最新のオシロスコープのほとんどは、デジタル ストレージ オシロスコープ (DSO) ファミリに属しています。このガイドで紹介されている概念のほとんどは DSO に固有のものです。
オシロスコープとは何ですか？
オシロスコープは、時間の経過とともに電圧を迅速に測定するテストおよび測定機器です。回路内の特定の点の電圧を記録し、電圧 (Y 軸) を時間 (X 軸) の関数として画面に表示します。これは本質的に、データのログ記録とプロット機能を備えた非常に高速な電圧計です (図 1)。
図1： オシロスコープは、特定の時間間隔で電圧を測定し、電圧トレースを時間の関数として記録して表示する高速電圧計と考えることができます。
オシロスコープの重要な特性の 1 つは、電圧を測定および記録できる速度です。仕様書ではこう呼ばれています サンプリングレート。オシロスコープのサンプリング レートは、通常、500 秒間に測定できるポイントの数によって測定されます。たとえば、Moku:Lab のオシロスコープの最大サンプリング レートは 500,000,000 MSa/s です。つまり、106 秒間に 3 億回の測定が行われることになります。 MSa/s は、XNUMX 秒あたりのメガサンプル (XNUMX) を表します。理論的には、機器が測定できる最高周波数はサンプリング周波数の XNUMX/XNUMX に制限されます。これをナイキスト条件と呼びます。ただし、ほとんどの場合、サンプリング レートはオシロスコープの制限要因ではありません。オシロスコープの帯域幅は、アナログ入力が処理できる最高周波数を表します。通常、-XNUMX dB 減衰のカットオフ周波数で表されます。カットオフ周波数を大幅に超える信号は減衰します。サンプリング レートと帯域幅の組み合わせがオシロスコープの仕様を定義します。サンプリング レートは通常、次の値を中心に設計されます。 帯域幅。最新のオシロスコープは、109 秒あたり数百メガ サンプルから数十ギガ サンプル (3) の範囲のサンプリング レートと、数十 MHz から数 GHz の帯域幅を備えています。通常、サンプリング レートと帯域幅が高いほど信号モダリティは向上しますが、それには代償が伴います。経験則として、オシロスコープの帯域幅は、測定する信号の基本周波数より少なくとも 5 ～ XNUMX 倍大きい必要があります。異なる周波数の多数の正弦波で構成される方形波など、急激な立ち上がり/立ち下がりの特徴をキャプチャするには、より広い帯域幅が必要です。
図2： オシロスコープの 2 つの最も重要な仕様は、サンプリング レートと帯域幅です。
入力設定
オシロスコープの基本機能と 2 つの主要な仕様について説明しました。ここで、いくつかの詳細を検討していきます。まずは入力設定です。ほとんどのオシロスコープには 2 つまたは 4 つの入力チャンネルがあります。チャンネルは個別にオン、オフ、および設定できます。入力設定はアナログ フロント エンドの構成方法を変更し、主にディスプレイの Y 軸に影響します。 Moku:Lab のオシロスコープの 3 つの最も重要な入力設定は、垂直スケール (入力範囲)、結合、およびインピーダンスです。
垂直スケール:
スケールは Y 軸の電圧範囲を決定します。デジタルストレージオシロスコープは通常、垂直解像度（全入力範囲を表すために使用できるポイントの数）が限られています。可能であれば、入力範囲全体を使用することをお勧めします。オシロスコープの垂直スケールは通常、入力ゲインに直接関連付けられます。スコープに信号を表示したら、それに応じて垂直スケールを調整して、信号が飽和したり不足したりしていないことを確認します。
カップリング：
入力カップリングによって、信号 (DC および AC) のどの部分が入力を通過するかが決まります。 DC 結合では、DC 成分と AC 成分の両方が入力を通過します。 AC カップリングでは、AC 成分のみが入力を通過できます。これは、大きな DC オフセットに加えて小さな AC 発振を調査する場合に便利です。 AC カップリングのカットオフ周波数は通常、約 50 ～ 60 Hz です。
インピーダンス：
インピーダンスは入力負荷抵抗の抵抗値を決定します。ほとんどのオシロスコープには、50 Ω または 1 MΩ を選択するオプションがあります。選択は信号のソース インピーダンスによって決まります。通常、1 MΩ は入力信号の中断が少ないため電圧を正確に測定するために使用され、50 Ω は高周波での電力を測定し、50 Ω インピーダンスを持つ他のデバイスに接続するために使用されます。
オシロスコープは電気回路との接続にプローブを使用することが多く、通常は 1x または 10x プローブになります。 1x プローブは振幅スケーリングなしで信号を通過しますが、10x プローブは信号を 1/10 でスケーリングする抵抗分圧器を提供します。 Moku:Lab 入力設定で 1x または 10x プローブ タイプを設定することもできるため、ディスプレイはプローブのスケーリングと実際の信号の大きさを正確に反映します。
図3： Moku:Lab のオシロスコープの入力設定。オシロスコープの垂直スケールを調整したり、入力結合を変更したり、入力インピーダンスを変更したりできます。
トリガー機能
トリガ機能は、オシロスコープの最も重要なメカニズムの 10,000 つです。前のセクションで説明したように、オシロスコープのサンプリング レートは数百 MHz ～ 数 GHz です。実際には、その数のデータ ポイントを画面上に連続して表示および保存することは不可能です。そこでトリガー機構が活躍します。データを継続的にキャプチャする代わりに、スコープは「トリガー」された後に一定数のデータ ポイント (つまり 10,000 ポイント) をキャプチャします。トリガーされると、スコープはこれらの 4 ポイントを画面に表示し、次のトリガーを待ちます。オシロスコープが処理できる速度よりも早くトリガ・イベントが発生した場合、オシロスコープが次のトリガの準備ができるまで、これらの中間トリガは無視されます。これは、画面に表示される波形が時間的に連続していない可能性があることを意味します。代わりに、スコープは各トリガー イベントでキャプチャされたこれらの「スナップショット」を継続的に表示します (図 XNUMX)。ほとんどのオシロスコープには「ロール」モードがあり、トリガなしでデータポイントを継続的にキャプチャして表示します。ただし、ロール モードで使用されるサンプリング レートは通常、はるかに遅くなります。
図4： オシロスコープは、トリガー イベントのスナップショットを画面に表示します。トリガーイベントがオシロスコープが処理できる速度よりも速く発生した場合、表示される波形は時間的に連続していません。
トリガー条件：
オシロスコープは通常、入力チャンネルの 1 つの電圧が特定のレベルを超えて上昇または下降するとトリガされます。たとえば、入力 1 の電圧が XNUMX V を超えて上昇したときにオシロスコープをトリガできます。トリガ条件は高度にカスタマイズ可能で、一部のオシロスコープにはより高度なトリガ条件があります。ただし、この入門チュートリアルではそれらについては説明しません。
トリガーモード：
ほとんどのオシロスコープには、「自動」、「ノーマル」、「シングル」という 3 つの異なるトリガ モードがあります。 「自動」モードでは、一定時間が経過してもスコープがトリガー イベントを検出しない場合に「強制」トリガーが発生します。スコープには、トリガー条件が満たされない場合でも、常に最新に取得されたデータが表示されます。 「通常」モードでは、設定されたトリガー条件が満たされた場合にのみスコープがトリガーされます。スコープは、「強制」トリガーを適用するのではなく、常に次のトリガー イベントを待ちます。 「シングル」モードでは、オシロスコープは次のトリガ イベントを待ちます。トリガーされると、画面が一時停止され、そのトリガーでキャプチャされた波形が表示されます。
図5： Moku:Lab のオシロスコープのトリガー設定。オート、ノーマル、シングルトリガーモードから選択できます。また、測定に基づいてトリガー条件をカスタマイズすることもできます。
タイムベース（横スケール）
次に、X 軸について説明します。オシロスコープのタイムベースは、水平軸の動作を制御します。タイムベースを調整することにより、オシロスコープはトレースの長さ（時間単位）と時間分解能のバランスをとる最適なサンプリング レートを自動的に選択します。なぜ常に最大サンプリングレートを使用しないのでしょうか?前述したように、スコープがトリガー イベントごとに保存できるポイントの数は、内部メモリによって制限されます。サンプルサイズが 10,000 ポイントだとします。観察したい信号が 1 Hz で振動している場合、500 MSa/s では、10,000 ポイントで 0.000002 秒のデータが表示されます。このままでは、1 Hz 信号の全体像に近づくことはできません。したがって、X 軸のスケールを調整するときは、サンプリング レートを最適化する必要があります。分析する周波数が低いほど、タイムベースが長くなり、提示されるサンプル間のギャップが広くなります。
DSO のサンプリング レートは有限です。これは、スコープによって取得されたデータ ポイントが実際には時間的に連続していないことを意味します。時間軸を拡大したときに画面上に連続波形を表示するには、さまざまな補間モードを選択できます。線形補間ではアップサンプリングは実行されません。波形を表示するには、連続する点の間に直線を描きます。これは「醜い」ですが、新しいデータポイントを「発明」するものではありません。 SinX/X 補間では、信号の周波数特性が維持されます。ただし、時間領域では、実際には信号に存在しないオーバーシュートまたはアンダーシュートがあるように見えることがあります。ガウス補間は信号を「平滑化」し、周波数情報を犠牲にして信号の時間領域の視覚特性を維持します。
キャプチャしようとしている波形が各トリガー イベントで繰り返される場合、複数のトリガー イベントを平均し、平均された波形を表示すると便利な場合があります。これにより、比較的弱い信号の信号対雑音比が大幅に改善されるはずです。
永続設定を使用すると、指定した数の古い波形 (トリガー イベント) を画面上に保持することができます。時間の経過に伴う波形の変化を観察するのに役立ちます。
図6： Moku:Lab のオシロスコープのタイムベース設定。サンプリング レートは水平スケールによって自動的に決定されます。
高度な機能
次に、オシロスコープに組み込まれている自動化機能のいくつかについて説明します。最新のオシロスコープは、振幅や周波数など、取り込んだ波形のさまざまな特性を測定できます。そのため、画面上で時間間隔を数えて入力波形の周波数を計算する代わりに、オシロスコープに自動的に計算を行わせることができます。ほとんどのオシロスコープには、入力波形の加算、減算、さらには高速フーリエ変換 (FFT) 解析の実行などの演算機能もあります。これらすべての機能を組み合わせることで、最新のオシロスコープは、回路や通信信号などを分析するために研究室で使用できる非常に実用的なツールになります。
図7： Moku:Lab のオシロスコープの演算および測定機能。オレンジ色のトレースは、入力 1 と入力 2 の合計を示します。入力 1 のピークツーピーク測定値とチャンネル 2 の周波数測定値が信号表示領域の下部に表示されます。
このオシロスコープの理解ガイドをお読みいただきありがとうございます。 Moku:Lab アプリは以下からダウンロードできます。 AppleのApp Store デモモードで体験してください。 Moku:Lab のオシロスコープの特定の機能の詳細については、 オシロスコープ ユーザーマニュアル.
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