マルチＵＳＢオシロスコープの紹介（別名 微弱な過渡現象信号も測定できるＵＳＢオシロスコープのための追記）
２０２０年５月２０日
１．はじめに２０１４年出版の参考文献（１）に掲載されていた、高速のサンプリング特性を持ったＵＳＢオシロスコープを、２０１６年に著者はほぼ忠実に複製した。その内容を著者のホームページで公開した（２）。動作は良好であった。
その後、著者の研究において、雑音に埋もれてもいる微弱過渡減衰信号を取り扱う必要が生じた。
複製したＵＳＢオシロスコープそのままではどうにもならない。そこで、このＵＳＢオシロスコープ
でも微弱過渡減衰信号を取り扱うことが出来るように改良を加えた。その改良版のＵＳＢオシロスコープ（使用しているラズベリーパイは「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ ２ Ｍｏｄｅｌ Ｂ」であった）については、２０１９年に著者のホームページで公開した （３）。
改良版を「微弱な過渡現象信号も測定できるＵＳＢオシロスコープ」と報告文では呼称していたが、長すぎるので、簡略化も考えて、以降では「マルチＵＳＢオシロスコープ」と呼称を変更しよう。
ＵＳＢオシロスコープの複製は３台を作った。１台は手元に、２台は共同研究先に提供した。研究課題の中途終了とともに、１台が著者の手元に返却されてきた。元々手元にあった１台は、研究目的に合うように、既に「マルチＵＳＢオシロスコープ」に改良済みであった。戻って来たのは、単なる「ＵＳＢオシロスコープ」。このままでは、宝の持ち腐れになると思い、この返却されてきた「ＵＳＢオシロスコープ」を「マルチＵＳＢオシロスコープ」に改良することにした。自分の参考文献（３）を手引きにすれば良いので、変更は容易であると考えていた。その通り、ハード部の変更は、比較的簡単に済んだ。が使用を開始してみると、 プログラムのコンパイル時に予想もしないエラーが発生し、実行プログラムが作成されないことが分かった。
しかし、色々と試行錯誤した結果、正常に動作する２台目の「マルチＵＳＢオシロスコープ」とすることが出来た。
原因はよく分からないが、ラズベリーパイで使用するＯＳであるＲａｓｐｂｉａｎをインストールするインストーラーとも言える 「ＮＯＯＢＳ」のバージョンに起因したものと考えている。最近入手できる「ＮＯＯＢＳ＿ｖ３」では、実行するプログラム（プログラム名 ｏｓｃ＿ｇｌ）のコンパイル時にエラーが発生（Ｏｐｅｎ－ＧＬに関するものらしい）するが、昔使用していた「ＮＯＯＢＳ＿ｖ１」ならば、このエラーは出ず、コンパイルは正常に行われるのである。
なを、ここで使用しているラズベリーパイは「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ ３ Ｍｏｄｅｌ Ｂ」である。
複製した「ＵＳＢオシロスコープ」、或いは「マルチＵＳＢオシロスコープ」を、現時点で正常に動作させるためには、以下の手順が必要のようである。ただし、使用しているラズベリーパイは「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ ２ Ｍｏｄｅｌ Ｂ」か「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ ３ ＭｏｄｅｌＢ」とする。
２．必要なファイルなどのダウンロード提供している圧縮フォルダをダウンロードし解凍し、当面適当な場所に保存しておく。図１に示しているように４つのフォルダが入っている。
（１）「ＮＯＯＢＳ＿ｖ１」
ラズベリーパイ財団が提供していた古いバージョンのＯＳインストーラー。
（２）「ｗｉｒｉｎｇＰｉ」
ラズベリパイのＧＰＩＯ関連のプログラムを作るためのｗｉｒｉｎｇｐｉ社のライブラリ。
（３）「ＴＲ１４０７Ｗ」
参考文献（１）で紹介されているＵＳＢオシロスコープ動作のためのプログラム類。
（４）「ＴＲ１４０７Ｗ－ｃｏｐｙ」
著者が「ＴＲ１４０７Ｗ」を母親にして、微弱過渡現象波形等を測定できるように編集し直したプログラム類。実行プログラム（ｏｓｃ＿ｇｌ）以外の内容は「ＴＲ１４０７Ｗ」と全く同じである。
-1-

図１

提供している圧縮ファイルを解凍する。必要とする４つのフォルダがある。

３．ラズベリパイの立ち上げ（１）パソコンに ＲａｓｐｂｉａｎのＯＳのインストーラー「ＮＯＯＢＳ＿ｖ１」を用意する。 著者が所有し、提供するフォルダ「ＮＯＯＢＳ＿ｖ１」の内容は図２。
（２）パソコンにマイクロＳＤを挿入する。使用済みの場合はフォーマットをした方が良い。
（３）図２に示している全フォルダ、全ファイルをマイクロＳＤカードにコピーする。
（４）パソコンからマイクロＳＤカードを取り出し、ラズベリーパイに差し込む。

図２

フォルダ「ＮＯＯＢＳ＿ｖ１」の内容。

-2-

（５）参考文献（４）などに従って、ＲａｓｐｂｅｒｒｙＰｉの初期設定などを行うが、 未だインターネットは未接続としておくこと。 理由は分からないが、この段階からインターネット接続がしてあると、後で、プログラムのコンパイルエラーを起こしてしまう。
（６）ラズベリパイの電源を入れると、図３の初期画面が表示される。左端のチェックボックスにチェックを入れ、能動となった左端の「ｉｎｓｔａｌｌ」をクリックすると、インストールが開始される。数十分はかかる。気長に待とう。

図３

Ｒａｓｐｂｉａｎのインスト－ルの初期画面（７）ＯＳのインストールが終了すると図４の画面となる。「ＯＫ」ボタンをクリックすると、デスプレイ画面は暗転し、ラズペリイパイの再始動が開始される。

図４

インストールの終了画面。

（８）再始動が終了し、図５の画面となる。ラズペリパイのシステムが正常に立ち上がったことになる。
-3-

図５

始動画面

（９）本システムを日本版、日本語も使用できるように設定しておいた方が便利である。そのためには図５の画面で、左上部の「ターミナル」アイコンをクリックし、開いたターミナル画面で＄ｓｕｄｏ ｒａｓｐｉ－ｃｏｎｆｉｇ⏎（⏎＝リターン記号）とする。後は、参考文献（４）を参考として「Ｒａｓｐｉ－ｃｏｎｆｉｇの設定」（４１頁から５０頁）を手引きに必要な項目について処理をしていく。終わったら、（１０）インターネットの接続をする。
（１１）次に、「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉを日本語化しよう」（６９頁から７２頁）を手引きとして、処理を行っていく。
（１２）そして、ラズベリパイを再始動しよう。図６の如く、左上隅のアイコンが英語の「Ｗａｓｔｅｒｂａｓｋｅｔ」から日本語の「ゴミ箱」に変わっている。

図６

日本語が使用できるようにしての始動画面。

以上で、ラズペリパイをＮＯＯＢＳ＿ｖ１のＯＳでの立ち上げが完了したことになる。以降、ラズベリパイを自由に使用できることになる。以降、参考文献（２）及び（３）を手引きにすれば、通常のＵＳＢオシロスコープとしての動作及び微弱過渡現象波形測定可能ＵＳＢオシロスコープとしての動作をさせることが出来る。
これを機会に以下で、「マルチＵＳＢオシロスコープ」について、詳細に解説をしよう。今後において、大事な参考文献として書き残して置きたいからでもある。
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図７1M

A－5V+5V

41213
VL V+
V－-5V

1k2.2k133k

0.1μ「マルチＵＳＢオシロスコープ」の回路図
-5-

トリガ
入力信号

過渡信号
入力端子

波形信号にトリガ信号を加算した形のゲート回路

トリガ信号
入力端子

6351Ω

42k

1k

DFS/GAINREFSENSE

300Ω
3440

333928
D927
D826
D725
D624 0.1μ
DVdd
23
DGnd
D5 2221
D4
D3 2019
D2
D1 18
D0 17
DrVdd 16
0.1μ
15
DGnd

３４３３ＧＮＤ
ＧＰＩＯ１３

ピン番号
ピン名
４０ ＧＰＩＯ２１３９ＧＮＤ

ラズベリパイのＧＰＩＯ端子の利用

５Ｖ→３．３Ｖ

差動出力アンプAD8138ARMZ

1000p

51Ω

235AGnd
67 AVdd
AVdd
8AGnd
910 Ain0.1μ 11 Ain12 AGnd
AVdd
13ENCODE

0.1μ0.1μ

開放 ２Ｖｐｐ
アース １Ｖｐｐ

AD9214BRSZ-80

ＡＤコンバータ

２０２０年４月２４日作図開始

AGND

5 1000p

510Ω

510Ω

A－3.3V

0.1μ510Ω 82510Ω 1NJU211D D12（Ａ） 3 S1（Ｃ）
IN1GND
1 （Ｂ）
5

入力過渡
波形信号

30.1μ

LF412

2

480.1μバッファアンプ

１０：１減衰回路

1MVR

信号
入力

A+5V

A+3.3V

母親はＵＳＢオシロスコープの回路図

マルチＵＳＢオシロスコープ回路図類

CLKD+3.3V

絶縁ＩＣGndGnd2 98 Gnd Gnd2 96 OUT4 IN4 110.1μ 1

Vdd1 Vdd2 162 Gnd1 Gnd2 15
3 IN1 OUT1 144 IN2 OUT2 13

HCPL-091J-000E

816Vdd1 Vdd2
152Gnd1 Gnd2
143IN1 OUT1134IN2 OUT2512IN3 OUT36IN4 OUT4 110.1μ 1

HCPL-090J-000E

8 Gnd Gnd2 90.1μ 1

Vdd1 Vdd2 16
2 Gnd1 Gnd2 15
3 IN1 OUT1 14
4 IN2 OUT2 13
5 IN3 OUT3 126 IN411OUT4HCPL-090J-000E

262522212423

4+3.3V

18172019
12ＣＮ２4039ＣＮ１

カメレオンＵＳＢ－ＦＸ２の端子

CLK 32D0D10.1μD5D4D3D20.1μ47μD9D8D7D60.1μ３．回路図と概観
図７に、「マルチＵＳＢオシロスコープ」の回路図を示している。参考文献（２）に掲載している回路図に若干の変更を加えている。参考文献（２）の回路図では入力段に１０：１の減衰回路を入れるのを忘れていた。ここで、１ＭΩの可変抵抗を用いて付加した。減衰率を微調整できるようにしている。参考文献（３）で紹介しているように、本装置を「マルチ」として利用できるようにするために、ゲート回路部を付加したことを、この回路図中で明記した。また、参考文献の（１）、（２）ではラズベリパイのＧＰＩＯ端子は全く未使用であったが、マルチ動作ではラズベリパイのＧＰＩＯ端子の幾つかに働いてもらうので、その部分も描いている。

回路の電源供給部を図８に示している。参考文献（２）と同じ回路である。
ＡＣ／ＤＣアダプタより
入力＋１２ＶＦ47μ0.1μ22+Vout 14+Vin 絶縁型ＤＣ／ＤＣ
239+Vin

2－Vin

変換素子

com

MIWI06-24D05 com

3 －Vin－Vout16＋５Ｖ0.01μＦＡ＋5VＦ

Ａ－５Ｖ10μ10μ110.01μ1416 10μ 0.01μMAU101

Ｆ＝ＥＭＩフィルター

6 10μ 0.01μ絶縁型ＤＣ／
2 ＤＣ変換素子

絶縁型ＤＣ／

2 ＤＣ変換素子 4
MAU101
1絶縁型ＤＣ／
2 ＤＣ変換素子

MAU101

図８6 10μ 0.01μＦ

Ａ＋３．３V

ＦＡ－３．３V

ＦＤ＋３．３V

4「マルチＵＳＢオシロスコープ」の電源回路部。

写真１ 今回改良した「マルチＵＳＢオシロスコープ」の俯瞰写真である。参考文献（３）で紹介しているものとほぼ変わることはない。が、余分となった回路は取り払ったので、少しすっきりしていよう。

-6-４．マルチＵＳＢとしての使用方法図９に、基本的な使用における本システムの結合ブロック図を示している。

ＬＣＤモニター

ＬＡＮ接続

キーボード

本器

マウス
信号入力
図９

トリガ入力

基本的な結合ブロック図。

図１０ ラズベリパイを始動し、ディスプレイ画面に ／ｈｏｍｅ／ｐｉ のディレクトリを表示している。本システムで使用するために、解凍した残りの３つのフォルダ（ＴＲ１４０７Ｗ、ＴＲ１４０７Ｗ－ｃｏｐｙ、ｗｉｒｉｎｇｐｉ）をここに配置する。赤丸で明示している。

-7-

４．１ 普通のオシロスコープとしての使い方
図９で、信号入力端子に、測定したい信号を入力する。トリガ入力端子は未使用なので、何も接続する必要はない、解放のままで良い。タスクバーの左上にあるアイコン「ＬＸＴｅｒｍｉｎａｌ」をクリックし、ターミナル画面を開く。以後この画面中でＬｉｎｕｘを用いて処理をしていく。その手順を参考文献（２）で紹介している内容のほぼ複写で以下に記述する。
（１）最新バージョンの確認＄ ｓｕｄｏ ａｐｔ－ｇｅｔｕｐｄａｔｅ⏎（⏎＝リターン記号）（２）ｌｉｂｕｓｂのインストール＄ ｓｕｄｏ ａｐｔ－ｇｅｔ ｉｎｓｔａｌｌ ｌｉｂｕｓｂ＋＋⏎
注意 文献では ｌｉｂｕｓｂ⏎ だけであったが、現在では、インストールできない。ファイル名に変更が行われたらしい。上記の様に拡張子が必要。余分なファイルもインストールされる様であるが、致し方がない。Ｌｉｎｕｘに詳しければ、ｌｉｂｕｓｂファイルの中から、本システムで必要なものだけを見つけ出せるのであろうが。
（３）ｃｙｃｆｘ２ｐｒｏｇソースコードのラズベリパイ版を入手（任意）＄ ｓｕｄｏ ａｐｔ－ｇｅｔ ｉｎｓｔａｌｌ ｃｙｃｆｘ２ｐｒｏｇ⏎（４）コンパイラの入手（任意）＄ ｓｕｄｏ ａｐｔ－ｇｅｔｉｎｓｔａｌｌｓｄｃｃ⏎（５）現在のディレクトリを確認＄ ｄｉｒ⏎
サブディレクトリが列記される。その中にディレクトリ「ＴＲ１４０７Ｗ」が表示されているはず。
（万一、そうでなければ、インストールした「ＴＲ１４０７Ｗ」をこの位置まで移動すること。）（６）ディレクトリ「ＴＲ１４０７Ｗ」に、移動する。
＄ ｃｄ ＴＲ１４０７Ｗ⏎（７）ディレクトリ内の内容の確認＄ ｄｉｒ⏎
ディレクトリの内容が列記される。多分内容はソース一式
Ｒｅａｄｍｅ ラズベリパイ実験用オシロスコープ説明書（８）ディレクトリ「ソース一式」に、移動する。
＄ ｃｄ ソース一式⏎（９）ディレクトリ内の内容の確認＄ ｄｉｒ⏎
ディレクトリの内容が列記される。多分内容はｉｎｃｌｕｄｅｐｌｄ
ｐｌｄ＿ｓｒｃ

ｓｒｃ

配布ソフト

（１０）ディレクトリ「ｓｒｃ」に、移動する。
＄ ｃｄ ｓｒｃ⏎（１１）ディレクトリ内の内容の確認＄ ｄｉｒ⏎
ディレクトリの内容が列記される。多分内容はｂｅｎｃｈ＿ｉｎ．ｃｂｅｎｃｈ＿ｉｎ．ｉｈｘ
ｂｕｉｌｄ
Ｍａｋｅｆｉｌｅ
ｏｓｃ＿ｇｌｏｓｃ＿ｇｌ．ｃ（１２）以降で、実行権限が必要となるので、以下のコマンドを入力する。
＄ ｓｕｄｏ ｃｈｍｏｄ ＋ｘ ｂｕｉｌｄ-8-

（１３）余計なメッセージがなければ、良し。以下のコマンドで、プログラムのコンパイルを実行する。
＄ ｓｕｄｏ ．／ｂｕｉｌｄ⏎
画面にメッセージが列記され、コンパイル完了。

（１４）ｕｓｂｔｅｓｔをアンロードさせる。（必要ないかも？）＄ ｓｕｄｏ ｍｏｄｐｒｏｂｅ －ｒ ｕｓｂｔｅｓｔ⏎（１５）ＦＸ２ファームをダウンロードする。ファームのバイナリファイルのある「ｂｅｎｃｈ＿ｉｎ．ｉｈｘ」のあるディレクトリで、以下のコマンドを実行する。
＄ ｓｕｄｏ ｃｙｃｆｘ２ｐｒｏｇ ｐｒｇ：ｂｅｎｃｈ＿ｉｎ．ｉｈｘ⏎（１７）オシロソフトの実行＄ ｓｕｄｏ ．／ｏｓｃ＿ｇｌ －＊＊（起動オプション
オシロ画面が描写され、被測定信号も描写され続ける。

表参照）

図１１ ターミナルモードとして、ディレクトリ「ＴＲ１４０７Ｗ」に移り、その後、参考文献（１）、或いは（２）に従って、被測定信号であるサイン波を表示するための手順を示している。最後の命令＄ ｓｕｄｏ ．／ｏｓｃ＿ｇｌ エンターキーとすれば、画面は次の図１２の如くとなる。ただし、サイン波の周波数、電圧振幅に依存しているので適当な値に設定すれば良い。プログラムの実行時のパラメーター、オプションなどの設定の説明については、参考文献（１）などに譲る。

-9-図１２ サイン波がグラフ画面に表示され続けられる。こうなれば、今までの処理手順などが正常であったことを確認できる。今後、通常のＵＳＢオシロスコープとして使用できよう。動作の正常終了はコントロールキーとＣ文字キーを同時に押すことでできる。そして、グラフ画面は消え、次の図１３の画面となる。測定パラメータなどが表示される。

オシロ動作の終了「ｃｔｒｌ」＋「ｃ」で終了できる。
（１８）コンソール画面の終了＄ ｅｘｉｔ⏎で、コンソール画面を終了する。
（１９）タスクバー左上の「Ｍｅｎｕ」をクリックし、順次終了手順を行う。
（２０）各部分の電源を切る。

図１３

各種の設定パラメータが表示され、ターミナルモードでの入力可能モードとなる。
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再動作の手順（２１）各部分の電源を入れる。
（２２）コンソール画面を開く。
（２３）ディレクトリ「ｓｒｃ」へ移動する。
（２４）＄

ｓｕｄｏ

ｃｈｍｏｄ＋ｘｂｕｉｌｄ⏎

（２５）＄

ｓｕｄｏ

ｃｙｃｆｘ２ｐｒｏｇ（２６）＄

ｓｕｄｏ．／ｏｓｃ＿ｇｌ（必要ないかも？）ｐｒｇ：ｂｅｎｃｈ＿ｉｎ．ｉｈｘ⏎－＊＊（起動オプション表参照）⏎

４．２ 微弱な過渡現象波形などの測定可能なオシロスコープとしての使い方
参考文献（３）で紹介している使用方法である。図９の配置で、信号入力端子に被測定信号を入力。
トリガ入力端子には現象を生起しているトリガ信号を入力する。トリガ信号はＬレベルは０Ｖ、Ｈレベルは＋５Ｖが理想値。その後、４．１で記述しているターミナルモードでの処理を行う。ただし「ＴＲ１４０７ｗ」は「ＴＲ１４０７Ｗ－ｃｏｐｙ」に変更する。図１５にそれらの手順を示している。
なを、ここではモデル信号として、参考文献（３）で使用していたＬＣ共振回路における過渡減衰波形を同じく用いている。

図１４ ターミナルモードで、ディレクトリ「ＴＲ１４０７Ｗ－ｃｏｐｙ」へ移る。注意：「ＴＲ１４０７Ｗ」ではない。後は、手順は図１３と同じ。最後に命令＄ ｓｕｄｏ ．／ｏｓｃ＿ｇｌ －ｔ３ －ｅ０ エンターキー
で、実行される。が、－ｔ３ －ｅ０ はオプションであり、なくても良い。詳細は参考文献（１）を参照すること。エンターキーを押すと、積算回数を聞いてくる（Ｐｌｅａｓｅ Ｉｎｐｕｔ Ｓｕｍ＿ｃｏｕｎｔｅｒ＝）。図１７を参照。希望する整数値を入力する。続いて、保存ファイル名を聞いてくる（Ｐｌｅａｓｅ Ｉｎｐｕｔ ｄａｔａ＿ｆｉｌｅ＿ｎａｍｅ＝）。希望するファイル名を入力する。画面は図１５の如くのグラフ画面となり、入力信号の描写がトリガ信号が入力する度に行われる。

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図１５ トリガ信号＋過渡減衰波形の描写画面。何故こうなのかは参考文献（３）を読むこと。このように安定して描写させるためには、オプションパラメータを適値に設定する必要があろう。トライ＆エラーである。入力した積算回数に達すると、積算は終了し、次の図１６のように、積算平滑した波形が表示されて停止する。

図１６ 図１５のグラフ曲線状にあった、細かい雑音成分が消滅し、綺麗なサイン型の減衰波形が得られていることが分かろう。効能の程は参考文献（３）を参照。

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図１７ 測定終了後、コントロールキー＋Ｃ文字キーの同時押して、プログラムの実行は終了し、命令入力モード（プロンプト モード）に戻る。

参考文献（１）「毎秒２Ｍサンプル取り込み！ 実験用ＵＳＢオシロスコープ」、渡辺 研、トランジスタ技術、ＣＱ出版社、２０１４年７月号。
（２）「ＵＳＢオシロスコープの複製」、金野茂男、２０１６年１２月、著者のホームページで公開。
（３）「微弱な過渡現象信号も測定できるＵＳＢオシロスコープ」、金野茂男、２０１９年３月、追記同年５月。
（４）「名刺サイズの魔法のパソコン Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉで遊ぼう！ 改訂第４番」、林和孝、株式会社ラトルズ、２０１５年８月。

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