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オシロスコープの基礎知識

電子機器を設計、製造、修理する技術エンジニアにとって、欠かすことのできない計測器、オシロスコープについて。用途や原理、測定できるもの、使い方などの基礎知識をまとめています。

目次

オシロスコープとは?

オシロスコープとは、電気信号(電圧)の時間経過に対する変動を測ってグラフにし、波形として画面に表示して観測する測定器のこと。通常、目で見ることができない電気信号の変化を、波形として視覚的に確認できます。

オシロスコープの画面では、画面の水平軸(横軸)が時間の経過を、垂直軸(縦軸)が観測する信号の電圧を表しています。一般的に、高周波信号まで観測できるものが多く、波形の分析や高速現象の観測、過度現象の観測など、電気計測の分野で多く用いられています。

オシロスコープを使用することで、電子回路内の信号波形を確認し、きちんと動作しているかを検証したり、故障箇所を突き止めたりできます。このほか、学校の授業における波形観測や、DIYで電子工作した回路の電圧測定などにも用いられています。

目に見えない電気信号の変化を波形として表示できるオシロスコープは、いわば、エンジニアにとっての目でもあり、電子機器を設計、製造、修理する技術者にとって欠かすことのできない計測器であるといえます。

オシロスコープの原理

ブラウン管の電子銃から放出した電子ビームを、前方にある二組の偏向板に加える電圧を加減しながら、水平方向や垂直方向に進路を曲げて、スクリーンに衝突させて波形を描いていきます。

波形を静止させて見やすくすることを「同期」といいますが、同期をとるための方法には「同期掃引方式」「トリガ掃引方式」があります。

同期掃引方式は、掃引用のノコギリ波を発生させて、スクリーンの波形を見ながら周波数を手で調整する方法です。トリガ掃引方式は、観測信号がないときにはノコギリ波が発生せず、信号があるとノコギリ波が自動的に発生してスクリーンに波形を描いていくため、手動で静止させる必要はありません。

オシロスコープで測定できるもの

オシロスコープで測定できる項目は、基本的には以下の3つです。

  • 電圧…交流電圧、直流電圧、微少交流電圧を含む直流電圧を測定する。電圧(V)=振幅(div)×偏向感度(V/div)で求められます。
  • 時間…周期の測定や周波数を測定。時間(s)=距離(div)×掃引時間(s/div)で求められます。
  • リサジュー図形…リサジュー図形は、2つの単振動を合成して得られる平面図形。2つの信号の振幅比較や位相差測定、周波数比などの測定が可能です。例えば振幅比の場合、振幅比=信号Bの最大振幅(div)÷信号Aの最大振幅(div)=X(div)÷Y(div)で求められます。

オシロスコープを使った位相差合わせをしている方必見!

「レゾルバ」の取付けに欠かせない位相計測。オシロスコープを使った 位相差合わせ方法をしている方なら、「オシロスコープをみながらの感覚的な調整ではなく、 位相差の精度をあげたい」「校正証明書がとれるレゾルバ調整機器が欲しい」と思っている方も多いのではないでしょうか。このようなお悩みを抱える方はぜひ、チェックしてみてください。

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オシロスコープの使い方

一般的なオシロスコープの操作方法を紹介します。

  1. 電源スイッチを入れる前に、あらかじめノブやスイッチを基本ポジションにセットしておく。
  2. 電源を入れる
  3. 輝度を上げる
  4. 輝点を出す
  5. 焦点を合わせる
  6. 輝線を水平に修正する
  7. 目盛照明を明るくする
  8. 輝線がスクリーンに表示されたら、信号発生器を準備する
  9. オシロスコープに信号を入力する
  10. 表示された波形を観測しやすい状態に調整する(波形が静止しない場合は、入力電圧を上げるか、TRIGGERING LEVELノブを右または左に少しずつ回して調整する)

アナログオシロスコープとデジタルオシロスコープとは

オシロスコープは、大きく分けて、アナログオシロスコープ、デジタルオシロスコープと2つの種類があります。

アナログオシロスコープ

  • リアルタイムで測定でき、新たな信号を取り込んで表示するまでの時間が速い
  • 信号の明るさによって、同一波形の発生頻度を判断することができる
  • 単発の現象や繰り返し頻度の少ない現象観測には向いていない
  • 観測結果を保存するためには、写真撮影機材などを用いる必要がある
  • 波形を使った解析をすることはできない

デジタルオシロスコープ

  • 単発の減少を補足して表示することができる
  • 観測結果を電子データとして扱うことができるため、簡単に保存できる
  • 波形をデジタルデータとして扱うことができるので、プロセッサを使って解析することができる
  • 信号処理にかかる時間が長いので、相対的に見ると、実際に観測できる時間が短くなってしまう
  • 繰り返し波形における波形の頻度情報が少ない

オシロスコープの波形の種類

オシロスコープの波形には、正弦波、方形波、矩形波、のこぎり波、三角波などの種類があります。それぞれの波形の特徴についてまとめています。

オシロスコープメーカー一覧

オシロスコープを開発・販売している国内外のメーカーを紹介。それぞれのメーカーが取り扱っているオシロスコープの特徴について紹介しています。

プロに聞いてみた!こんな時どうすればいいオシロスコープあるあるQ&A

オシロスコープにまつわる疑問や質問を集めました。オシロスコープの知識豊富なプロが詳しく解説しています。

オシロスコープの基礎用語集

オシロスコープを使いこなすには、性能や構造などを理解することが大切です。そのためにも押さえておきたい、オシロスコープの基礎用語を解説します。

オシロスコープにおけるプローブ

信号の検出とオシロスコープまでの信号伝送を行う機器をプローブといいます。プローブを測定対象物に近づけると物理的信号や電気的信号を検出して、検出された信号を測定器へ送ることで正確な測定値が分かる仕組みです。

オシロスコープにおけるトリガ

オシロスコープのトリガとは何を意味するものなのかだけではなく、数多くあるトリガの種類と役割を紹介します。それぞれのトリガについて概要を把握することで状況に適したトリガが分かり、効率的な環境構築が可能になります。

オシロスコープの選び方

オシロスコープの機能や性能は数々あり、購入する際は測定したい信号や使用状況に応じた選択が必要になります。費用面だけ重視するとチャンネルが足りずに測定できなかったり、逆に機能面を重視しすぎていらぬ機能にお金をかけてしまったりする可能性も。オシロスコープ選びの基本的な考え方や留意したい11のポイントをまとめました。

オシロスコープのリンギング

リンギングとは電子回路内で信号波が反射・振動することによって起こる「さざ波のような電圧・電力出力」のこと。測定のノイズになり、装置の機能低下に繋がることもある現象で、できるだけ発生を抑えるための対策が必要です。

オシロスコープの基本操作

オシロスコープは様々なシステムがあり、測定対象に合わせてうまく設定することで精度の高い計測・分析に繋がります。特に最近のオシロスコープはデジタル化が進み機能が多様化。まずは基本的な操作を押さえるのが測定の効率化の一歩になります。

オシロスコープによるEMIデバッグとは

オシロスコープの活用方法の1つとして、EMIデバッグがあげられます。EMIデバッグは電磁波障害を引き起こしている不要なノイズを除去し、電子機器をEMI規格に準拠させるプロセスのこと。不要なノイズが発生している場所を特定するためのツールとして、オシロスコープが使用されています。

折り返し雑音(エイリアシング)について

折り返し雑音はエイリアシングとも言い、十分な速度で標本化(サンプリング)を行わなかった場合に本来存在しないはずの波形が発生する現象です。折り返し雑音が発生すると正確な測定の妨げになるため、対策が必要になります。

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