RP2040で16chロジックアナライザを自作｜KiCad 10で設計してJLCPCBのPCBAに発注するまで【自作ロジアナ #1】

はじめに

このブログでは I2C や SPI の記事をいくつも書いてきましたが、載せられる波形はずっとオシロスコープの画面だけでした。オシロで見えるのは電圧の形までで、「このバイトは 0x76 番地への書き込み」というプロトコルとしての読みは画面に出せません。理由は単純で、ロジックアナライザを持っていないからです。

そこで、自分で作ることにしました。ゴールは次の1台です。

• PulseView（sigrok）につないで、I2C・SPI・UART をデコードした画面を出せる
• 16ch・入力は 1.8V〜5V のロジックをそのまま受ける
• 中身は RP2040。PIO で GPIO をまとめて取り込み、USB で PC に流す
• 0.4mm ピッチの QFN と 0402 のチップ部品を含むので、手はんだは諦めて JLCPCB の実装サービス（PCBA）に任せる

第1回のこの記事では、何を載せてどう繋ぐかを決め、KiCad 10 で回路図と4層基板を仕上げ、JLCPCB に PCBA で発注するまでを扱います。回路図は手で描かず Python スクリプトから生成しました。自動配線ツール freerouting では、ビアを1個も打ってくれないという落とし穴にもはまりました。

📝 この記事でやること

• ロジックアナライザと sigrok / PulseView の基礎、RP2040 で 16ch を取る仕組み
• 入力回路の方式を、RP2040 の VIH は 2.0V という1つの数字で決めた話と、ファーム3種が同居するピン配置
• 回路図をスクリプトで生成し、ERC・ネット照合・設計ルール検査の3段で確かめる方法
• freerouting の落とし穴3つと、最後に人の手で仕上げた配線
• JLCPCB 4層の設計値、BOM / CPL の作り方（Basic / Extended・回転補正）
• PCBA の発注画面と費用

🧭 ロジックアナライザとは — オシロとの違いと、RP2040 で作れる理由

オシロは「形」、ロジアナは「中身」

ロジックアナライザ（ロジアナ）は、デジタル信号を 0 か 1 か だけで大量に記録する測定器です。オシロスコープが電圧の形を細かく見るのに対して、ロジアナは形を捨てる代わりに本数と長さを取ります。

I2C なら SDA と SCL の2本で済むので、オシロでも波形は撮れます。ただ、「アドレス 0x76・書き込み・ACK」と読み下すのはロジアナとデコーダの仕事です。SPI は CS・SCK・MOSI・MISO の4本なので、2ch のオシロではそもそも同時に見られません。

sigrok と PulseView — デコーダは PC 側にある

sigrok はオープンソースの信号解析ソフト群で、PulseView はその GUI です。ロジアナ本体は「サンプリングして PC に送る」だけで、I2C や SPI の解読は PC 上の sigrok のプロトコルデコーダが受け持ちます。だから自作機でも、sigrok が話せるファームを載せれば、市販機と同じデコード画面が手に入ります。

RP2040 で 16ch を取る仕組み

RP2040 には PIO（Programmable I/O）という、CPU とは別に動く小さな I/O 専用プロセッサが載っています。PIO は複数の GPIO をクロックごとにまとめて読み取れるので、GP0〜GP15 の16本を1命令で取り込み、DMA で RAM に流し込めます。CPU が1本ずつポーリングするのとは桁違いの速さで、これがロジアナ自作に RP2040 がよく使われる理由です。

ファームウェアは自分では書きません。RP2040 用のオープンソース実装がいくつもあるので、基板をそれに合わせます。候補を4つ並べて比べました。

ハードウェアの完成度では gusmanb が最も高いものの、「PulseView で使う」という今回の要件に合いません。そこで sigrok-pico を主力にしつつ、GP0〜GP15 に CH0〜CH15 を素直に並べることにしました。こう並べると sigrok-pico（dig26）・μLA・dgatf の3つが無改造で動きます。nightly 版の PulseView でつまずいても、リリース版で動く μLA に書き替えればよい、という保険です。

📐 回路 — 1つの数字で決まった入力回路

全体のブロック図

構成は Raspberry Pi 公式の設計ガイド「Hardware design with RP2040」の最小構成（RP2040・W25Q128・12MHz 水晶・USB）に、16ch の入力回路と基準電圧の切り替えを足したものです。RP2040 のコア電源 1.1V はチップ内蔵の LDO が作るので、外付けの電源は 3.3V の LDO が1個だけです。

入力回路：直結では 1.8V が読めない

入力回路には候補が3つありました。決め手は、RP2040 の VIH＝2.0V という1つの数字です。

RP2040 のデータシートによると、IOVDD = 3.3V のときの High 判定は 2.0V 以上です。1.8V ロジックの High は 1.8V 前後なので、直結ではどう頑張っても High と読めません。しかも RP2040 の GPIO は 5V トレラントではありません（絶対最大定格は IOVDD + 0.5V）。1.8V も 5V も受けるには、間にレベル変換を挟むしかありません。

挟む IC には TI の TXU0104PWR（4bit・一方向のレベル変換）を選び、4個で 16ch にしました。候補の SN74LVC8T245 なら2個で済んで IC 代も $1.4 安いのですが、TXU0104 には測定器として効く性質が3つあります。

ロジアナは、長いジャンパ線でなまった波形を掴む道具です。なまった波形で多重エッジが出ると、測定器のほうが嘘をつきます。シュミットトリガ入力と、プローブを挿していない ch が 0 で落ち着く内蔵プルダウンは、その対策としてそのまま効きます。なお、GitHub の gusmanb/logicanalyzer も同じ TXU0104 を載せて 100Msps で出荷しています。部品選定の裏付けとして参考にしました（回路図とレイアウトは流用していません）。

1ch あたりの構成は プローブ → 100Ω → TXU0104 だけです。100Ω は事故のときの電流制限と反射の抑制が役目で、TXU0104 の入力容量 4pF との時定数は 0.4ns。帯域はほとんど削りません（1kΩ にすると 4ns になり、100MS/s に効いてくるので避けました）。

基準電圧 VREF：スイッチの並び順が回路の一部

TXU0104 の入力しきい値は、A 側の電源 VCCA に追従します。つまり VCCA を測定対象の電源電圧に合わせるのが正しい使い方です。そこで VCCA をまとめて VREF とし、スライドスイッチ SW1 で 3.3V（基板内）/ EXT（外部ヘッダ J3）/ 5V（USB） から選べるようにしました。

SW1 では接点の並び順が効きます。採用したスライドスイッチ SK13D07VG5 は、データシートの図に SCHEMATIC (SHORTING) と書かれた shorting 型。切り替えの途中で、隣り合う2接点が一瞬つながるタイプです。

3.3V と 5V を隣に置くと、スライドするたびに LDO の出力と USB の 5V が直結し、3.3V レールが RP2040 の上限 3.63V を超えて持ち上がります。間に EXT を挟めば、この2つは決して隣り合いません。部品代ゼロの対策です。

そのほかの決定事項

発注前の回路図レビューで見つかった4点

ERC がエラー 0 でも、回路として正しいとは限りません。発注前に回路図レビューをかけ、4点の指摘を受けました。回路は変えず、使い方と手順の側で潰しています。

1番は、ネットリストの検査では原理的に見つからない種類の問題です。回路は仕様どおりに繋がっていて、ぶつかるのはファームが GPIO をどう設定するかのほう。上流のソース（sr_device.h の UART_EN 1）を読まないと分かりません。2番は第2回で実測し、結果をそのまま書きます。

🖥️ KiCad 10 を GUI なしで — 回路図は Python から生成した

なぜ手で描かなかったのか

回路図は KiCad の GUI で描き始めていました。ただ、部品を置いてラベルを貼っていく作業は時間がかかるうえ、描き終えても「仕様どおりに繋がっているか」を目で確かめるしかありません。そこで方針を変え、AI エージェント（Claude Code）と一緒に、回路図を丸ごと出力する Python スクリプトを書くことにしました。KiCad 10 のファイルは S 式のテキストなので、書式さえ合わせれば KiCad が読める回路図をプログラムで作れます。

流れはこうなりました。

スクリプトの中身は、要点だけ書くと次のとおりです。

• KiCad 標準ライブラリと自作ライブラリからシンボルを読み、回路図ファイルに埋め込む（派生シンボルは KiCad と同じ規則で平坦化する）
• 結線はピン端から短い線を出してネット名のラベルを付けるだけ。部品を GUI で動かしても、つながりはラベルで決まるので変わらない
• UUID は固定の名前空間から作るので、何度実行しても同じファイルになる
• --selftest で抵抗を 0°/90°/180°/270° に置き、ピンの位置を kicad-cli のネットリストで実測して回転の計算を確かめる

検証は3段：ERC だけでは足りない

生成した回路図は、次の3段で確かめています。

ERC は「書かれた回路が電気的に矛盾していないか」しか見ません。仕様どおりかどうかは、仕様から作った期待表と比べて初めて分かります。とはいえ期待表も同じ仕様から作っているので、仕様そのものの誤りまでは拾えません。そのため、発注前に回路図レビューもかけました。

スイッチの罠を、シンボルの自作で先に潰した

生成の途中で、ERC では絶対に出ない罠を2つ見つけています。どちらもスイッチのピン番号です。

タクトスイッチのほうは、前に作った ESP32-S3 センサー基板で実際に踏んで、部品を 90 度回して載せ直した罠です。今回は発注前に潰せました。

基板の生成と freerouting

基板も同じように gen_pcb.py で生成しました。65 × 45mm・4層（L1 信号 / L2 GND / L3 電源 / L4 信号）に部品を並べ、USB の差動ペアだけはスクリプトで手配線し、locked で固定しておき、残りを自動配線ツールの freerouting に任せる、という段取りです。

ところが、1回目の freerouting は、未配線 221 ネットのうち 72 ネットを残して止まりました。結果を見ると、配線がほとんど表面にしかありません。

原因を追うと、落とし穴が3つ見つかりました。

落とし穴①：ビアを1個も打たない — (wire_keepout) が宣言を巻き込む

内層を「配線禁止・ビアは可」にするため、KiCad のルールエリアを置いていました。KiCad はこれを freerouting 用の DSN ファイルに (wire_keepout ...) と書き出します。ところが freerouting はこのキーワードを知らず、中身を読み飛ばすときに、直後にある (via ...) の宣言まで一緒に失っていました。使えるビアが 0 種類になるので、全層でビアが打てず、表面1層だけで引こうとしていました。

DSN から (wire_keepout ...) を取り除くだけで、2パス目から 24 個のビアが打たれました。最初は電源プレーンがビアを塞いでいると疑ったのですが、freerouting のソースを読むとプレーンは他ネットのビアを通す扱いになっていて、こちらは無関係でした。

落とし穴②：固定した配線が「未接続」に見える — 座標の丸め

KiCad は DSN を書き出すとき、配線とビアの座標を 1µm に丸める一方、パッドの位置は 0.1µm で書きます。QFN のパッド中心は 0.4mm ピッチの半端な位置（例：3437.5µm）にあるので、パッドから出した固定配線が freerouting から見ると 0.5µm 離れていて、つながっていないように見えます。freerouting はそれを埋めようとして例外を出し続け、未配線が減りませんでした。DSN の配線部分を、基板の配線から 0.1µm 精度で書き直して解消しています。

落とし穴③：取り込むとビアの穴径が変わる

freerouting の結果（SES ファイル）を KiCad に取り込むと、既存ビアの穴径がネットクラスの値に書き換わります。外径 0.45mm のビアに 0.35mm の穴が開き、銅の輪（アニュラリング）が細すぎて DRC エラーになりました。取り込んだあとは DRC のアニュラリングを必ず見る、が教訓です。

QFN-56・0.4mm ピッチの出口と、16本の並び

自動配線では、RP2040 まわりが最後まで残りました。0.4mm ピッチの QFN はパッド幅 0.2mm・パッド間 0.2mm で、0.15mm の線をパッドの間に通す余地がありません。どの線もパッドから外向きに真っ直ぐ出るしかなく、ピン正面にビアを打つと両隣の出口を塞ぎます。0.5mm 幅の電源線はそもそもピッチに入らないので、最後の 1.5mm だけ 0.2〜0.25mm に絞って入れました。1.1V のコア電源（DVDD）は数十 mA なので、0.25mm のネットクラスを別に作っています。

もう1つは並び順の問題です。プローブヘッダは左から CH0→CH15、RP2040 を上向きに置くと GPIO0 は右端に来ます。つまり ヘッダと RP2040 で並びが逆向きで、間にストレートなレベル変換 IC を挟む以上、どこかで 16 本を交差させる必要があります。このため、後の配線図ではヘッダと TXU0104 のあいだの線が入り組んでいます。

最後は人の手で仕上げた

freerouting の最良の結果は、未配線 19 本・DRC エラー 0 まででした。残りの 19 本は、QFN からの出口の引き方を指定して GUI で引き、補助スクリプトで裏面の GND ベタと外周のビア打ち（22 個）を足して仕上げています。

シルクの警告は機能に関係しないので残しました。パッドにかかったシルクは製造時に削られます。

発注直前の手直し：ビアの穴を 0.25mm → 0.3mm に

最後にもう1つ手を入れています。JLCPCB の注文画面では、最小ビアの選択肢が 「0.3mm/(0.4/0.45mm)」 になっていました。設計は穴 0.25mm・外径 0.45mm だったので、穴を 0.3mm に広げて注文条件に揃えました（外径 0.45mm は据え置き、148 個）。

ただ、穴だけを広げると、従来の「穴と銅の距離 0.25mm」のルールに 135 件引っかかります。JLCPCB の公表値ではビア穴と銅の最小距離は 0.20mm なので、ビアにだけ 0.225mm のカスタムルールを当て、DRC エラー 0・未配線 0 に戻しました。ルールを緩めて警告を消したのではなく、製造条件に合わせてルールを更新しました。

🏭 JLCPCB 4層の設計値と製造データ

KiCad に入れた設計値

JLCPCB の公式の製造能力表（4層・外層 1oz）をもとに、限界値ではなく余裕を取った値を Board Setup に入れています。

USB の線幅は、公式ガイドの「1mm 厚 2層なら 0.8mm 幅で約 90Ω」をそのまま使えません。4層ではすぐ下 0.21mm に GND 層が来るので、同じインピーダンスを出す線はずっと細くなります。7628 スタックアップの外層で、エッジ結合マイクロストリップの近似式（IPC-2141）から 0.30 / 0.15mm を出しました。

製造データは3ファイル

JLCPCB の PCBA に出すのは、次の3つです。すべて kicad-cli とスクリプトで出力しています。

回路図の 82 部品は、次のように振り分けました。82 = 68 + 3 + 2 + 9 で、取りこぼしは 0 件です。

Basic と Extended — 1種類ごとに段取り費がかかる

JLCPCB の部品には Basic（常時フィーダに載っている定番品）と Extended（使うたびにフィーダを掛け替える品）があります。Economic PCBA では、Extended 部品は1種類ごとにフィーダの段取り費 $3.07 がかかります（2026年9月時点の公開料金）。個数ではなく種類で数えるので、Basic で済むところは Basic を選ぶのが定石です。

27Ω には Basic 品がありませんでした。JLCPCB の部品 API で 0402 の 27Ω を洗うと、400 件以上あって Basic が1件もありません。USB の直列終端なので外せず、ここで Extended が1種類増えました。

CPL の回転補正

KiCad のフットプリントと JLCPCB の部品データは、0° の向きの定義が部品ごとに違うことがあります。そのまま出すと、IC が 90° や 180° 回って載ってしまいます。そこで、KiCad 向けの定番プラグイン Fabrication Toolkit と同じ補正表（フットプリント名ごとの補正角）を当てました。

補正表に載っていない USB-C と LED の極性は、注文画面の部品配置プレビューで目視するしかありません。KiCad が出す Y 座標は負になりますが、JLCPCB の公式手順も列名を変えるだけで座標は変換していないので、そのまま出しています。

🛒 JLCPCB に PCBA で発注する

アップロードから部品確認まで

【人間記入：以下の手順に、スクリーンショットを差し込む。各画像の撮り方は handoff の一覧を参照】

1. Gerber の zip をアップロード。4層・65 × 45mm が自動で認識されることを確かめる 【人間記入：スクショ①アップロード直後の画面（寸法・層数の自動認識が見える状態）】
2. PCB の仕様を選ぶ：枚数 5・4層・厚さ 1.6mm・スタックアップ JLC04161H-7628・最小ビア 0.3mm/(0.4/0.45mm) 【人間記入：スクショ②PCB オプション（層数・スタックアップ・ビア）】
3. PCB Assembly を ON：Economic・実装面 Top・枚数 5 【人間記入：スクショ③PCBA オプション】
4. BOM と CPL をアップロードし、19 行すべてが JLCPCB の部品に当たっているか確認する。27Ω など Extended の行も含めて在庫切れが無いこと 【人間記入：スクショ④部品確認画面（Basic / Extended の表示が見える状態）】
5. 部品配置のプレビューで向きを目視：RP2040 の1番ピン、TXU0104、SOT-223 のタブ、USB-C、LED の極性 【人間記入：スクショ⑤部品配置プレビュー（RP2040 と TXU0104 の付近を拡大）】
6. 配送方法を選び、クーポンを適用して決済 【人間記入：スクショ⑥カートの内訳 ⑦クーポン適用後の決済画面（個人情報・注文番号・クーポンコードはマスク）】

【人間記入：プレビューで向きの修正が要った部品があれば、ここに1〜2文で】

費用

【人間記入：最終の決済画面の値で確定させる。下表は 2026-09-21 のカート（ビア 0.3mm 変更前の見積り）の値】

PCBA の内訳のうち、手数料の部分は JLCPCB の公開料金（2026年9月時点）から計算できます。

残りのほとんどが部品代で、RP2040 とフラッシュ、TXU0104 ×4 が大半を占めます。手数料の中では、Extended の段取り費がセットアップ費の2倍以上あります。Basic で済む部品を1種類でも増やすと、そのまま効いてきます。

💭 所感：配線より「前」と「後」が面白かった

⚠️ この基板を使うときの注意

同じデータで作る方のために、壊さないための約束をまとめておきます。

sigrok-pico は、リリース版の PulseView 0.4.2 では動きません（nightly 版が必要）。入れ方は第2回で扱います。

✅ まとめ

基板が届いたら、第2回は立ち上げです。電源を入れる前のショート確認から、3.3V レールの発振チェック（レビュー指摘2の答え合わせ）、水晶の発振、RPI-RP2 ドライブが見えるまで。そのあとオシロだけでフロントエンドのしきい値を実測し、PulseView で最初の波形を出します。第3回では、手持ちの基板の I2C と SPI をこの1台でデコードします。

よくある質問（FAQ）

Q: 市販の安いロジアナを買うのと比べて、作る意味はありますか？

A: 8ch・24MHz 級の安価な機種なら、買ったほうが安く早いです。自作の意味は、1.8V〜5V を VREF で受ける入力回路、16ch、PulseView のデコードを、中身が全部分かる形で手に入れられることです。設計データは公開予定なので、同じ基板を発注して追体験できます。

Q: なぜ Raspberry Pi Pico をそのまま使わないのですか？

A: Pico でも sigrok-pico は動きます。ただ Pico の GPIO は 3.3V 専用で、1.8V ロジックは High と読めず、5V は定格を超えます。16ch 分のレベル変換と VREF 切り替えを載せるなら、RP2040 ごと1枚の基板にしたほうが配線も GND も素直になります。

Q: 回路図をスクリプトで生成すると、あとから GUI で直せますか？

A: 直せます。出力は普通の .kicad_sch なので、KiCad でそのまま開けます。つながりはネットラベルで決まっているので、GUI で部品を動かしても結線は変わりません。ネットが変わる修正だけはスクリプト側に入れて再生成する運用にしています。

Q: freerouting がビアを打たないときは、まず何を見ればいいですか？

A: DSN ファイルを開いて、(wire_keepout が (via の宣言より前に無いかを見てください。KiCad のルールエリアを置いているとこの形で書き出されます。取り除いて freerouting を回し直すと、ビアが使えるようになります。

Q: JLCPCB の Economic PCBA と Standard PCBA は、どちらを選べばいいですか？

A: 試作の数枚なら Economic が安く済みます。セットアップ費が $8.18（Standard は片面 $25.56）で、段取り費は Extended 部品にだけかかります。発注枚数の上限は 50 枚です。

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参考

• pico-coder/sigrok-pico（GitHub） — 主力ファーム。pico_sdk_sigrok/sr_device.h にモードごとの GPIO マスクと UART 設定
• dotcypress/ula（GitHub） — μLA。リリース版 PulseView で動く保険
• dgatf/logic_analyzer_rp2040（GitHub） — GP18 / GP19 の起動時設定は README の Configuration 節
• gusmanb/logicanalyzer（GitHub） — TXU0104 採用の先行例（回路は流用していない）
• sigrok Downloads — PulseView のリリース版と nightly 版
• Hardware design with RP2040（Raspberry Pi） — 最小構成・水晶・USB・4層化の根拠
• RP2040 Datasheet（Raspberry Pi） — VIH・絶対最大定格・電源ピン
• TXU0104 データシート（Texas Instruments） — シュミット入力・内蔵プルダウン・最大データレート
• PCB Capabilities（JLCPCB） — トラック・ビア・穴と銅の距離
• PCB Assembly Cost（JLCPCB ヘルプ） — Economic / Standard PCBA の料金