オシロスコープ
2015-12
オシロスコープ (oscilloscope) とは、電気的な振動(=oscillation オシレーション)をスクリーンに表示する装置である。
文献によっては、オッシロスコープという表記も見られる。
オシロスコープはオシログラフの一種であり、電位(電位差)の周期的変化を波形(2次元のグラフ)として画面上に表示するものである。
通常、画面表示の水平軸は時間を表し、垂直軸は電圧を表し、周期的な信号の表示に適している。
もともとは陰極線管を用いて表示するタイプがきわめて一般的であったが、近年は様々な表示方式がある。
高周波信号まで観測できるものが一般的であり、波形の分析、高速現象の観測、過渡現象の観測など、電気計測の様々な分野で用いられている。
もっとも古典的な用途は、電気機器の故障解析である。ラジオを例に取ると、回路図を見ながら、混合器、発振器、増幅器といった回路間の接続を見ていく。
続いて、オシロスコープのグラウンド(接地端子)を回路のグラウンドにつなぎ、プローブを構成回路の列の中の2つの回路間につなぐ。もし予期された信号が現れなければ、前段に故障があるとわかる。ほとんどの故障は一つの部分によって起こるので、それぞれの測定で機器を構成する複数の部分の片側は動作していて、おそらく故障の原因でないことが確認できる。
不良箇所が見つかったら、欠陥箇所をさらに探ることで、熟練した技術者は大抵どの部品が壊れているかがわかる。技術者が部品を交換すれば、修理は完了するか 少なくともその次の不具合と分離することができる。
別の使用法は、新しい回路のチェックである。新しく設計された回路は、不適切な電圧レベルや、ノイズ、設計ミスなどによって、しばしば誤動作する。デジタル回路は通常クロックによって動作するので、デジタル回路のチェックには二現象オシロスコープが必要である。ストレージスコープは、欠陥のある操作によって起こる、希な電気的現象を捕らえるのに有効である。
もう一つの使用法は、電子機器をプログラムするソフトウェア技術者のためのものである。電子機器に関して言えば、オシロスコープも、そのソフトウェアがきちんと動作しているかを確認するひとつの手段となりうる。
これ以外にも、磁性媒体を使用する装置の磁気ヘッドの位置決め、信号レベルの均一化調整、ノイズの検出、構内ネットワークにおける外部ノイズの検出など。波形を観測することにより多くの事象をリアルタイムで観察できるため、様々に用いられる。
一般的なオシロスコープは小さな画面を持つ四角い箱形で、フロントパネルには多くの入力端子やつまみ、ボタンがある。画面の格子目盛りのそれぞれの正方形はdivision(区分)と呼ばれる。測定する信号はBNCやN型コネクタのような同軸コネクタにより、入力端子の1つに供給される。もし信号源が同軸コネクタを持っていれば、単純に同軸ケーブルで接続できる。そうでなければ、オシロスコープに付属するプローブと呼ばれる専用のケーブルを使用する。
最も単純なモードでは、オシロスコープはトレース(軌跡)と呼ばれる水平線を画面の左から右に繰り返し引く。設定項目時間軸調整 (timebase control) は、線を引く時間を設定する。この設定では、divisionあたりの秒数が校正されている。もし、入力電圧が0から離れていたら、トレースはそれによって上側または下側に外れる。別の設定項目垂直軸調整 (vertical control) が、垂直方向の変位量を設定する。この設定では、divisionあたりの電圧が校正されている。この結果、時間軸に対する電圧のグラフが得られる。
もし信号が周期的であれば、時間軸を入力信号の周波数に合わせて設定すればほぼ固定したトレースが得られる。たとえば、入力が50Hzの正弦波の場合、周期は20msであり、水平スイープ間の時間が20msになるように時間軸が調整されていなければならない。このモードは連続スイープと呼ばれる。不幸にもオシロスコープの時間軸が完全に正確ではなく、入力信号の周波数が完全に固定でなければ、トレースは浮動し、測定することが困難になる。
より固定したトレースが得られるように、オシロスコープにはトリガと呼ばれる機能がある。この機能では、画面の右端に行った後、左端に戻って特定のイベントが発生するまで待機し、次のトレースを描画する。この効果で、入力信号に合わせて時間軸の同期を取り直し、トレースの水平位置変動を防止する。トリガ回路は、正弦波や矩形波のような周期波形だけでなく、単発パルスのような非周期信号にも対応する。この機能を有している物はシンクロスコープとも呼ばれる。
外部ソースからのパルスを、専用の入力端子に入れる。
入力信号が、決められた方向から決められたしきい電圧を横切ったとき、エッジ検出器がパルスを生成する。
PAL や NTSCのようなビデオ信号から同期パルスを取り出し、すべてのライン、または特定のライン、すべてのフィールド、全てのフレーム、のいずれかによって時間軸トリガを掛ける。このような回路は、波形モニター機器の中に見られる。
エッジトリガから掃引(そういん)を開始するまで、特定の時間待機する。瞬間的に動作するトリガ回路は存在しないので、大抵ある種の遅延は含まれるが、トリガ遅延回路は、この遅延を値のわかった調節できる間隔に延長する。
多くのオシロスコープは、時間軸発生器の代わりに外部信号を水平軸増幅器に加えられるようになっている。これはX-Yモードと呼ばれ、2つの信号の位相関係を見るのに有用である。2つの信号が様々な周波数と位相の正弦波であるとき、表示される図形をリサジュー図形と呼ぶ。
ある種のオシロスコープには、カーソルと呼ばれる、スクリーン上を動かせるラインがあり、2点間の時間や電圧差を測定できる。
ほとんどのオシロスコープは、2つ以上の入力チャネルを持ち、1つ以上の入力信号を画面に表示できる。通常のオシロスコープは、垂直軸制御はそれぞれのチャネル毎に独立して持っているが、トリガ回路や時間軸制御は1つしか持っていない。
デュアルタイムベースオシロスコープは、2つのトリガ回路を備え、2つの信号を別々の時間軸で見ることができる。これはまた、「拡大」モードとしても知られる。適当なトリガ設定で複雑な信号を見るのに、「拡大」「ズーム」「デュアルタイムベース」を有効にして、複雑な信号の詳細を見るためにウィンドウを動かすことができる。
ユーザが見たい現象が時々しか起こらないことがある。こうした現象を捕らえるため、画面の最後の掃引(そういん)を残す、ストレージスコープというオシロスコープがある。
ある種のデジタルオシロスコープは、掃引時間を1時間毎というように遅くでき、チャートレコーダの代わりになる。この場合、信号は画面の右から左にスクロールする。ロールモード表示などと呼ばれる。
使い慣れていないオシロスコープで出会うもっともありがちな問題は、トレースが見えないということである。
最近のオシロスコープでは、「リセットオプション」または「オートセットアップ」というようなボタンがある。これは、迷ったときや初めて使うオシロスコープで使用する。「beamfinder(ビーム探索)」ボタンがあるオシロスコープもある。これは、掃引サイズを縮めて、トレースがスクリーンに現れるようにするものである。
最初に設定すべきなのは、チャネルを 直接接合にし、オートトリガにすることである。チャネルの電圧レンジを、ラインが現れるまで上げていく。時間軸レンジを、観測対象に合わせたスピードに設定し、見やすい大きさになるよう電圧レンジを設定する。
オシロスコープには、チャネルとプローブが動作していることを確認できるテスト出力が装備されていることが普通である。使い慣れないオシロスコープを使うときは、最初にこの信号を観測するのがよい。
テストプローブの中の線材の静電容量は、オシロスコープで高速信号を表示するときに精度を落とす原因となりうる。もしも波形が歪んでいるように見えたら、たとえば異常なスパイク(リンギング)や、妙なこぶの波形になっていたら、プローブの容量を調整してみるとよい。多くのプローブ(例えば10xのような電圧分割タイプ)には、小さな調整用ねじが付いている。ほとんどのオシロスコープは、プローブ調整用の方形波テスト出力を備えている。方形波の歪んだ角が直角に近づいて四角くなるようにプローブを調整する。
一般的に、オシロスコープのグラウンド接続は、テスト対象の回路のグラウンドにつなぐべきで、そうでないとGND側の電流の経路に問題が出ておかしな結果になりがちである。オシロスコープ用のテストリードの多くは、端末にグラウンドクリップを装備している。
ACカップリングは、信号の直流分を阻止する。これは、直流オフセットの乗った小さな信号を測定するときに有効である。DCカップリングは、直流電圧を測定するときに使う。
正しいチャネルでトリガを掛けていることを確認すること。トリガ遅延はゼロにする。必要とするイベントでトリガが掛かるまで、トリガレベルを調整する。最後に、必要とする波形の特徴が表示されるまで、トリガ遅延を調整する。
オシロスコープのプローブは、高価で壊れやすい。静電容量を減らすため、プローブの電線の中の導体は髪の毛より細いものもある。プローブのペン型プラスチック部品は、しばしば簡単に壊れる。プローブを誰かが歩く床に放置してはならない。オシロスコープを共有するなら、個人用のプローブセットを持つことを考える必要があるかもしれない。
オシロスコープは一般的に上の特徴に関するチェックリストを持っている。基本的な測定性能は垂直増幅器の帯域幅である。汎用オシロスコープでは、少なくとも100MHzは必要であるが、オーディオ周波数用ではもっと低くてもよい。
よく使う掃引レンジは、トリガと遅延掃引で、1秒から100ナノ秒である。デジタル信号用としては2チャネルが必要で、システムの最高周波数の少なくとも1/5の掃引速度が推奨される。
オシロスコープのもっとも重要な性能は、周波数帯域とトリガ回路の性能である。もしトリガが不安定だと、表示はぼやけてしまう。大雑把に言って、周波数応答とトリガの電圧安定性がオシロスコープの性能を決める。
デジタルストレージオシロスコープ(高級機種はほとんどこのタイプ)では、サンプルポイント数が測定対象信号に対し不足している状態では、エイリアシングという問題が起きる。リアルタイムサンプリング方式(通常はこの方式)で、オシロの周波数帯域に対してサンプリング周波数が4倍以上確保できていない設定で起きる可能性がある。エイリアシングを起こしている状態では測定値が不安定になるなどする。アクエジション帯域とトリガ帯域は常に同じとは限らないので、設定が間違っているとトリガが不安定になり波形が流れるように見えたりすることがある。
エイリアシングを防ぐにはサンプリング周波数を十分高く維持する必要があり、サンプリング周波数、必要なメモリ長と時間軸設定は互いにトレードオフの条件となる。最近ではメモリ長が十分確保されているものが多いが、中古品の場合は確認する方がよい。
正弦波や擬似ランダムテストパターンのような繰り返しの信号を測定する場合に限り、等価時間サンプリング方式に切り替えることで、メモリ長とは関係なくエイリアシングを起こさないようにすることができる。等価時間サンプリング方式のみのデジタルオシロは、通常のデジタルストレージオシロスコープと区別する意味で、デジタルサンプリングオシロスコープと呼ばれている。
デジタルサンプリングオシロスコープでは、帯域幅で100GHz程度までが可能になってきているが、単発現象の測定は不可能であり、正弦波などの単純な繰り返し信号ではない場合には、繰り返しの先頭を知るためのトリガ信号 もしくは測定対象の時間軸と同期しているクロック信号が必要になる。高速のものはより高価になってくる。