オシロスコープ

オシロスコープとは？

オシロスコープとは、電気信号が時間と共に変化していく様子を観察するための測定器です。
一般的には測定した結果をオシロスコープに内蔵されたディスプレイ上に縦軸に電圧や電流を、横軸に時間をとったグラフとして表示します。

オシロスコープの動作原理

オシロスコープはプローブと呼ばれる機器を電圧/電流を測定したい場所に接触させることで動作します。

伝統的なアナログオシロスコープの場合、プローブで測定された電圧に対し、その変化を直接ブラウン管に描画していました。プローブで測定された信号をブラウン管の電子ビームに同期させ、スクリーンに衝突させることで波形が描画される仕組みです。

これに対し、現在主流となっているデジタルオシロスコープの場合、プローブによって測定されたアナログ信号である電圧をA-Dコンバータでデジタル化し、プロセッサで処理した上でディスプレイに表示する仕組みです。

オシロスコープの基本構成

テスターとの違い

同じように電圧や電流を測定するために使われるのがテスターです。テスターとオシロスコープの違いは、テスターが出力されている電圧や電流の値を固定値として観測するのに対し、オシロスコープは時間的な変化を観測できる点にあります。

オシロスコープの応用例としてはノイズ解析が挙げられます。電子機器は微弱な電圧/電流変化に弱いものが多く、電気信号にノイズが乗るとそれが原因で誤作動を起こすことも否定できません。テスターの場合は単に電圧/電流が仕様の範囲内かどうかしか確認できませんが、オシロスコープならどのような周期のノイズが乗っているかまで観測でき、ノイズ発生源の特定まで可能です。

ほかにも信号の立ち上がり/立ち下がり時間の測定など、現代の電子機器開発においてなくてはならない測定機器といえます。

ロジックアナライザとの違い

電気信号の時間的変化を測定するための機器としては、ほかにロジックアナライザがあります。こちらはデジタル回路の動作を解析するための測定機器であり、信号を0/1の2値に変換してその時間的変化を表示するためのものです。

オシロスコープは時間的変化を0/1のデジタルではなく、アナログ値として表示できる点がロジックアナライザと異なります。デジタル回路だけでなくアナログ回路をも解析できるため、より多用途に使えるといえるでしょう。

最近はデジタル回路とアナログ回路の協調検証が求められるケースが多く、前述の通りオシロスコープにロジックアナライザの機能が統合された製品も存在します。

スペクトラムアナライザとの違い

電気信号の変化を解析するための測定機器にはほかにスペクトラムアナライザがあります。こちらは電気信号に含まれる周波数成分の分布を表示したり解析したりするためのものです。

このため、オシロスコープで表示される波形の横軸は一般的に時間なのに対し、スペクトラムアナライザでは周波数になります。

高周波数の信号は時間変化の測定が難しいため、スペクトラムアナライザがよく用いられます。たとえば電波などの帯域幅やノイズ、歪みなどの測定がその応用例です。

こちらもオシロスコープにスペクトラムアナライザの機能を統合し、1台でさまざまな解析が可能な製品も存在しています。

オシロスコープの種類

オシロスコープの種類について解説します。

アナログオシロスコープ

オシロスコープには大きく分けて、アナログオシロスコープとデジタルオシロスコープが存在します。
最初に開発されたのはアナログオシロスコープで、測定された電気信号をブラウン管に投影することで波形を描画していました。

ブラウン管の原理図

デジタルオシロスコープ

これに対し現在主流なのはデジタルオシロスコープで、測定信号をデジタル化してデータとして取り込み、プロセッサで処理してディスプレイに表示するのが特徴です。

デジタル・オシロスコープの原理

後述するデータの保存機能などはデジタルオシロスコープならではのものであり、データ解析がやりやすいことから、現在販売されているオシロスコープはほぼすべてデジタル方式となっています。

最近では本体にディスプレイがなく、PCやタブレットを利用して操作するものも存在するなど、その機能は時代とともに進化を続けているといえるでしょう。

デジタルオシロスコープの種類

デジタルオシロスコープも機能によっていくつかの種類に分類できます。

分類の方法は各社さまざまですが、たとえばテクトロニクスの場合、

• デジタル・ストレージ・オシロスコープ（DSO）
• デジタル・フォスファ・オシロスコープ（DPO）
• ミックスド・シグナル・オシロスコープ（MSO）
• ミックスド・ドメイン・オシロスコープ（MDO）
• デジタル・サンプリング・オシロスコープ

の5つに分類しています。

DSOがいわゆる普通のデジタルオシロスコープであるのに対し、DPOは信号の発生頻度に応じて輝度が階調表示され、稀にしか発生しない波形も捉えることが可能です。

MSOはDPOにプロトコル・デコード機能やロジックアナライザの機能が加わったものであり、1つの電子機器内に存在するアナログ部とデジタル部を同時に解析できます。

MDOではさらにMSOにスペクトラムアナライザが統合され、より高度な解析が可能です。

デジタル・サンプリング・オシロスコープは高周波数の信号に特化したオシロスコープであり、高速動作を必要とする回路や光信号の測定で使用されます。

プローブの種類

オシロスコープは本体だけでなく、測定対象に接触させるプローブの種類も豊富です。

プローブは大きく分けて、電圧を測定する電圧プローブと、電流を測定する電流プローブに分けられます。

さらに電圧/電流プローブそれぞれは、周波数帯域が広く入力容量が小さいものの動作電圧範囲が狭くて入力抵抗が低いアクティブプローブと、廉価で耐久性が高いパッシブプローブに分けることが可能です。

価格も大きく異なるため、用途や要求性能に応じたプローブ選びが重要といえるでしょう。

• 
  電圧プローブ
• 
  電流プローブ

オシロスコープのメリット

オシロスコープを利用するメリットについて解説します。

感覚的に電気信号を解析できる

オシロスコープは人間の目には見えない電気信号の変化を可視化します。これにより、人間の優れた感覚に頼った解析が可能です。

たとえば熟練の技術を持つエンジニアであれば、波形を見ただけでノイズの発生源を特定することができます。ノイズの発生源と考えられる場所を1つ1つ確認するよりも格段に効率的な解析が可能です。

また、学校での教育に利用することで、目に見えない電気信号を感覚的に捉えられ、より深く電気信号を理解することができるでしょう。

多用途で使用可能

オシロスコープは電気信号の時間変化を、デジタル/アナログ問わず観測できる測定機器です。このため、オシロスコープ1台あればさまざまな用途に利用できます。

また、ロジックアナライザやスペクトラムアナライザの機能が統合された製品を使えば、複数の機器を使い分ける必要がなくなります。測定をおこなう場所は必ずしも十分なスペースがあるとは限りませんので、1台でさまざまな用途に使える機器を導入すればスペースの有効活用につながるでしょう。

デジタルオシロスコープならデータの保存、比較、解析ができる

デジタルオシロスコープの場合、測定したデータを保存してPCに取り込むことが可能です。これにより、過去データの保存、比較、解析が容易にできます。

信号解析はノウハウが重要であり、過去の重要なデータを残しておくことで将来同じような波形が出現したときに参考にできたり、新しく加わった人材の育成に役立てたりできるでしょう。

活用事例

質問集