オシロスコープの基礎

目次

 

オシロスコープの基本操作（使い方）

1.   フロントパネルと画面の見方
2.   垂直軸（電圧）設定
3.   水平軸（時間）設定
4.   トリガ機能
5.   解析機能
6.   データ保存とプリントアウト

オシロスコープにおけるプローブの役割『プローブの基礎』

 

オシロスコープ基本性能

1.  オシロスコープとは

オシロスコープは、目に見えない電気信号（電圧変動）を画面に表示し、観測可能にする装置です。
画面には時間の経過に伴う電圧の変化が表示されます。

【オシロスコープの主な使用目的】

これら各目的において便利な機能が搭載されています。

①電圧（電流、他）の大きさを測定したい
②信号の立ち上がりの様子を観測したい
③信号の周期・周波数を観測したい
④複数の信号とのタイミング（時間差など）を測定したい
⑤たまにしか出ない異常な信号（ノイズなど）を観測したい
⑥複数の信号を測定し演算したい（電圧、電流から電力を演算する等）
⑦シリアル信号からパターン解析をしたい（I2C、SPI、UART、CAN、LIN等）

【オシロスコープと他の電圧測定器】

2.  周波数帯域

【ディジタルオシロスコープの基本性能】

【周波数帯域（時間軸上で見た場合）】

「周波数帯域：500MHz」のオシロスコープで、正弦波（サイン波）を測定したとき、信号の周波数がちょうど500MHzである場合はどうなるか？

入力信号		測定結果（表示）

実際には、信号の振幅が0.7Vp-pで30%程度減少して表示されます。
これは、基本的には正しい測定ではありません。
オシロスコープのメーカーは、一般的に周波数帯域とうたっていますが、-3ｄB落ちるポイントを性能機能としてうたっているので、帯域に余裕をもって選定することが大切です。

オシロスコープに一定電圧の振幅の正弦波を入力した状態で、周波数を上げていくと、ある周波数を超えたところから振幅が徐々に減衰します。

減衰量は、「出力／入力」を対数で表現する。 　表示電圧:X, 入力電圧:X0, 減衰量:Y 　Y[dB] = 20 LogX/X0

※ オシロスコープの周波数帯域は3dB減衰する周波数で定義されています。

【立ち上がり時間】

オシロスコープで観測したパルス信号の立ち上がり時間は、

信号の立上り時間に対して測定の立上り時間が十分に速い場合は真値を表示していると考えて問題ないですが、測定系の立上り時間（帯域）に余裕が無い場合は注意が必要です。

【基本波と高調波】

周期波形の「正弦波」への分解

ある周期Tの繰り返し信号は、周期Tと周期T/n（n=2,3,…∞）の正弦波に分解できます（フーリエ級数）。
このとき、周期Tの正弦波のことを信号の「基本波」、周期T/nの正弦波を「高調波（n次高調波）」と呼びます。

	直流分 X0 %	基本波 X1 %	2次高調波 X2 %	3次高調波 X3 %	4次高調波 X4 %
[実際には位相情報も含まれる。]

方形波、三角波などの様々な波形も、実際には正弦波（基本波＋高調波）の組み合わせで構成されています。
その一方でオシロスコープに限らず、測定器のアナログ周波数帯域は基本波だけから成る、ひずみのない波形＝「正弦波」で規定されています。
高調波成分がない波形を測定する場合は、オシロスコープの帯域を信じてください。

※ オシロスコープで正弦波以外の波形を測定する場合、基本波だけでなく、高調波成分を含めて考えることが必要です。

【パルス波形に含まれる周波数成分】

パルス波の周波数成分
パルス波も、基本波と高調波とに分解できます。
繰返し周期1MHzのパルス波は、1MHz, 3MHz, 5MHz, … ,∞Hzの正弦波の組み合わせで表現できます。

3次、5次、7次には、立ち上がり時間や立ち下がり時間のオーバーシュート、アンダーシュート、リンギングの高調波が含まれます。
オシロスコープの周波数帯域が基本波成分をカバーするだけでは、高調波成分が減衰してしまい、パルス波形などを正しく測定できません。
※ 理想的には無限に高い周波数帯域が必要ですが、現実的にはパルス波の基本波周波数の5倍程度の帯域が必要とされています。

【周波数帯域の違いによる波形への影響】

実際に繰り返し周波数1MHzのパルスを異なる周波数帯域で測定した場合

測定信号に対し、オシロスコープの周波数帯域が十分に高い必要があります。

 

3.  垂直分解能

【ディジタルオシロスコープの基本構成と信号の流れ】

ブロック図

【A/Dコンバータの動作】

量子化とは、特定のブロックでサンプリングして得られた信号をbit数のデータに置き換える作業のことを表します。
量子化をする縦軸はADコンバータの分解能、横軸はサンプリングスピードで決まるため、デジタル出力は連続的な値ではなく離散的な値となります。
サンプリングスピードは変換するアナログ信号に対して十分に高速でないと正しい波形を再現できません。

【垂直分解能】

アナログ入力	A/D 変換器	ディジタル出力
分解能 8bit : 28=256 レベル 10bit : 210=1024 レベル 12bit : 212=4096 レベル

オシロスコープの縦軸は8divフルスケールとなります。
1V/divで測定していた場合、8bitのオシロスコープでは、分解能を電圧に換算すると1V/div×8div÷256で、1bit当たりの分解能は約31mVとなります。
つまり、縦軸分解能が多ければ多いほど細かい分解能で信号観測が可能となります。

【DLM3000の垂直分解能】

垂直分解能と有効データ範囲
DLM3000の垂直分解能は8bitですが、有効データ範囲は250LSB（25LSB×±5div）となります。
このうち画面表示が可能なのは±4divです。

測定を停止し、波形ポジションを移動

オシロスコープを使うときは、できる限り電圧をフルスケール近くで使用することがお勧めです。

オーバーレンジについて
画面外に1div分の測定可能範囲がありますが、範囲を超えた場合には正しい測定ができません。
測定の際には、画面表示範囲内に波形が納まるようにしてください。

オーバードライブの影響
波形が測定可能範囲を超えた状態のことをオーバードライブと呼びます。
オーバードライブが発生すると測定範囲内の波形にも影響が出るため、正しい測定ができません。
弊社のオシロスコープは、オーバードライブリカバリーという機能である程度ひずみを抑制してくれる回路が備わっています。
DLM2000は、数十nsで、正しい波形の1%以内はカバーできる回路が備わっていて、DLM3000は、オーバードライブしない領域がDLM2000の1.5倍広いです。
500mVで±15Vまではオーバードライブしない回路ですが、オーバードライブを避けて波形をはかっていただくことをお勧めします。

 

4.  サンプリングレート

サンプリングレートとは
A/D変換する際に時間軸上でどれくらい細かく信号を観測することができるかを1秒間当たりのA/D変換（サンプリング）する速度を S/s（Sample/Second）で示します。

1秒間に 10,000,000回サンプリング 　⇒　10MS/s 100,000,000回サンプリング 　⇒　100MS/s 1,000,000,000回サンプリング 　⇒　1GS/s
1秒間に10回サンプリング 　⇒　10S/s	1秒間に20回サンプリング 　⇒　20S/s

サンプリングレートが重要な理由

この様な信号を測定した場合 サンプリングレートは被測定波形に対して十分に高速である必要がある		10S/sで測定した場合 サンプルレートが遅いと 被測定波形を正確に再現できない   50S/sで測定した場合 サンプルレートが十分高速だと 被測定波形を正確に再現できる
サンプリングレートが高速になればなるほど同じ測定時間でのデータ数が増える

※ データ数がアクイジションメモリ（レコード長）です。

【サンプリングレートとレコード長】

レコード長が重要な理由

この様な信号を測定した場合 波形を正確に再現するのに十分高速なサンプリングレートで測定するとデータ数が多くなる

50S/s、10ポイントで測定した場合 メモリが足りず、全体を測定できない 10ポイントで全体（1秒）を測定した場合   メモリの制限により、十分なサンプリングで測定できない

※ 測定時間に対し十分に大きなレコード長がなければ高速サンプリングで測定できません。

【エリアシング現象】

サンプリングレートが不足している場合にオシロ画面上に元波形とは異なった波形が再現されることがあります。
この現象をエリアシング（Aliasing）といいます。

入力信号に対して サンプリングレートが十分速い場合	ディジタルデータの補間により、 オシロ画面上に元波形が再現できる
入力信号に対して サンプリングレートが足りない場合	ディジタルデータを補間すると、 オシロ画面上に元波形とは異なった波形が再現される

入力信号を再現させるには、少なくとも被測定波形の2倍以上の速さでサンプリングする必要があります（サンプリング定理）。

 

5.  ディジタルオシロスコープの基本性能のまとめ

一般的に信号測定に必要とされるオシロスコープの仕様

• 周波数帯域：測定信号の基本周波数の5倍以上
  （5次高調波は程度まではパルス再生に必要）
• サンプルレート：サンプリング定理により、観測周波数の2倍以上のサンプリングレートが必要です。
  ⇒ 5次高調波を再生するには、基本周波数の10倍以上のサンプリングレートが必要です。
• レコード長：サンプリングレート × 測定時間 = レコード長

※ 観測時間が長めの場合、エリアシングや補間によるオーバーシュートなど好ましくない現象が起きやすくなるため、信号に対して十分なサンプルレートを確保することが重要です。
時間軸変更時はサンプリングレートの変化にも注意し、レコード長を調整してください。

 

6.  トリガ機能について

トリガ機能とは

• 波形を捕捉する条件、波形を表示する地点を決める機能です。
• トリガ条件を設定することを「トリガをかける」、その条件が成立し波形を表示する状態になることを「トリガがかかる」と呼びます。
• トリガの対象にする信号をトリガソース、トリガ条件が成立した時点をトリガ点（トリガポジション）と呼びます。

【拡張トリガ】

エッジトリガでだけは狙った波形をうまく捉えられない場合があります。

 

7.  波形観測に便利な機能

カーソル機能

• 表示されている波形にカーソルを当てて、カーソル位置の測定値を表示します。

波形パラメータ自動測定機能

• 計測した波形の最大値/最小値/周波数などのパラメータを自動測定します。

波形演算機能

• チャネルの波形の四則演算やフィルタ演算、FFTなどの演算を行います。

各種解析機能

• 計測したシリアルバスの信号からデータのデコード表示を行ったり、計測した電圧・電流値から電力の測定をするなどのオプション解析機能も搭載可能です。

オシロスコープの基本操作（使い方）

1.  フロントパネルと画面の見方

【フロントパネル】

タッチパネルとノブで同じ操作が可能です。

【画面から情報を読み取る】

画面の見方

• 垂直軸：
  垂直軸は8分割されています。
  その単位はグリッド1つ（1div）に対する電圧値（V/div）で大きさが表示されます。
  
  画面左端中央にグランドマーク（①）が表示されています。この地点が0Vを示しています。
   
• 水平軸：
  水平軸は10分割されています。
  その単位はグリッド1つ（1div）に対する時間（s/div）で大きさが表示されます。

このグリッドを使って波形の様子を読み取ります。

チャネル１垂直軸情報 CH1　INPUT 垂直軸感度：500mV/div 入力インピーダンス：1MΩ	水平軸（時間軸）： 500μs/div

 

2.  垂直軸（電圧）設定

電圧軸感度（V/div）は「SCALE」ノブで、垂直ポジション（表示位置）は「POSITION」ノブで設定します。

• SCALEノブを押すと通常より細かな電圧軸感度（FINE）での設定が出来ます。
• POSITIONノブを押すと、設定値が0DIVに戻ります。
• 画面左上のチャネル設定表示エリアに各チャネルの電圧軸設定内容が表示されます。
• ストップ中もV/divやPOSITIONの設定変更は有効ですので、次のスタート後の波形イメージが容易です。

【入力チャネル設定】

入力チャネルメニューには、入力カップリングやフィルタ、プローブ減衰比などの設定機能が用意されています。

【入力カップリング：AC】

• 入力信号の直流（DC）を含む低域成分がカットされ、交流（AC）成分だけが観測されます。
• DC電源のリップルノイズなど、AC成分を詳細に観測したい場合に使用します。

【入力抵抗（インピーダンス）：1MΩ/50Ω】

• 標準のパッシブプローブを使用する場合には、1MΩ入力を使用します。
• 50Ω伝送の高速信号やアクティブプローブ
  （電源供給の必要なプローブ：高速、差動）を使用する場合には50Ω入力を使用します。

電源供給を必要としないプローブ

10:1 パッシブプローブ （701937）

該当するプローブが1MΩ、50Ωどちらに適応するかは、プローブのカタログやマニュアルに記載されています。
プローブに合った入力インピーダンスを設定してください。

 

電源供給の必要なプローブ

 

3.  水平軸（時間）設定

時間軸は「TIME/DIV」ノブと「POSITION」ノブで設定します。

• 時間軸の変更でサンプリング速度も自動的に変更します。
• サンプリング速度は画面右上に表示されます。
• トリガポジションは専用ノブで変更します。ノブを押すとポジションが中央（50%）に戻ります。
• ストップ後もキーは有効です。次のスタート後の波形イメージが容易です。

 

4.  トリガ機能

トリガ機能により波形をどのタイミングで止めて表示するか設定します。

• トリガソースの設定：トリガの信号源を選択します。
• エッジトリガレベルの設定：トリガ検出レベルを設定します。
• トリガスロープの選択：トリガ検出の極性（立上り/立下り）を選択します。

エッジORトリガ

パターントリガ

パルス幅トリガ

立ち上り/立ち下り時間トリガ

ラントトリガ

タイムアウトトリガ

ウィンドウトリガ（ウィンドウORトリガ）

インターバルトリガ

【トリガモード】

表示波形を更新する条件を設定します。トリガモードには、次の5種類があります。

 

5.  解析機能

【アクイジションモード】

サンプリングした波形データを画面表示する時に、所定のデータ処理を施して表示することができます。
この処理をアクイジションモードと呼び、次の3種類があります。

●ノーマルモード サンプリングデータをそのまま表示します。 ●エンベロープモード 最高のサンプリング速度でA/D変換し、取り込み間隔毎に最大値と最小値を求め波形データとします。 長時間観測のためサンプリングレートを下げた状態で、サージノイズなどの高周波成分の有無を確認する場合に有効です。 ●アベレージングモード 繰返しトリガで、各トリガデータを平均化します。 ノイズの埋もれた定在波形を観測する場合に有効です。 平均処理は指数化平均ですが、Nシングルの場合は単純平均します。

【カーソル機能】

カーソルを表示させ、波形の各種測定値を読み取ります。

【波形パラメータ自動測定機能（メジャー機能）】

カーソル移動（上下左右）と 項目の選択（キーを押す）
	カーソル移動

 

6.  データ保存とプリントアウト

【データ保存】

データの保存/ 読み込み先は次の3種類です。（DLM3000）

• 内部メモリ（Flash_Mem）
  本機器に内蔵されている内部メモリです。
  標準の容量は300MB、/C8 オプション（SSD）付きモデルでは60GBです。
• USB ストレージ（USB/USB1）
  本機器のUSB ポートに接続したUSB ストレージです。
  USB2.0 に対応したUSB Mass Storage Class Ver. 1.1 準拠のマスストレージデバイスを接続できます。
• ネットドライブ（Network）
  ネットワーク上のストレージです。
  イーサネットオプションを装着している場合に、本機器をイーサネット経由でネットワークに接続して使用します。

【画面データの保存・プリントアウト】

画面イメージを電子データ保存或いはプリントアウトできます。 このボタンを押した際の動作設定は、「MENU」キーで行います。