3-3 オシロスコープ・波形記憶装置

オシロスコープは,電気信号の時間的な変化を波形として観測するために開発された基本的な電気計測器の一つである。オシロスコープは,1897年に発明された陰極線管(ブラウン管)を用いたアナログ計測器として、ブラウン管の技術進化とともに発展してきた。デジタル技術の台頭によりオシロスコープもデジタル化が進み現在ではほとんどがデジタルオシロスコープとなっている。

オシロスコープは,その動作原理から次の3種類に分類することができる。

1) アナログオシロスコープ
2) デジタルオシロスコープ
3) サンプリングオシロスコープ(等価時間サンプリングオシロスコープ)
4) リアルタイムオシロスコープ

これらの4種類のオシロスコープの解説と共に,計測に欠かせないプローブについても記述する。

1 用語の定義

1.1 周波数帯域

オシロスコープでは,波形をいかに正確に再現できるかということが重要である。周波数帯域は,オシロスコープの基本的な特性であり,次のように定義される(図1参照)。 「入力された正弦波信号が,その本来の振幅の70.7 %(1/√2)(-3 dBポイントと呼ばれている)まで減衰する周波数」

図1 オシロスコープの周波数帯域1)

200MHzの1Vのサイン波を200MHzのオシロスコープで観測した場合、表示される信号の振幅は707mVとなり、測定誤差が30%近くになる。3%の精度で観測する場合、正確な振幅測定を行うためには,測定信号に含まれる最も高い周波数成分に対して,5倍の周波数帯域をもつオシロスコープを使用することが望ましい(5倍ルール)。

5倍ルールに従って測定すると,振幅誤差は2 %程度に抑えることができる。

1.2 立ち上がり時間

高速な信号のトランジションを正確に補えるためには,オシロスコープは高速な立ち上がり時間が必要である。
立ち上がり時間は,図2に示されるように,理想的なパルス波形を入力したときに観察される信号が,最大振幅の10 %から90 %になるまでの時間である。

図2 立ち上がり時間の定義2)

周波数帯域と立ち上がり時間との間には,次式に示される関係がある。 

周波数帯域(MHz)=k/立ち上がり時間(nsec)

定数kの値は,0.35から0.45の間であり,オシロスコープの周波数特性曲線とパルス応答特性によって変化する。 入力信号の立ち上がり時間は,次式から計算することができる。 

信号の立ち上がり時間=√[(観測される立ち上がり時間)2-(オシロスコープの立ち上がり時間)2

1.3 サンプルレート

時間軸方向のサンプリングの頻度を表す単位で,1秒間のサンプル数(S/s)で示される。 信号を正確に再現するためには,信号がもつ最高周波数成分の少なくとも2倍の周波数が必要である(ナイキストの定理)。ナイキストの定理は,無限のサンプル数と連続した波形に対する定理なので,実際の適用では更に高いサンプルレートが必要となる。

1.4 波形取込レート

サンプルレートがサンプリングの頻度を示すのに対し,波形取込レートは,オシロスコープの波形取込頻度を表し,1秒間当たりの波形数(wfms/s,Waveforms per second)で示される。 高速の波形取込レートを備えるオシロスコープでは,信号特性は見やすくなり,信号に含まれる一過性の異常を捕らえる可能性が高くなる。

1.5 レコード長

レコード長は,1波形レコードを構成するポイント数で表され,チャネルごとに取込可能なデータ量を示す。波形の取り込みに必要な時間は,レコード長とサンプルレートによって次のように求められる。

波形取込時間=レコード長/サンプルレート

1.6 垂直軸分解能

デジタルオシロスコープの垂直軸分解能は,どれだけ正確に入力電圧をデジタル値に変換できるかを表し,A/Dコンバータのビット数で垂直軸分解能が決まる。 例えば,8ビットのA/Dコンバータでは256に,12ビットのA/Dコンバータでは4 096にフルスケールが分解される。分解能が高いほど元の波形を忠実に再現することができる。 サンプルレートに比べてA/Dコンバータのサンプリング速度が速い場合には,複数のサンプルポイントを平均して一つの波形ポイントとし,分解能を上げることがある。

2 アナログオシロスコープ

アナログオシロスコープは,信号の変化をCRT(陰極線管)管面上に表示させることによって波形を観測する装置である。CRTの裏面には蛍光体がコーティングされており,電子ビームを当てて蛍光体を発光させ信号を可視化させる。

電子ビームは,入力信号の大きさに応じて上下し,時間と共に水平方向に移動してCRT管面上に描画するペンの役割を果たす。管面上で電子ビームの当たる部分は他の部分よりも明るく表示され,電子ビームの軌跡が記録される。
アナログオシロスコープの動作原理を図3に示す。

図3 アナログオシロスコープの構成

入力信号は,プローブを通して増幅回路に送られ,適当な信号レベルに変換される。この信号は,遅延線及び垂直増幅器を経てCRTの垂直偏向板に加えられ,CRT内の電子ビームを上下方向に移動させる。 一方,入力信号はトリガシステムにも導かれる。トリガレベルを横切った際に生成されるトリガパルスによって,水平回路はのこぎり波が発生する。のこぎり波は,水平増幅器を通してCRTの水平偏光板を駆動して,電子ビームの水平方向の掃引を行う。 CRT管面上には,水平方向に一定速度で移動する電子ビームが,信号の大きさに比例して上下方向に振られながら描く軌跡が表示され,時間と共に変化する電気信号が観測されることになる。 トリガは,繰り返し信号を安定に表示させるために必要な機能で,繰り返し信号の同じポイントから掃引を開始させる。 アナログオシロスコープの周波数帯域は,CRTによって制限を受ける。ゆっくりと変化する信号では,信号の変化を一つの波形として管面上に捕らえることが困難になる。 高い周波数では,CRTのライティングスピードが問題となってくる。周波数が非常に高くなるとCRT上の輝線が暗くなってしまい見えなくなる。

アナログオシロスコープの特徴は,次のようにまとめることができる。

長所

1) リアルタイム性に優れている。
2) 管面上の波形の明るさから,信号の頻度情報を得ることができる。

短所

1) 単発や繰り返し頻度の少ない現象に不向きである。
2) 観測結果の保存が難しい。
3) 波形を解析することができない。

アナログストレージオシロスコープは,アナログオシロスコープの機能に加え,高速な信号の観測と波形の記録を可能にしたものである。電子ビームで管面上に描かれた波形情報を,CCD(Charge Coupled Device)で直接読み取ることによって,高速の単発現象を捕そく(捉)することが可能となっている。CCDで読み取られた信号は,A/D変換されて表示デバイスに送られる。

3 デジタルオシロスコープ

アナログオシロスコープが化学的蛍光体を用いて波形を記憶しているのに対し,デジタルオシロスコープは電気的な手段で波形を記憶する。デジタルオシロスコープは,A/Dコンバータを用いて測定した電圧をデジタルデータに変換し,メモリに記憶させた後,画面上に波形として表示する。デジタルオシロスコープの主要な要素を図4に示す。

デジタルオシロスコープの入力部分には,アナログオシロスコープと同様の垂直回路及びトリガシステムが用いられる。前段で適切な信号に変換された後,A/Dコンバータが離散的な時間間隔で信号をサンプルし,デジタル値に変換する。これらのポイントにおける信号電圧のデジタル値をサンプルポイントと呼ぶ。サンプリング間隔のことをサンプルレートと呼び,サンプル数/秒(S/s)の単位で表す。

サンプルポイントは,波形ポイントとして波形取込メモリに保存される。複数の波形ポイントから波形レコードは構成される。一つの波形レコード中の波形ポイント数をレコード長と呼ぶ。レコードの開始点と終了点はトリガ回路によって定められる。

マイクロプロセッサはメモリに書き込まれた波形レコードを読み出し,信号処理,表示の制御を行う。信号は表示用メモリを通してオシロスコープの画面に表示される。

図4 デジタルオシロスコープの構成

デジタルオシロスコープは,マイクロプロセッサの処理が入ることにより,データ処理の追加,トリガ点以前に起きた現象の観測,パラメータの自動測定等の機能追加が可能となった。反面,マイクロプロセッサの処理時間が必要なため,波形更新レートに制約を受ける。

デジタルオシロスコープの特徴は,次のようにまとめることができる。

長所

1) 単発や繰り返し頻度の少ない現象でも捕そく(捉)できる。
2) 観測結果の保存が容易であり,電子化が可能である。
3) オシロスコープ本体又はパソコンを使って,観測されたデジタルデータを容易に解析することができる。

短所

1) 全現象に対し,観測できる時間が限定される。デッドタイムが大きい。
2) 表示波形に頻度情報がない。

このように,デジタルオシロスコープとアナログオシロスコープとを比較すると,長所と短所は補完関係にあることがわかる。 デジタルオシロスコープは,信号の取り込み,表示,解析をシリアルに処理しているが,これらの処理を並列に処理することによって,波形の更新時間を短縮し,デジタルオシロスコープの短所を克服しているものもある。

サンプリングの手法は,リアルタイムサンプリングと等価時間サンプリングに大別される。

3.1 リアルタイムサンプリング

リアルタイムサンプリングは,1回の掃引で波形レコードを得るためのサンプリング手法である。

図5に示すように,波形の時間的変化に対して十分に早いサンプルレートでサンプリングすることによって,正確な波形を構成することができる。リアルタイムサンプリングによって,繰り返しのない単発現象を捕そく(捉)することが可能である。

図5 リアルタイムサンプリング手法1)

3.2 等価時間サンプリング

等価時間サンプリングは,反復性のある信号を捕そく(捉)するのに使われる手法で,1回ごとの掃引で少しずつ情報を捕そく(捉)し,複数回の掃引によって波形レコードを得るものである。 図6に示すように,1回ごとの掃引で捕そく(捉)するサンプルポイントは波形を捕らえるのに十分な情報ではないが,複数回の掃引でのサンプルポイントを加えると波形を正確に捕そく(捉)することができる。

図6 等価時間サンプリング手法1)

等価時間サンプリングの手法には,ランダム等価時間サンプリングとシーケンシャル等価時間サンプリングの2種類がある。

ランダム等価時間サンプリングでは,サンプリング用の内部クロックは入力信号や入力トリガとは非同期で動作する。サンプルはランダムに取得され,時間関係が記憶される。オシロスコープに表示されるときは,記憶された時間関係に従って波形が作られる。ランダム等価時間サンプリングは,トリガポイントよりも前の入力信号を表示できるという特長を持つ。

シーケンシャル等価時間サンプリングでは,トリガに同期して一つのサンプルが取得され,次のトリガでは短い遅延時間を加えてサンプルが取得される。このように時間をずらしながらサンプリングを繰り返して全体の波形を捕そく(捉)していく。シーケンシャル等価時間サンプリングは,ランダム等価時間サンプリングに比べて高い時間分解能と確度を得ることができる。

4 サンプリングオシロスコープ(等価時間サンプリングオシロスコープ)

サンプリングオシロスコープは等価時間サンプリングのみに対応する、広帯域化を実現するために前段のアッテネータと増幅回路を設けずに,高速信号の測定に特化したオシロスコープである。 サンプリングオシロスコープは,サンプル点をずらしながら複数回のサンプリングを行う等価時間サンプリングを用いることによってサンプルレートの高速化を実現している。 サンプリングオシロスコープは,広い周波数帯域のトレードオフとして,次のような制約を持つ。

1) ダイナミックレンジが制限される。
2) 入力に保護回路が付けられないので,取扱いに細心の注意が必要である。

5 リアルタイムオシロスコープ

リアルタイムオシロスコープの持つリアルタイムサンプリングは,1 回の掃引で波形レコードを得るためのサンプリング手法である。図 5 に示すように,波形の時間的変化に対して十分に早いサンプルレートでサンプリングすることによって,正確な波形を構成することができる。リアルタイムサンプリングによって,繰り返しのない単発現象を捕そく(捉)することが可能である。リアルタイムオシロスコープの多くは等価時間サンプリングにも対応しており、繰り返し信号をより高い時間分解能で測定することもできる。

6 測定用プローブ

プローブは,信号源とオシロスコープとを電気的に接続するものであり,オシロスコープを用いた測定には不可欠である。プローブは,測定システムが信号を正確に再現できるか,オシロスコープの性能が引き出されるか,を左右する最重要なコンポーネントである。

プローブは,次の要件を満たすことが理想である。

1) 接続が容易であること。
2) 信号が忠実に維持されること。
3) 信号源に負荷がかからないこと。
4) ノイズの影響を受けないこと。

このような理想的条件を満たすことは,現実には不可能であり,用途に合わせて最適なプローブを選択することになる。

6.1 電圧プローブ

電圧を測るための,最も標準的なプローブである。受動形と能動形とに大別される。

6.1.1 受動電圧プローブ

受動電圧プローブは,トランジスタや増幅器のような能動素子をもたないため,電力の供給は不要である。ワイヤ,コネクタ,抵抗,コンデンサといった基本的な素子で構成されるため,堅牢で経済的なプローブといえる。最も一般的に使用されるプローブであり,次のような特長をもつ。

1) 安価である。
2) 機械的に強固である。
3) 広い電圧範囲に対応している(±400 V程度まで)。

受動電圧プローブは,測定する電圧範囲に合わせて,1:1,10:1,100:1などの減衰比をもつものがある。10:1受動電圧プローブが最も多用されている。

受動電圧プローブには,更に高い電圧を測定するために,「高電圧受動プローブ」と呼ばれる高い減衰比をもったプローブがある。

6.1.2 能動電圧プローブ

能動電圧プローブはアクティブプローブとも呼ばれ、電界効果トランジスタ(FET)などの能動素子を内蔵している。アクティブプローブでは,入力容量が小さくなるため広い周波数帯域で入力インピーダンスが高くなり,プローブの周波数帯域が広くなる。さらに,測定回路のプローブによる負荷の影響を小さくすることができる。

アクティブプローブは,このような利点をもつ反面,測定できる電圧範囲が制限される。受動電圧プローブが±400 V程度までの電圧範囲に対応しているのに対し,アクティブプローブは,±10 V程度(最大耐電圧 ±40 V)であり,使用に際して細心の注意が必要である。

能動電圧プローブには,差動能動電圧プローブがある。差動能動電圧プローブは単に差動プローブとも呼ばれる。差動信号とは,グラウンドを基準とする信号ではなく,2点間の差の信号である。差動信号を測定するのに,差動増幅器を使った差動能動電圧プローブを用いることができる。差動能動電圧プローブを用いることによって,広い周波数帯域において,同相ノイズを低減できる。

6.2 電流プローブ

電流波形を観測するとき,通常は回路に流れる電流を電圧に変換する。電流を電圧に変換するのに,シャント抵抗,ホール素子,検出用コイル等を用いる。

電流プローブは,先端の形状によって,コア貫通形とクランプ形の2種類に分かれる。コア貫通形は,回路を切断してプローブのコアに被測定ケーブルを通して測定する方式で,広い周波数帯域が得られる。クランプ形は,プローブ先端に被測定ケーブルを挟んで手軽に電流を測定する方式である。

コアに検出用コイルとホール素子を併用し,DCから低周波成分をホール素子で検出し,高周波成分をコイルで検出することによって,DCから高周波まで測定できるプローブもある。

電流プローブの測定原理について次に述べる。

6.2.1 電磁誘導を用いる方法

導線に電流が流れると導体の周囲には磁界が発生する。電流が変化すると磁界も変化する。磁界が変動する場に置かれた導体に電位差(電圧)が生じる(ファラデーの電磁誘導の法則)。電磁誘導を用いた電流プローブは,励起される電圧から電流を測定するものである。プローブは,測定された電圧から既知の比率で電流の値が得られるように設計されている。DC電流では磁界の変化は起こらないため,出力電圧が励起されず,測定できない。

6.2.2 ホール素子を用いる方法

ホール効果とは,電流に垂直に磁場をかけると,電流と磁場の両方に直交する方向に起電力が現れる現象をいう。ホール素子は,ホール効果を利用した半導体磁気センサをいう。

DC電流がつくる磁界の中にホール素子を置き,磁界と直角方向に定電流を流すと,磁束と定電流に比例した電圧が発生する。この電圧を測ることによって,DC電流を測定することができる。

6.3 特殊プローブ

電圧プローブ,電流プローブに加えて次のようなプローブがある。

6.3.1 光プローブ

光プローブは,光信号を電気信号に変換してオシロスコープに接続するものである。光通信の普及に伴い,光ファイバを通過する光の波形を測定するニーズが高まっている。 光プローブの光の側では,波長,光コネクタ,ファイバタイプ,光のモードに適合したプローブを選択する必要がある。

6.3.2 ロジックプローブ

波形のアナログ特性ではなくデジタル信号としてのタイミング情報のみが必要な場合はロジックプローブを使用することができる。ロジックプローブは1本で8chや16ch等の多くの入力に対応している。ロジックプローブ用の端子を備えたオシロスコープをMSO(ミックスド・シグナル・オシロスコープ)と呼び、アナログ信号に加えて多チャンネルロジック信号のタイミングを測定することができる。

6.3.3 トランスデューサ

トランスデューサとは,エネルギーを変換する装置をいう。通常,トランスデューサから出力されるエネルギーは,入力されるエネルギーと違った種類のものである。 温度,振動,音響などをトランスデューサによって電気エネルギーに変換し,オシロスコープで観測することができる。

用語に関する注釈

オシロスコープは,その動作原理から一般的には次の4種類に分類することができる。

1) アナログオシロスコープ
2) デジタルオシロスコープ
3) サンプリングオシロスコープ(等価時間サンプリングオシロスコープ)
4) リアルタイムオシロスコープ

輸出貿易管理令ではサンプリングオシロスコープという用語を使っており、等価時間サンプリングオシロスコープと混同しやすい。定義は「リアルタイムサンプリング手法を用いているもののうち......」であり、解釈の中で「等価時間サンプリング方式を用いたものを除く。」と記載し、明確に等価時間サンプリングオシロスコープとリアルタイムオシロスコープを使い分けている。
また、ワッセナーアレンジメントでは「3. A. 2. a. 7. Real-time oscilloscopes」と記載されておりEARと同じでリアルタイムオシロスコープという用語が使われているが、日本の輸出貿易管理令の用語は更新されていない。(2018年12月現在)

参考文献

1) オシロスコープのすべて,日本テクトロニクス,教育資料
2) オシロスコープ入門,講義テキスト,日本テクトロニクス,教育資料
3) 電子計測入門講座,電波新聞社,2006年2月
4) オシロスコープ入門講座,電波新聞社,2005年4月
5) プローブ入門・改訂版,日本テクトロニクス,教育資料
6) プローブ測定技術と活用,日本テクトロニクス,教育資料
7) 各社のHPからの情報
8) デジタルオシロスコープの基礎と概要 TechEyesOnline 第一回第二回*1第三回*1 (*1;閲覧のためにはTechEyesOnline会員登録が必要となります)

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