オシロスコープの基礎

目次

オシロスコープ基本性能

  1.   オシロスコープとは
  2.   周波数帯域
  3.   垂直分解能
  4.   サンプリングレート
  5.   ディジタルオシロスコープの基本性能のまとめ
  6.   トリガ機能について
  7.   波形観測に便利な機能

 

オシロスコープの基本操作(使い方)

  1.   フロントパネルと画面の見方
  2.   垂直軸(電圧)設定
  3.   水平軸(時間)設定
  4.   トリガ機能
  5.   解析機能
  6.   データ保存とプリントアウト

 

オシロスコープ基本性能

1.  オシロスコープとは

オシロスコープは、目に見えない電気信号(電圧変動)を画面に表示し、観測可能にする装置です。
画面には時間の経過に伴う電圧の変化が表示されます。

オシロスコープ

 

【オシロスコープの主な使用目的】

これら各目的において便利な機能が搭載されています。

①電圧(電流、他)の大きさを測定したい
②信号の立ち上がりの様子を観測したい
③信号の周期・周波数を観測したい
④複数の信号とのタイミング(時間差など)を測定したい
⑤たまにしか出ない異常な信号(ノイズなど)を観測したい
⑥複数の信号を測定し演算したい(電圧、電流から電力を演算する等)
⑦シリアル信号からパターン解析をしたい(I2C、SPI、UART、CAN、LIN等)

【オシロスコープと他の電圧測定器】

オシロスコープと他の電圧測定器

 

2.  周波数帯域

【ディジタルオシロスコープの基本性能】

入力チャネル数

  • いくつの信号を同時に観測することができるか

周波数帯域

  • どこまで高速な信号を測定できるか
    ⇒信号に含まれる「周波数成分」をどこまで測定できるか
    ⇒パルス測定の性能にも影響

最高サンプルレート(周波数)

  • 時間軸上で、どれくらいの頻度(もしくは時間間隔)で信号をディジタル変換することができるか

最大レコード(メモリ)長

  • デジタル変換データをいかに多く記憶することができるか
    ⇒上記サンプルレートの性能を活かす上で重要
DLM3000

入力チャネル数

4ch(3ch+8bit)

周波数帯域

500MHz

最高サンプルレート

2.5GS/s

最大レコード長

500MHz

A/D(垂直)分解能

8bit

 

【周波数帯域(時間軸上で見た場合)】

「周波数帯域:500MHz」のオシロスコープで、正弦波(サイン波)を測定したとき、信号の周波数がちょうど500MHzである場合はどうなるか?

周波数帯域

実際には、信号の振幅が0.7Vp-pで30%程度減少して表示されます。
これは、基本的には正しい測定ではありません。
オシロスコープのメーカーは、一般的に周波数帯域とうたっていますが、-3dB落ちるポイントを性能機能としてうたっているので、帯域に余裕をもって選定することが大切です。

 

オシロスコープに一定電圧の振幅の正弦波を入力した状態で、周波数を上げていくと、ある周波数を超えたところから振幅が徐々に減衰します。

減衰量

※ オシロスコープの周波数帯域は3dB減衰する周波数で定義されています。

 

【立ち上がり時間】

オシロスコープの『立ち上がり時間』

観測される波形にはオシロスコープ自身の『立ち上がり時間』の影響が含まれています。
この立ち上がり時間は以下の式で求めることができます。

立ち上がり時間 Tº=350/ƒ(ns)
350:ガウシアンとく線のロウロウフリツからきている係数
ƒ:周波数帯域(ƒMHz)

右図では、Max/Minに対して、10%-90%の値の時間が立ち上がり時間となります。

立ち上がり時間
 

オシロスコープで観測したパルス信号の立ち上がり時間は、

表示される立上り時間

信号の立上り時間に対して測定の立上り時間が十分に速い場合は真値を表示していると考えて問題ないですが、測定系の立上り時間(帯域)に余裕が無い場合は注意が必要です。

信号の真の立上り時間

 

【基本波と高調波】

周期波形の「正弦波」への分解

ある周期Tの繰り返し信号は、周期Tと周期T/n(n=2,3,…∞)の正弦波に分解できます(フーリエ級数)。
このとき、周期Tの正弦波のことを信号の「基本波」、周期T/nの正弦波を「高調波(n次高調波)」と呼びます。

周期波形の「正弦波」への分解

方形波、三角波などの様々な波形も、実際には正弦波(基本波+高調波)の組み合わせで構成されています。
その一方でオシロスコープに限らず、測定器のアナログ周波数帯域は基本波だけから成る、ひずみのない波形=「正弦波」で規定されています。
高調波成分がない波形を測定する場合は、オシロスコープの帯域を信じてください。

※ オシロスコープで正弦波以外の波形を測定する場合、基本波だけでなく、高調波成分を含めて考えることが必要です。

 

【パルス波形に含まれる周波数成分】

パルス波の周波数成分
パルス波も、基本波と高調波とに分解できます。
繰返し周期1MHzのパルス波は、1MHz, 3MHz, 5MHz, … ,∞Hzの正弦波の組み合わせで表現できます。

パルス波形に含まれる周波数成分

 

3次、5次、7次には、立ち上がり時間や立ち下がり時間のオーバーシュート、アンダーシュート、リンギングの高調波が含まれます。
オシロスコープの周波数帯域が基本波成分をカバーするだけでは、高調波成分が減衰してしまい、パルス波形などを正しく測定できません。
※ 理想的には無限に高い周波数帯域が必要ですが、現実的にはパルス波の基本波周波数の5倍程度の帯域が必要とされています。

 

【周波数帯域の違いによる波形への影響】

実際に繰り返し周波数1MHzのパルスを異なる周波数帯域で測定した場合

周波数帯域の違いによる波形への影響

測定信号に対し、オシロスコープの周波数帯域が十分に高い必要があります。

 

3.  垂直分解能

【ディジタルオシロスコープの基本構成と信号の流れ】

ブロック図

ブロック図

 

【A/Dコンバータの動作】

A/Dコンバータの動作

量子化とは、特定のブロックでサンプリングして得られた信号をbit数のデータに置き換える作業のことを表します。
量子化をする縦軸はADコンバータの分解能、横軸はサンプリングスピードで決まるため、デジタル出力は連続的な値ではなく離散的な値となります。
サンプリングスピードは変換するアナログ信号に対して十分に高速でないと正しい波形を再現できません。

 

【垂直分解能】

垂直分解能

オシロスコープの縦軸は8divフルスケールとなります。
1V/divで測定していた場合、8bitのオシロスコープでは、分解能を電圧に換算すると1V/div×8div÷256で、1bit当たりの分解能は約31mVとなります。
つまり、縦軸分解能が多ければ多いほど細かい分解能で信号観測が可能となります。

 

【DLM3000の垂直分解能】

垂直分解能と有効データ範囲
DLM3000の垂直分解能は8bitですが、有効データ範囲は250LSB(25LSB×±5div)となります。
このうち画面表示が可能なのは±4divです。

垂直分解能と有効データ範囲

オシロスコープを使うときは、できる限り電圧をフルスケール近くで使用することがお勧めです。

 

オーバーレンジについて
画面外に1div分の測定可能範囲がありますが、範囲を超えた場合には正しい測定ができません。
測定の際には、画面表示範囲内に波形が納まるようにしてください。

オーバーレンジ

 

オーバードライブの影響
波形が測定可能範囲を超えた状態のことをオーバードライブと呼びます。
オーバードライブが発生すると測定範囲内の波形にも影響が出るため、正しい測定ができません。
弊社のオシロスコープは、オーバードライブリカバリーという機能である程度ひずみを抑制してくれる回路が備わっています。
DLM2000は、数十nsで、正しい波形の1%以内はカバーできる回路が備わっていて、DLM3000は、オーバードライブしない領域がDLM2000の1.5倍広いです。
500mVで±15Vまではオーバードライブしない回路ですが、オーバードライブを避けて波形をはかっていただくことをお勧めします。

オーバードライブの影響

 

4.  サンプリングレート

サンプリングレートとは
A/D変換する際に時間軸上でどれくらい細かく信号を観測することができるかを1秒間当たりのA/D変換(サンプリング)する速度を S/s(Sample/Second)で示します。

サンプリングレート

 

サンプリングレートが重要な理由

サンプリングレートが重要な理由

※ データ数がアクイジションメモリ(レコード長)です。

 

【サンプリングレートとレコード長】

レコード長が重要な理由

レコード長が重要な理由

※ 測定時間に対し十分に大きなレコード長がなければ高速サンプリングで測定できません。

 

【エリアシング現象】

サンプリングレートが不足している場合にオシロ画面上に元波形とは異なった波形が再現されることがあります。
この現象をエリアシング(Aliasing)といいます。

エリアシング現象

入力信号を再現させるには、少なくとも被測定波形の2倍以上の速さでサンプリングする必要があります(サンプリング定理)。

 

5.  ディジタルオシロスコープの基本性能のまとめ

一般的に信号測定に必要とされるオシロスコープの仕様

  • 周波数帯域:測定信号の基本周波数の5倍以上
    (5次高調波は程度まではパルス再生に必要)
  • サンプルレート:サンプリング定理により、観測周波数の2倍以上のサンプリングレートが必要です。
    5次高調波を再生するには、基本周波数の10倍以上のサンプリングレートが必要です。
  • レコード長:サンプリングレート × 測定時間 = レコード長

※ 観測時間が長めの場合、エリアシングや補間によるオーバーシュートなど好ましくない現象が起きやすくなるため、信号に対して十分なサンプルレートを確保することが重要です。
時間軸変更時はサンプリングレートの変化にも注意し、レコード長を調整してください。

 

6.  トリガ機能について

トリガ機能とは

  • 波形を捕捉する条件、波形を表示する地点を決める機能です。
  • トリガ条件を設定することを「トリガをかける」、その条件が成立し波形を表示する状態になることを「トリガがかかる」と呼びます。
  • トリガの対象にする信号をトリガソース、トリガ条件が成立した時点をトリガ点(トリガポジション)と呼びます。

トリガ機能について

 

【拡張トリガ】

エッジトリガでだけは狙った波形をうまく捉えられない場合があります。

パターントリガの例

パターントリガの例

エンハントリガ

 

7.  波形観測に便利な機能

カーソル機能

  • 表示されている波形にカーソルを当てて、カーソル位置の測定値を表示します。

カーソル機能

 

波形パラメータ自動測定機能

  • 計測した波形の最大値/最小値/周波数などのパラメータを自動測定します。

波形パラメータ自動測定機能

 

波形演算機能

  • チャンネルの波形の四則演算やフィルタ演算、FFTなどの演算を行います。

波形演算機能

 

各種解析機能

  • 計測したシリアルバスの信号からデータのデコード表示を行ったり、計測した電圧・電流値から電力の測定をするなどのオプション解析機能も搭載可能です。

各種解析機能

 

オシロスコープの基本操作(使い方)

1.  フロントパネルと画面の見方

【フロントパネル】

フロントパネル

タッチパネルとノブで同じ操作が可能です。

 

【画面から情報を読み取る】

画面の見方

  • 垂直軸:
    垂直軸は8分割されています。
    その単位はグリッド1つ(1div)に対する電圧値(V/div)で大きさが表示されます。

    画面左端中央にグランドマーク(①)が表示されています。この地点が0Vを示しています。
     
  • 水平軸:
    水平軸は10分割されています。
    その単位はグリッド1つ(1div)に対する時間(s/div)で大きさが表示されます。

このグリッドを使って波形の様子を読み取ります。

画面の見方

 

2.  垂直軸(電圧)設定

垂直軸(電圧)設定

電圧軸感度(V/div)は「SCALE」ノブで、垂直ポジション(表示位置)は「POSITION」ノブで設定します。

  • SCALEノブを押すと通常より細かな電圧軸感度(FINE)での設定が出来ます。
  • POSITIONノブを押すと、設定値が0DIVに戻ります。
  • 画面左上のチャネル設定表示エリアに各チャネルの電圧軸設定内容が表示されます。
  • ストップ中もV/divやPOSITIONの設定変更は有効ですので、次のスタート後の波形イメージが容易です。
 

【入力チャネル設定】

入力チャネルメニューには、入力カップリングやフィルタ、プローブ減衰比などの設定機能が用意されています。

入力チャネル設定

 

【入力カップリング:AC】

  • 入力信号の直流(DC)を含む低域成分がカットされ、交流(AC)成分だけが観測されます。
  • DC電源のリップルノイズなど、AC成分を詳細に観測したい場合に使用します。

入力カップリング:AC

 

【入力抵抗(インピーダンス):1MΩ/50Ω】

  • 標準のパッシブプローブを使用する場合には、1MΩ入力を使用します。
  • 50Ω伝送の高速信号やアクティブプローブ
    (電源供給の必要なプローブ:高速、差動)を使用する場合には50Ω入力を使用します。

パッシブプローブ 701937

電源供給を必要としないプローブ

該当するプローブが1MΩ、50Ωどちらに適応するかは、
プローブのカタログやマニュアルに記載されています。
プローブに合った入力インピーダンスを設定してください。

FETプローブ 700939

差動プローブ 701922

電源供給の必要なプローブ

 

3.  水平軸(時間)設定

時間軸は「TIME/DIV」ノブと「POSITION」ノブで設定します。

  • 時間軸の変更でサンプリング速度も自動的に変更します。
  • サンプリング速度は画面右上に表示されます。
  • トリガポジションは専用ノブで変更します。ノブを押すとポジションが中央(50%)に戻ります。
  • ストップ後もキーは有効です。次のスタート後の波形イメージが容易です。

水平軸(時間)設定

 

4.  トリガ機能

トリガ機能により波形をどのタイミングで止めて表示するか設定します。

  • トリガソースの設定:トリガの信号源を選択します。
  • エッジトリガレベルの設定:トリガ検出レベルを設定します。
  • トリガスロープの選択:トリガ検出の極性(立上り/立下り)を選択します。

トリガポジション

 

エッジORトリガ

エッジORトリガ

 

パターントリガ

パターントリガ

 

パルス幅トリガ

パルス幅トリガ

 

立ち上り/立ち下り時間トリガ

立ち上り/立ち下り時間トリガ

 

ラントトリガ

ラントトリガ

 

タイムアウトトリガ

タイムアウトトリガ

 

ウィンドウトリガ(ウィンドウORトリガ)

ウィンドウトリガ(ウィンドウORトリガ)

 

インターバルトリガ

インターバルトリガ

 

【トリガモード】

表示波形を更新する条件を設定します。トリガモードには、次の5種類があります。

トリガモード

 

5.  解析機能

【アクイジションモード】

サンプリングした波形データを画面表示する時に、所定のデータ処理を施して表示することができます。
この処理をアクイジションモードと呼び、次の3種類があります。

アクイジションモード

 

【カーソル機能】

カーソルを表示させ、波形の各種測定値を読み取ります。

カーソル機能

 

【波形パラメータ自動測定機能(メジャー機能)】

波形パラメータ自動測定機能(メジャー機能)

 

軸に関する測定項目

 

6.  データ保存とプリントアウト

【データ保存】

オシロスコープでは取得したデータを保存できます。(DLM3000)

  • 波形データ
  • 設定データ
  • 画面イメージ
  • 波形ゾーン
  • スナップショット波形データ
  • 波形パラメータの自動測定結果
  • シリアルバスの解析結果
  • FFTの演算結果
  • ヒストグラム
  • ヒストリリスト(タイムスタンプ一覧)
データ保存
 

データの保存/ 読み込み先は次の3種類です。(DLM3000)

  • 内部メモリ(Flash_Mem)
    本機器に内蔵されている内部メモリです。
    標準の容量は300MB、/C8 オプション(SSD)付きモデルでは60GBです。
  • USB ストレージ(USB/USB1)
    本機器のUSB ポートに接続したUSB ストレージです。
    USB2.0 に対応したUSB Mass Storage Class Ver. 1.1 準拠のマスストレージデバイスを接続できます。
  • ネットドライブ(Network)
    ネットワーク上のストレージです。
    イーサネットオプションを装着している場合に、本機器をイーサネット経由でネットワークに接続して使用します。
 

【画面データの保存・プリントアウト】

データの保存

画面イメージを電子データ保存或いはプリントアウトできます。
このボタンを押した際の動作設定は、「MENU」キーで行います。

データのプリントアウト

電子データ保存

モード:

Hardcopy、Normal、Wide

保存形式:

PNG、BMP、JPEG

カラー:

OFF、ON、ON(Rev.)、ON(Gray)

サムネイル表示:

画面イメージ及びBinary形式波形データファイル

保存先:

内蔵ストレージ、内蔵フラッシュメモリ、ネットワークドライブ(イーサネットインタフェースオプション搭載時)、USBストレージ

プリントアウト

プリントアウト先:

内蔵プリンタ
USB外付プリンタ
ネットワークプリンタ

 

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オシロスコープ用アクセサリ

信号の周波数やレベルに対応した電圧プローブや電流プローブ、広い温度環境で使用可能なプローブなど、多様化する今日の測定対象を幅広くカバーする豊富なオシロスコープ用アクセサリ群をご用意しており、正確な波形測定をサポートします。

オシロスコープ用ソフトウェア

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オシロスコープ|波形測定器

オシロスコープは、高速な電気信号を波形として表示するエレクトロニクス技術者必須の測定器です。
ユニークな縦型コンパクトモデルや多チャネルモデルのオシロスコープに加え、オシロスコープとデータロガーの機能を兼ね備えたスコープコーダなど、特長ある製品ラインアップをご用意しています。
また、様々な測定に対応する電圧プローブ、電流プローブ、ロジックプローブを取りそろえ、数々の先進機能を搭載し、日々の測定業務を強力に支援します。

スコープコーダ

スコープコーダは、オシロスコープの使い易さと多チャネルデータ収集するデータロガーを融合した統合型計測器です。
スコープコーダ一台で、信号を同時にデータ収録し、オシロスコープと同様のトリガ機能を揃え、データ表示、分析ができ、様々な用途にお使いいただけます。

スコープコーダ用アクセサリ

電圧、絶縁電圧、電流、ディジタル信号、エンコーダ出力、車載ネットワーク通信、ひずみや温度など、幅広い測定対象をカバーするスコープコーダ用アクセサリを豊富にご用意しております。

プローブ

高速信号の観測に最適なアクティブプローブ、各種パッシブプローブ、パワーエレクトロニ クスでのフローティング信号に適した高電圧差動プローブ、高速から大電流まで対応する 電流プローブなど、幅広い測定用途をカバーする豊富な製品ラインナップをご用意しています。

 

ロジックプローブ

ミックスドシグナルオシロスコープとスコープコーダ用に、絶縁、非絶縁、高速の各タイプのロジックプローブをご用意しています。

電圧プローブ

電圧プローブを使用して、オシロスコープと被測定回路を接続し、電圧を正確に表示、測定します。様々な測定対象に対応するため、高圧プローブ、絶縁型BNC用プローブ、高電圧差動プローブ、高速差動プローブや広温度環境用、高速信号用などのプローブをご用意しております。

電流プローブ

オシロスコープで電流を測定するためには、電流を電圧に変換する電流プローブが必要になります。大電流用、微小電流用に加え、高速電流用と幅広いラインアップで取り揃え、様々な電流波形測定に対応しています。

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