オシロスコープ

オシロスコープとは

オシロスコープは、電気信号の電圧変化を時間軸に沿って視覚的に表示する計測器です。これにより、信号の振幅、周波数、立ち上がり時間、時間間隔などの値を読み取ることができます。初期のオシロスコープでは、画面上の目盛りを頼りに手動で計算する必要がありましたが、現代のオシロスコープはこれらの値を自動で計算し、表示する機能を備えています。また、オシロスコープは「オッシロスコープ」と表記されることもあります。

概説

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として表示します。一般的に、水平軸は時間を表し、垂直軸は電圧を表します。初期には陰極線管を用いた表示方式が主流でしたが、近年では様々な表示方式が登場しています。

オシロスコープは、高周波信号の観測、波形分析、高速現象や過渡現象の観測など、電気計測の幅広い分野で利用されています。

分類

オシロスコープは、表示方式や機能によっていくつかの種類に分類できます。

ブラウン管オシロスコープ

最も古くから存在するオシロスコープで、「ブラウン管オシログラフ」「陰極線管オシログラフ」とも呼ばれます。デジタル式との区別のため、「アナログオシロスコープ」と呼ばれることもあります。ブラウン管、垂直増幅器、時間軸発生器、水平増幅器、電源で構成されています。

ブラウン管は、真空のガラス容器でできており、蛍光物質が塗られた平らな面を持ちます。電子銃から放出された電子ビームが蛍光面に当たり発光することで、波形が表示されます。

原理とメカニズム

オシロスコープの画面表示は、左から右に周期的に掃引される輝点によって行われます。電子銃から放出された電子ビームは、偏向板によって上下左右に制御され、波形を描画します。

偏向板

電子銃とスクリーンの間には、垂直方向と水平方向にそれぞれ一対の偏向板があります。垂直増幅器は、入力信号に応じて偏向板に電圧を加え、電子ビームを垂直方向に偏向させます。同様に、水平増幅器は時間軸発生器からの信号に応じて、電子ビームを水平方向に偏向させます。

時間軸発生器

時間軸発生器は、鋸歯状波を生成する電子回路です。この信号は水平増幅器を駆動し、電子ビームを一定の速度で左から右に掃引します。掃引が終わると、電子ビームは素早く左端に戻り、次の掃引を開始します。

垂直増幅器

垂直増幅器は、測定対象の電圧を入力として受け取り、垂直偏向板を駆動します。この増幅器は、高い入力インピーダンスを持ち、信号源からごくわずかな電流しか取り出しません。垂直増幅器の利得を調整することで、入力電圧の振幅を画面に適切なサイズで表示できます。

アナログストレージオシロスコープ

アナログオシロスコープには、蓄積機能を備えたものがあります。蓄積管と呼ばれるCRTを使用することで、通常のオシロスコープではすぐに消えてしまう波形を、数分間スクリーン上に残しておくことができます。また、カメラを用いて波形を撮影することもできます。

デジタル・オシロスコープ

現在では、デジタル・オシロスコープが主流になっています。デジタル・オシロスコープは、入力信号をデジタル変換して処理し、表示します。これにより、波形を拡大したり、周波数分布を表示したり、様々な信号処理を行うことが可能です。

デジタル方式の長所

デジタル方式では、波形データをデジタルメモリに保存できるため、アナログ方式のように波形がすぐに消えてしまうことがありません。また、高速なADCやDSPを使用することで、アナログオシロスコープよりも広帯域な信号測定や複雑な信号処理が可能になりました。さらに、単発現象のトリガーや、トリガー条件以前の波形を確認することもできます。

デジタル方式の短所

デジタル方式には、エイリアシングやデッドタイムといったアナログ方式にはない特有の問題点があります。エイリアシングは、サンプリング周波数が低い場合に発生する誤表示であり、デッドタイムは、波形を取り込んだ後、次の波形を取り込むことができるようになるまでの時間です。また、デジタル方式では、アナログ方式のような美しい濃淡表現はできません。

PC接続型オシロスコープ

PC接続型オシロスコープは、データ取り込み、アナログ-デジタル変換、蓄積を行う部分のみを備え、表示部はPCに依存します。コンパクトな形状で携帯性に優れ、測定データをPCで解析できますが、直感的な操作性は劣ります。

特徴と用途

オシロスコープは、電気機器の故障個所の特定、新しい回路の動作検証、ソフトウェア技術者のデバッグなど、様々な用途で利用されています。

使用例

電気機器の故障個所の特定：回路図とオシロスコープを用いて、信号の流れを追跡し、故障箇所を特定します。
新しい回路の動作検証：設計した回路の電圧レベルやノイズなどを確認します。
ソフトウェア技術者のデバッグ：電子機器のソフトウェアが正しく動作しているかを確認します。

説明

オシロスコープの基本的な操作は、水平軸（時間軸）と垂直軸（電圧軸）を設定し、信号をトリガーすることです。トリガー機能は、波形を安定して表示するために重要です。オシロスコープには、様々なトリガーモードが用意されています。

トリガーの種類

外部トリガ：外部からのパルスでトリガーします。
エッジトリガ：入力信号が、ある電圧レベルを横切ったときにトリガーします。
ビデオトリガ：ビデオ信号の同期パルスでトリガーします。
遅延トリガ：エッジトリガから一定時間遅れてトリガーします。

使い方のヒント

オシロスコープを使い慣れていない場合、最初に「リセットオプション」や「オートセットアップ」機能を試してみましょう。また、プローブの調整も重要です。プローブの容量が適切でないと、波形が歪んで表示されることがあります。

選択法

オシロスコープを選ぶ際には、帯域幅、サンプリング速度、トリガー機能などを考慮する必要があります。汎用オシロスコープでは、少なくとも100MHzの帯域幅が必要です。また、デジタルストレージオシロスコープでは、エイリアシングに注意し、適切なサンプリング周波数を設定する必要があります。

まとめ

オシロスコープは、電気信号の観測、解析に不可欠な計測器です。アナログ式からデジタル式へと進化し、現在では幅広い分野で活用されています。この記事が、オシロスコープの理解と活用の一助となれば幸いです。

参考文献

『ディジタル・オシロスコープ活用ノート (トランジスタ技術SPECIAL forフレッシャーズ)』 トランジスタ技術SPECIAL編集部、CQ出版社、2008年
『オシロスコープ入門講座―これから学ぶ人のための基本理論から最新技術まで』 小沢 智・長浜 龍・佐藤健治、電波新聞社、2005年
『電気に弱い人にもわかるオシロスコープ入門―2現象オシロスコープの簡単操作ガイドブック』 田中新治、CQ出版社、2000年
『これから始める人の新オシロ・ロジアナ入門講座』 電子計測技術教育研究会、電波新聞社、1996年
『新・オシロスコープ測定技術のすべて―ディジタル マイコン回路から高速・広帯域回路まで / C&E TUTORIALシリーズ』 高橋 徹 編著、CQ出版社、1991年
『2現象を中心としたオシロスコープ活用法』 （株）ケンウッド計測機器事業部、CQ出版社、1983年
『シンクロスコープ技術 使い方と波形観測法（第2版）』 長谷川英一、オーム社、1982年
『オシロスコープ利用技術』 古市喜教、オーム社、1980年
『これでわかったシンクロスコープの取扱い方』 宮本善博、啓学出版、1974年

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