終わったら支払いを行います。
今回は、支払い前に PCBgogo さんの「Gerber View」機能で、基板に間違いがないか良く確認します。

拡大して確認しましたが、入力端子はグランドから分離していました。
OLED 端子の配線も確認しましたが、問題ありませんでした。

今回は、格安でオーダーできる 10 cm X 10 cm で、１０枚の基板を同じデータでもう１組頼みました。
送料は DHL は $24 でしたが前回と同じ ANA グループの OCS なら２組（２０枚）でも同じ値段（$16）でした。

到着した基板の確認

今回も基板のデータをアップロードして確認が終了したら、担当者から連絡が来ました。
細かな修正を入れて製作の指示を開始してから１日ほどでプリント基板の製造は終了して現地の輸送会社へ渡されました。
翌日には現地の税関を出て、その翌日には日本に到着しました。
今回は、それからが時間がかかり２日間ほど留め置かれていました。
さらに、国内輸送会社（佐川急便）の倉庫に金曜日から月曜日まで留まっていたので、到着には前回の倍ほどの時間がかかりました。（なぜだろう？）

しかし、前回同様に荷姿は問題ありませんでした。
PCBgogo さんの箱に入って無事、北海道の自宅まで届きました。

内部は、１０枚の基板が真空パックされたプチプチに包まれて２袋入っていました。
注文どおりです。

中身のプリント基板を確認します。
問題ないですね。
一応、心配だったのでそれぞれの「OLEDオシロスコープ基板」の入力端子とグランド間が短絡していないか確認しましたが問題ありませんでした。
（一番下の右側に見慣れない基板が付いていますが、今のところは秘密です。）

基板の切り出し

発注したプリント基板が無事到着したので、それぞれの基板に切り出します。
（Vカットを入れれば簡単に分割できるのですが、価格が上がってしまうので今回は自分で切り出します。）

切り出しには、改造した丸のこを使います。
丸のこの改造方法は、下のリンク先をご覧ください。（別窓で開きます。）

プロクソンの「丸のこ」を作ろう

プリント基板をオーダーすることが増えたので、基板を切断することが多くなりました。毎回、手動のノコギリで切断するのは大変なので対策を考えていました。すると、都合よく入手できた「ジャンク部品」で丸のこを製作出来ました。

天気が良かったので、ベランダで基板を切り出しました。
久々に丸のこを使ったら、１枚目は少し失敗してしまいました。

配線に影響があるような失敗ではありませんが、左右から交互に切ったら真ん中で段差が出来てしまいました。
仕方がないのでヤスリできれいに仕上げます。（元々、切り口に多少のバリが出るので、ヤスリ掛けは必要ですけれども）

ステンシルの作成

次に、クリームはんだを「転写」するためにステンシルを作ります。
予算的に余裕があれば、基板製作会社にプリント基板と合わせてオーダーする方が楽ですね。
金額的にも送料別で $10 程度で作ることが出来ます。

自宅のパソコンで、カッティングマシンを使ってステンシルを作る方法は、下のリンク先をご覧ください。（別窓で開きます。）

カッティングマシン Craft Robo を復活させステンシルを作る

SMD部品を自宅リフローするためステンシルを作ります。手でカットは大変なので、カッティングマシン Craft Robo を復活させます。 CC330-20は、「シルエットスタジオ」ソフトでWindows10(多分11も？)で使用可能でした。

材料には沢山余っている「OHPシート」を使いました。
このシートはインクジェットプリンタで印刷できるように、印刷面に特殊加工がされています。
多分水性のノリが前面に塗布されているので、クリームはんだを上に乗せる前に良く水洗いをしてノリを落としておきます。

ノリを落とすと表面の曇りが取れて、フィルムに光沢が出てきます。
この光沢がある状態の方が、カッティングマシンで切り抜きが不十分で穴に切り残しが残っている時に見分けがしやすいです。
また、クリームはんだを塗布する時に伸びやすくなるので、同じようなインクジェットプリンター用のシートを使う場合にはシートの洗浄をした方が良いでしょう。

クリームはんだの転写

クリームはんだを乗せる前に、プリント基板の表面をアルコールで洗浄して表面に残った油分などを除去しておきます。
表面に油分などの汚れが残っていると、クリームはんだが基板の端子にきれいに乗らず、後ほどの修正作業が大変になります。

基板の洗浄が終わったら、シートを基板に乗せて軽くテープで留めておきます。
平らな机の上に基板を置いて、手袋を付けてクリームはんだをステンシルの上に少量出して広げます。
私のやってみた感じでは「ぎゅっ」と強くヘラで押し付けるのではなく軽く盛るように伸ばすと、端子間隔が非常に狭い小型のセラミック発振子の端子もきれいに「転写」できました。
（この後、一部手直しをしています。）

細かな自宅リフローの手順は、下のリンク先の内容をご覧ください。（別窓で開きます。）

自宅リフローを楽しもう

今回の記事は、今まで色々試してきた「自宅リフロー」を目に見える形で検証し、手順をまとめる目的で書きました。そのまま試すのは大変かもしれませんが、リフロー自体はすごく簡単に出来ます。この手順が「リフロー食わず嫌い」の方の参考になればうれしいです。

SMD 部品の搭載

使い慣れた先の細いピンセットを使って SMD 部品を基板に乗せていきます。
部品を乗せるときには拡大鏡が必要でしょう。

今回使用している部品は SMD 部品の中でも比較的大型の 3216（EIA規格 1206）型です。
眼が良い若い方なら裸眼でも OK ですが、私にはこのサイズでも肉眼で基板の端子の場所へ SMD 部品をきれいに並べるのは難しいですね。

実体顕微鏡を使うのは大げさですが、十分な明るさのライトと手に持たなくても自由に動かせて、好きな位置で固定できるアームの付いたレンズ的な物があると作業がはかどります。

写真は、半田作業に便利な耐熱シリコンマットを敷いた上に基板を乗せて、拡大鏡で見ているところです。

自宅リフロー

SMD 部品の搭載が終わったら、静かにヒートプレートに乗せて加熱します。
数分でクリームはんだのフラックスが溶けてうっすらと白煙が上がります。
その時によく見ていると艶消し灰色のクリームはんだが溶けてきれいな銀色に代わります。
全ての端子のクリームはんだが銀色に変わったら、ヒートプレートの電源を落として冷やします。

基板が十分に冷めたら、それぞれの SMD 部品が正常にリフローされているか確認します。

その他の部品の半田付け

異常がなければ手半田で端子、スイッチや大きい部品（電源部のコンデンサなど）を取り付けます。
最後にクリームはんだからは余分なフラックスが流れ出るので、アルコールで基板を洗浄しておきます。

動作確認

３種類の「OLEDオシロスコープ」が完成しました。
それぞれの動作を確認しましたが、ノイズもなく正常に動作しています。
まず、「ラジオペンチ」さんの V300 です。
（OLED の上あたりに黄色い線が見えますが、基板のヤスリ掛けを頑張りすぎて配線を１本切ってしまいました。）

続いて「siliconvalley4066」さんの V402
こちらもノイズもなくテスト波形をしっかりと表示しています。

この基板でノイズをなくすには、スケッチを一部書き換えます。詳しくは下のリンクをご覧ください。

「OLEDオシロスコープ」のノイズを何とかしたい（番外編）

最後に「siliconvalley4066」さんの「2CH オシロスコープ」です。
こちらも良い感じで完成しました。電圧レベルを 0.5 V にしてもノイズは見られません。

今回は電源スイッチと電源確認用の LED を追加しました。
基板上には高輝度 LED の使用を考えて 3.3 kΩ とシルクに記載していますが、部品箱に「売るほど」余っていた黄色の LED を消費しました。
事前に電源を 5 V にしてこの LED で点灯確認したところ、3.3 kΩでは少し暗く感じたので、こちらも数が多かった 2 kΩ位の SMD 抵抗に変更しています。

変更と言えば、OLED の電源部に取り付けているノイズ対策用の 1 uF のコンデンサは、3216 サイズで 47 uF の部品が入手できたので、こちらもシルクと違う部品を取り付けています。
（ノイズに大きな違いはありません。発生していたノイズの周波数が低めだったので自己満足です。）