「オシロスコープの使い方」のご紹介｜「電子工作/修理/メンテナンス」

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今回は、「オシロスコープの使い方」をご紹介します。

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オシロスコープは目に見えない電気の現象を小型の液晶表示器などに目で見えるようにしてくれる測定器で、電子工作を続けていく時にはぜひ揃えたい測定器です。最近はデジタル方式のものもかなり安価になってきましたので機会があればぜひ揃えましょう。

どんなものがよいかといえば、上を見ればきりがないのですが、私たちの電子工作用としては下記のようなレベルで選べば十分実用になります。

最初から最後までアナログ信号のままで増幅して表示するようにしたものがアナログ方式で、通常はブラウン管で表示します。

これに対し、信号を高速でサンプリングしてメモリに保存し、それを液晶表示器などに表示するものがデジタル方式です。いずれにも一長一短あるのですが、最近はデジタル方式の方が安価で高機能になっていますし、使いやすいと思いますのでデジタル方式の方がお勧めです。

表示器に同時に表示できる波形の数を言います。沢山できるに越したことはありませんが、2チャネル以上であれば問題ないでしょう。

どれくらいの周波数まで波形として観測できるかという性能です。これも上をみればきりがないのですが、最近多くなってきたマイコンなどは数10MHz程度で動作しますから100MHz以上のものにすれば将来も問題なく使えるでしょう。

表示するタイミングを設定する機能で、これに関連する機能はデジタル方式の方が圧倒的に優れています。

直接の性能ではないのですが、画面の端に掃引時間や電圧感度、チャネル番号日付などを数値で表示してくれる機能です。なくても問題は何もないのですが、写真を取って整理しておくことなどを考えると便利な機能です。

これもデジタル方式では当たり前になっていますが、最近のアナログ方式でも標準搭載されていることが多くなりました。

デジタルオシロスコープの使い方をご紹介します。

まず前面パネルを下図に示します。多くのつまみやコネクタがあり最初の内は戸惑うかもしれませんが、大部分が自動的に設定されますし、慣れてくれば簡単に操作できるようになります。波形が観測できるようにするまでの操作方法を順に説明していきます。

基本的な動作は大部分自動設定で動作しますので、とりあえず波形表示はすぐできます。しかし、測定用プローブにはそれぞれ特性がありますので、まずプローブを基準の状態に較正します。

この調整用としてオシロスコープには較正用の基準信号が出力されています。調整は、使用するチャネルのプローブ先端を較正用基準信号出力ピンに接続して行います。

「オートセット」ボタンを押せば下図(テスト矩形波の表示)のような矩形波が表示されます。表示された矩形波の角が直角でなく、丸くなったり笑ったりして歪んでいる場合はプローブの調整をします。

通常のプローブには1倍と1/10倍の切り替えスイッチがあります。特性調整機能は1/10倍の方でしか有効ではないので、プローブは常時1/10倍の方で使います。

したがって、入力の電圧は常に1/10倍されてしまいますがオシロスコープの表示は正常に表示されるようになっています。プローブ特性調整用の機能がプローブのコネクタ側に組み込まれていてネジ形式になっていますので、調整は下図（ブローブの調整中）のように調整用ドライバで回します。

プローブの調整穴から調整用ドライバを使って調整し、下図(プローブの調整後の波形)のように角がシャープな直角の矩形波になるようにします。これで最初のプローブの較正は終了です。

一定周波数の連続信号の表示は、オートセットとするだけで簡単に表示されます。しかし、1回だけしか出力されない信号があります。このような場合の表示方法はどのようにすればよいのでしょうか。

オートセットのままでは一度表示されても、すぐ次のスキャンに入ってしまうため、消えてしまいます。これでは単発現象を観測できません。そこで、「単発波形」ボタンを押します。これで信号の入力待ち状態になりますので、ここに信号が入ればデータをメモリに保存して表示します。

しかし時間幅は適当かどうか決められませんので、掃引時間を適当に変えてから再度「単発波形」ボタンを押すと再入力待ちになりもう一度繰り返します。こうして適当な時間軸で表示した例が下図（「単発現象の観測」）となります。こうして信号が捕まえられたら時間軸を変更して拡大縮小して観測します。

特にデジタル回路では信号のタイミングが問題になります。そのため複数の信号の前後関係を見たいことが多くなります。このための機能が多チャネル表示になります。2チャネルの場合には、CH1とCH2にそれぞれの信号を表示しておき、TRIGボタンを押すと表示されるボタンメニューに従って、トリガーをどちらの信号のエッジにするかを選択します。

これで、下図のようにトリガーをかけた方の信号のエッジを基準にして、もう片方の信号が表示されますので、掃引時間がわかっていますから時間的なズレを測定することができます。

オシロスコープで常に気をつけなければならないことは、プローブのグランドの取り方です。通常プローブの途中からグランド接続用のクリップが出ていますが、グランドは、プローブで測定する対象のすぐ近くのグランドピンに接続するようにします。

そうしないと、グランドと信号との間が離れてしまい、その間にある回路から余計なノイズ成分を拾ってしまうため、オシロスコープの表示が正しいものでなくなってしまうことがあります。特にデジタル回路とアナログ回路が混在する場合には注意が必要です。

また、2チャネル表示の場合には、片方のプローブだけをグランドに接続すれば表示は確かに2チャネルとも表示されるのですが、これも場合によってはノイズなどで正常な表示ではなくなってしまうことがあります。そこで、プローブのグランドは下図(プローブのグランドの取り方)のように必ず両方ともグランドピンに接続するようにします。

パソコンは多くの方が持っているでしょうから、これを利用して簡易なオシロスコープとすることができます。パソコンのオーディオ入出力機能とフリーウェアのソフトを利用すれば、パソコン以外に費用はかかりません。

オーディオ機能を使いますから、オーディオボードの特性のよいパソコンを使っても数kHzまでの波形観測にしか使えませんが、それでもまったく眼で見えない電気信号を眼で見ることができますから、強力な道具になることは間違いありません。

オススメは、烏谷 隆 さん制作の「フリーソフト、ハンディ・オシロスコープ」です。入手は下記からダウンロードできます。

操作方法など詳しくは「ハンディ・オシロスコープ」のマニュアルをご覧ください。ダウンロードすると立派な日本語マニュアルも付いていますから、使い方に困ることはないでしょう。

オシロスコープとしての下図(オシロスコープ画面表示例)のようになります。1kHzの正弦波を入力したときの表示で、かなり正確に表示されています。筆者のパソコンでは20Hz~5kHz程度までは正弦波として見られました。

次に発振器機能の設定画面例を下図に示します。これで正弦波、矩形波、三角波のこぎり波、ピンクノイズが出力できます。

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