電子工学のエンジニアとして、私たちは他の工学分野に比べて非常に恵まれています。電子機器は急速に進化し、使用と機能性が拡大しているだけでなく、私たちが構築したデバイスを診断し、調査するための最高の能力をテスト機器が私たちに提供してくれます。すべての工学分野には素晴らしいシミュレーションツールのスイートがありますが、実際の世界で何かがどのように機能しているかを見ることができると、はるかに多くの洞察を提供することができます。
私たちは、回路が何をしているのかを見ることができる多くのツールを持っていますが、初心者の場合、どこから始めればよいかわからないかもしれません。あらゆる回路を診断するために所有する最も重要なツールはデジタルマルチメーターとオシロスコープです。「どのオシロスコープや他のテスト機器を手に入れるべきか?」や「オシロスコープをどのように使用するのか?」といった質問は、学生やメーカーからよくある質問です。この記事では、すべてのエンジニアが知っておくべきオシロスコープの基本と、さまざまなオシロスコープを使用する際のいくつかのヒントとコツについて説明します。
利用可能な電子測定ツールやデバイスには多種多様なものがありますが、その中でも特に人気があるのはマルチメーターでしょう。マルチメーターは電流、電圧、抵抗を測定でき、モデルによってはRTDプローブ用の内蔵温度設定や温度測定用の赤外線センサーを含むこともあります。マルチメーターは、電源が適切に動作しているかを判断したり、故障した部品を見つけたり、部品の電圧降下や抵抗が正しいかを測定したり、ショートやオープン回路の位置を見つけるのに使用されます。
マルチメーターは電子工学において役立ちますが、その周波数応答は限られているため、すぐに限界に達します。マルチメーターは平均電圧を見るのには完璧であり、場合によっては数百キロヘルツまでの回路の周波数を数えることもできます。しかし、視覚化を提供することはありません。細かい詳細で時間をかけて電圧を見たり、波形の任意の側面を視覚化する必要がある場合、別の測定デバイスが必要になります - オシロスコープです。
オシロスコープは、電圧、アナログおよびデジタル信号、ノイズなど、さまざまなパラメータを測定するのに役立ちます。現代のオシロスコープには、電子エンジニアにとって有用な多数の追加機能もあります。
今日販売されているほとんどのオシロスコープは、デジタルストレージオシロスコープ(DSO)またはミックスドシグナルオシロスコープ(MSO)です。ミックスドシグナルオシロスコープは、ロジックアナライザーの機能を統合したデジタルストレージオシロスコープです。一部のモデルはFFTを実行し、周波数ドメインでの測定を提供します。
どちらのタイプのオシロスコープも、回路のトラブルシューティング時に素晴らしい診断ツールです。ミリボルトの解像度で回路の正確な波形を見ることができ、一部のオシロスコープではピコ秒の解像度があります。これにより、マルチメーターでは信頼性よく捕捉できないセンサー、エンコーダー、または回路からの短い過渡的なスパイクを捕捉することが可能になります。また、デジタル信号を表示し、エッジ遷移の品質を検査し、リンギングやその他の信号整合性の問題を視覚化することもできます。
オシロスコープには複数のチャンネルがあります。そのため、回路に入る波形と出る波形の両方を監視でき、アナログフィルター、アンプ、その他のアナログ回路の監視に最適です。主にデジタル信号を扱っている場合、オシロスコープはあなたにとっても素晴らしいツールです - 例えば、ボタンのような1つの信号を監視するチャンネルを使用し、その入力に対するマイクロコントローラーの応答 - 例えば、SPIやI2C上での伝送を見ることができます。オシロスコープの正確なタイミングを使用して、コードの実行や割り込みへの反応にかかる時間を測定することができます。ミックスドシグナルオシロスコープはさらに一歩進んで、アナログチャンネルと並行して監視するための多くのデジタルチャンネルの入力を提供するロジックアナライザーを統合しています。
FFT機能がない場合でも、オシロスコープを粗い近接場電磁干渉検出器として使用することもできます。例えば、以下の画像では、低品質の商用LEDドライバーの放射ノイズ源を特定しようとしています。プローブのグラウンドリードを先端に接続するだけで、大きな近接場ループプローブを作成しました。オシロスコープの画面上の信号は純粋に放射ノイズであり、LEDドライバーはまだその筐体内にあるかもしれません。
LEDドライバーの切り替えが見え、潜在的なノイズ源を追跡し、問題のあるネットにフィルタリングやダンピングコンポーネントを追加した際の信号の変化を見ることができます。スペクトラムアナライザーの代わりにはなりませんが、認証に失敗する原因となる潜在的なEMI問題を追跡するのにオシロスコープは依然として役立ちます。より正確な測定が必要な場合は、回路基板を分析するための専用の近接場プローブを購入することもできます。
オシロスコープは素晴らしい診断ツールですが、プロジェクトの計画段階でも利用できます。たとえば、SPICEのようなシミュレーションツールで回路図をシミュレートしているとき、コンポーネントモデルが実際のコンポーネントを完全に表していない可能性があります。ブレッドボード版の回路図にオシロスコープを使用することで、リアルタイムでそれと対話し、そのコンポーネントの正確な反応を見ることができ、シミュレーションが正確かどうかを判断できます。このプロセスは、テスト回路で異なる部品のサンプルを試すことにより、そのコンポーネントタイプの一般的なSPICEモデルに頼るのではなく、コンポーネント選択を大幅に改善することもできます。
コンポーネント選択に加えて、製造ボードの品質保証テスト中にもしばしばオシロスコープが使用されます。アンプや電源などのアナログ回路の場合、多くのオシロスコープモデルでは、回路が生産プロセスを続行するための基準を満たしているかどうかを即座に教えてくれる合格/不合格モードを設定できます。
オシロスコープは、電子エンジニア、ハードウェア設計者、またはファームウェア開発者にとって重要なツールです。また、メーカー、学生、電子工作の趣味人にとっても貴重なツールです。市場には多種多様なオシロスコープがありますが、どのようにしてニーズに合ったものを選ぶのでしょうか?
市場には幅広い価格帯のオシロスコープがあります。非常に安価なオシロスコープは100ドルかかるかもしれませんが、一部のオシロスコープは50万ドル以上の費用がかかることもあります!高級オシロスコープのプローブの中には、新しい家族用車よりも高価なものもあります。
オシロスコープの仕様やモデルを見る前に、まずオシロスコープの動作原理を簡単に見てみましょう。
現代のデジタルオシロスコープは、プローブからのアナログ入力を受け取り、それをデジタル信号に変換して表示します。また、非常に広い範囲の電圧に対応しており、低価格のオシロスコープであっても最大1000V(ピーク)/300V(実効値)の電圧を扱いつつ、数ミリボルトの振幅の信号も測定できます。オシロスコープのフロントエンドは、この広範囲の入力電圧をオシロスコープが扱える何かにスケーリングします。この条件付き信号は、オシロスコープのトリガーとしても使用され、サンプリングおよびADCチェーンに入力され、最終的にはメモリ内の読み取り値として終わります。メモリ内のこれらの読み取り値は、タイムスタンプ付きの個々のサンプルのリストと考えることができ、これをまとめると、画面上に波形が表示されます。
帯域幅は、異なるオシロスコープを比較する最も顕著な方法の一つです。これは、重大な注意を払わずに測定できる最大信号周波数を表します。減衰は、周波数が増加するにつれて変化するインダクティブリアクタンスとキャパシティブリアクタンスから生じます。これにより最終的にオシロスコープのハードウェアの帯域幅が制限されます。しかし、プローブ自体にも帯域幅の制限があります。オシロスコープを購入するとき、付属のプローブは通常、オシロスコープ自体と同じかそれ以上の帯域幅を持っています。広告されている帯域幅は、信号が-3 dBに減衰される点、つまり測定された信号の約70.7%です。
オシロスコープを購入する際には、測定したい最大周波数信号よりも高い帯域幅を持つべきです。多くのエンジニアにとって、これはクロック/オシレーターや通信プロトコルである可能性が高いです。
サンプルレートは、オシロスコープが1秒あたりにメモリに変換して保存できるデータポイントの数です。より多くのサンプルを取得できれば、表示される信号の詳細度が高まります。サンプルレートは、信号の周波数の最低2倍、理想的には信号周波数の少なくとも4倍以上である必要があります。多くの高品質なオシロスコープは、最大サンプルレートとして帯域幅の10倍から20倍を提供し、信号の小さな一時的なスパイクや低下を捉えることができます。
サンプルレートが低いと、サンプル間でその一時的な変動が発生する可能性が高くなり、信号の小さな変動やジッターを完全に見逃すことがあります。
オシロスコープのメモリ深度は、特に高いサンプリングレートを使用する場合に重要となる、見落とされがちな仕様です。メモリ深度は、どれだけ多くのサンプルを保存できるかを決定し、その結果、オシロスコープがどれだけ長くデータをキャプチャできるかに影響します。これは、トリガー後に信号をどれだけスクロールできるか、またはキャプチャした信号の特定の領域をどれだけ拡大できるかに影響します。一般的に、メモリ深度が多い方が良いです。通常、データが多い方が良いとされています。低価格帯のスコープは、大量のデータを処理するのに十分な処理能力がない場合、データを処理するのに苦労することがあります。これは、数学的な操作やその他の操作が遅くなる原因となりますが、一般的なオシロスコープでは、メーカーは処理能力に対して合理的な量のメモリを保持する傾向があります。
メモリ深度が多いと、まれに発生する/グリッチのある信号がキャプチャされやすくなり、テスト中のデバイスでの「奇妙な挙動」を追跡しやすくなります。
オシロスコープの仕様については多くのページにわたって議論することができますが、初めてまたは2回目のオシロスコープ購入において、上記のオプションほど重要な仕様はありません。オシロスコープの限界を押し広げようとしていない限り、市場に出ているほとんどのオプションは平均的なユーザーにとって「十分良い」でしょう。
人気のあるオシロスコープのいくつかのオプションを見ていく前に、非常に低コストのデバイスについていくつかの警告を提供したいと思います。通常、何かを買わない方が良いと言いたくはありませんが、オンラインマーケットプレイスを見ると、オシロスコープを名乗っているが時間やお金を無駄にする価値のない低コストのデバイスが確かにあります。
一般的に、避けるべきアイテムの提案は、帯域幅とサンプルレートに関するものです。電子機器でオシロスコープを使用する場合、最低限の帯域幅として25MHz、推奨される最低帯域幅として50MHz、そして帯域幅に見合ったサンプルレートを提案します。
非常に能力の高い携帯用オシロスコープがありますが、低コストのマルチメーターのようなものはそうではありません。これらは、ジェネレーターや壁のコンセントなどからのAC信号を見るために設計されており、電子設計やテストの目的にはほとんど役立ちません。
ジェネレーターを修理する電気技師にとっては完璧かもしれませんが、マイクロコントローラーを扱う場合、20KHzの帯域幅/200KSa/sはほとんど意味がありません。
これらの小さなユニットは安価で見た目もかなり整っていますが、運が良ければ低コストのARMマイクロコントローラーを搭載しているに過ぎないのが現実です。典型的な帯域幅はわずか1MHzで、サンプルレートは10MSa/sですから、低速のSPI通信でさえこのデバイスの能力をはるかに超えています。より高価なバージョンでは帯域幅が15MHz以上、サンプルレートが最大100MSa/sになることもありますが、それでも現代の回路で使用するには十分ではありません。
低解像度の画面と全体的に限られた機能は、お金に見合った価値を提供しないことを意味しており、電子機器の設計やテストにはあまり役立ちません。
キットを組み立てるのは常に楽しいものですが、これらは本質的に上記のオプションの裸の非収容バージョンであり、同じくらい限定されています。
これらは上記のオプションよりもはるかに安価ですが、その有用性も同様に低いです。
上記のデバイスと比較して、これらのオシロスコープは非常に人気があり、いくつかはそれほど高価ではありません。一般的に私は自分自身で4チャンネルのオシロスコープを好みます。回路を実験したり、故障を診断したりする際に3チャンネルを使用したいと思うことがよくあります。もし余裕があれば、4チャンネルのオシロスコープにもう少し投資することで、成長の余地が得られます。しかし、オシロスコープは非常に価値を保持する傾向があるため、予算が限られており、すぐに3〜4チャンネルの必要性を感じない場合は、2チャンネルのオプションがいくらかの節約になるかもしれません。
多くのオシロスコープは、限定されたソフトウェア機能を持つ比較的安価なベースモデルのオプションを提供しています。将来的にこれらのソフトウェア機能をライセンスキーの購入によりアップグレードすることができ、新しい機器を購入する必要なくアップグレードパスを得ることができます。これらのアップグレードはセールイベント中に割引価格で提供されたり、無料で提供されることもあります。
このリストにあるオシロスコープは特定の順序で提供されているわけではなく、ターゲットオーディエンスにとってはすべて優れた選択肢です。
Rigol DS1052Eは、最も安価な入門レベルのオシロスコープの一つでありながら、かなり高性能です。これは2チャンネルのオシロスコープで、比較的使いやすいです。DS1052Eは、コストパフォーマンスに優れているため、メーカー/学生/趣味のコミュニティで非常に人気があります。また、比較的コンパクトで、趣味や学生のための小さなデスクに収まるのに適しています。
これは非常に入門レベルのスコープであるため、スキルや経験が増すにつれてより強力なオシロスコープにアップグレードする人々が、良好な状態で中古品をよく見つけることができます。前述のように、オシロスコープは価値をよく保持するので、中古モデルの割引はあまり期待しないでください - しかし、新品の基本レベルのスコープよりも多くの機能を提供するロック解除されたオプションが付いているものを手に入れるかもしれません。
価格の割には非常に高性能なオシロスコープですが、2チャンネルのみで、画面は比較的小さく解像度が低いです。
Rigol DS1054Zが史上最も売れたオシロスコープの一つであることに驚かないでしょう。上記のDS1052Eよりも少し高価ですが、非常に安価に大量の機能を得ることができます。私はDS1054Zを所有していますが、これは私の主要なオシロスコープではありませんが、コンパクトで軽量な形状は、より大きなスコープを取り出すのが少し面倒な高技術機械の作業に非常に便利です。
DS1052Eと比較して追加の2チャンネルの他に、はるかに大きな高解像度の画面を得ることができ、何が起こっているのかをはるかに簡単に見ることができます。また、画面の周りにより多くのボタンがあり、機能へのアクセスが容易になり、一般的にユーザーエクスペリエンスが向上します。
最後に見るRigolのオシロスコープとして、MSO5074を紹介します。MSO5074は、追加のデジタル入力を持つプロトコルアナライザとしても機能する混合ドメインオシロスコープです。ソフトウェアオプションを使用すると、任意の関数発生器やスペクトラムアナライザとしても機能し、非常に多様です。MSO5000シリーズのオシロスコープは、国を移動した後に自宅のラボを再構築する際に、コストパフォーマンスが圧倒的だったため、現在の私のメインドライバーです。
比較的大きな画面に加えて、タッチスクリーンは驚くほどユーザーフレンドリーです。スコープを購入するとき、タッチスクリーンはちょっとしたギミックだと思っていました。しかし、DS1054Zを使用すると、効果がないにも関わらず画面を触ってしまうことがよくあります - なので、最初に予想していたよりもはるかに便利だと証明されました。
また、驚くほど便利だと感じたもう一つの機能は、スコープにHDMI出力があることです。これにより、HDMIレコーダーで画面を録画したり、大画面に出力することができます。在宅勤務が増えている今日この頃、テスト中のデバイスの問題を録画して他のエンジニアにビデオを送るというのはかなり興味深いオプションです。また、HDMIキャプチャカードを使用して、スコープのディスプレイを直接会議通話にストリームすることもできます。
これはまた、非常に人気のあるオシロスコープで、その機能に対する価格帯はかなり素晴らしいです。仕事からの休憩が必要なときに、電子工作台でクラシックなDoomをスコープでプレイできるようにコミュニティが作り上げたほど人気があります。
Tektronixは、数十年にわたり業界で高く評価されている試験機器のメーカーです。1000シリーズのオシロスコープであるTBS1052B-EDUは、上記のRigol DS1052EおよびDS1054Zと直接比較することができます。機能面では、Rigol DS1054Zの方が比較可能です。しかし、TBS1202B-EDUはデュアルチャネルのみです。このオシロスコープは、エントリーレベルのオシロスコープとして適しています。DS1054Zは、学生や教育機関を対象としています。
Tekには、同じシリーズでTBS1052Cなど、Rigolのオプションと同じ50MHzのオシロスコープで、同様の価格のかなり低価格のモデルがいくつかあります。
TBS1202B-EDUモデルは200MHzの帯域幅を持ち、2GSa/sのサンプルレートを提供し、TBS1000シリーズのラインナップの他のオプションの2倍です。残念ながら、メモリ深度は同シリーズの代替品が20,000ポイントの記録長を持つのに対し、わずか2500ポイントとやや限られています。
2000シリーズのオシロスコープに一歩進むと、Tektronix TDS2024Cは4チャネルを持っています。上で見たTBS1202Bと同様に、200MHzの帯域幅、2GSa/sのサンプルレート、そしてただ2500ポイントの記録長を持っています。入力仕様はほぼ同じですが、追加のソフトウェア機能、より多くのチャネル、そして最も一般的に使用される機能のための専用ハードウェアボタンを備えた、より強力なスコープです。
残念ながら、画面サイズは1000シリーズのオシロスコープよりも小さいです。
私の意見では、2000シリーズの主な利点の一つは、出荷前にデバイスを迅速にテストして承認するのに適したリミットテスト機能が付属していることです。
Keysightは、かつてAgilentとして知られていた会社で、何十年もの間、テスト機器のリーダーでした。DSOX1000シリーズは彼らのエントリーレベルのオシロスコープですが、決して基本的なスコープではありません。1000シリーズのスコープは、70MHz、100MHz、200MHzのバリアントがあります。4チャンネルと2GSa/sのサンプルレート、さらに200万ポイントのメモリ深度を備えており、強力で実用的なスコープです。
Keysightのテスト機器における経験は、ディスプレイのユーザーインターフェース設計に表れています。ディスプレイは大きくて明るく、非常に使いやすい素晴らしいレイアウトをしています。
Keysightの2000シリーズのオシロスコープには、8チャンネルのロジック/プロトコルアナライザオプションも搭載されたバリアントがあります。私は過去にMSOX2004Aを所有していましたが、それは非常によく設計されたスコープで、シンプルでありながら強力なユーザーインターフェースを備えています。MSOX2004Aは、70MHzの帯域幅、2 GSa/sのサンプルレート、100万ポイントのメモリ深度、および8チャンネルのロジックアナライザを備えた、中級2000シリーズオシロスコープのエントリーレベルバージョンです。
ロジックアナライザ/プロトコルアナライザ機能に加えて、任意波形発生器のオプションと統合デジタルボルトメーターがあり、多用途に使用できるオシロスコープです。
Rohde and Schwarzは、特にRFエンジニアリングの世界で、非常に高品質なテスト機器で知られています。彼らの2000シリーズオシロスコープが、彼らにとってのエントリーレベルモデルでありながら、多くの機能と非常に高い仕様を備えていることは驚くべきことではありません。RTB2004には、基本価格を低く抑えつつ、後で購入できる多くのオプション機能があります。
このオシロスコープの最も革新的な機能は、10ビットのアナログデジタルコンバータを搭載していることです。通常、オシロスコープは8ビットのADCしか持っていません。追加の解像度は波形の十分な詳細を提供し、より正確な測定を可能にするかもしれません。
RTB2004には、4つのアナログチャンネル、70MHzの帯域幅(ソフトウェアでアップグレード可能)、2.5 GSa/sのサンプルレート、2000万サンプルのメモリ深度があります。典型的なオシロスコープの機能に加えて、RTB2004は任意関数発生器としても機能し、16デジタルチャンネルを持つプロトコルアナライザとして、またスペクトラムアナライザとしても動作します。
PicoScope 2000シリーズは、完全に統合されたものではなくPCベースである点で、これまで見てきたものとは少し異なります。これらのオシロスコープを使用するには、USB接続を使用して処理をより強力なコンピュータにオフロードするため、ラップトップまたはコンピュータが必要です。
Pico Techは、自動車用計測器と低コストのPC接続オシロスコープでよく知られています。帯域幅の低いモデルは安価ですが、組み込みシステム開発での制限にすぐにぶつかるため、50MHzモデル(2206B)以下のものはお勧めしません。
PicoScope 2206Bは、500 MSa/sのサンプルレートを持ち、見てきたスコープの中で最も低いサンプルレートを持っています。波形レートも他のオプションと比較して同様に低いです。
以前の雇用主はPicoScopeを持っていました。しかし、多くのタスクに自分のオシロスコープを持ち込む必要がありました。なぜなら、入力電圧が最大20vピークで、最大限度が100Vだったからです。私は300Vのシステムで作業していたので、20v以上のもので作業している場合、PicoScopeはあなたには適していないかもしれません。
スペースが限られており、低コストのオプションを探している場合、PicoScopeは魅力的な選択肢です。
初めてオシロスコープを購入する際には、何に使用したいか、または設計する何かの回路にどのようなものがあるかを考慮することが良いでしょう。スイッチングモード電源は、スイッチング時に非常に短いトランジェントスパイクを伴って最大2MHzの周波数になることがあります。マイクロコントローラは、そのIOピンやSPIのような通信で簡単に50MHz以上の信号を生成することができます。エンコーダーホイールは、合理的なサンプルレートが必要な非常に短いパルスを生成することができます。
マイクロ秒単位のイベントはオシロスコープにとっては些細なことですが、より速いものが必要かどうかを考えてください。オシロスコープで確実に見る必要がある最も短いイベント/トランジェント/パルスは何ですか?これらの信号を確実に観測するために必要な帯域幅および/またはサンプルレートを計算してください。
内蔵ロジック/プロトコルアナライザを備えたオシロスコープは、ファームウェア開発者にとって非常に強力です。デコードされたデジタルチャネルはトリガーとして使用でき、特定のバイトまたはバイトシーケンスが通信チャネルで検出されたときにアナログ波形の記録を開始することができます。
市場には、予算内で購入できる素晴らしいオシロスコープがたくさんあります。今日の予算オシロスコープは、10年前や15年前の市場の代替品と比較しても、非常に強力で能力が高いため、本当に選択肢に恵まれています。
時代の始まりからテスト機器を製造している大手ブランドにこだわらなければ、RigolやSiglentは非常にお得な価格で素晴らしい価値を提供しています。約10年前、RigolはOEMパートナーとしてAgilent(現在のKeysight)の低価格帯のスコープを製造しており、90年代後半から存在しています。過去10年間で、Rigolは急速なペースで革新を続けています。
過去10年間で、私は主にKeysightとRigolの機器を所有しており、両ブランドに多大な敬意を払っています。Rigolはよく予算や趣味向けのブランドと見なされますが、特に高性能ユニットの仕様を比較すると、小売価格を考慮に入れると、私にとっては明らかな勝者です。オシロスコープを限界まで押し込む予定がない場合、市場の主要プレイヤー間での細かい仕様のほとんどは実質的に同等と見なすことができます。新しい自宅の電子ラボは、供給業者のショールームでの全てのオプションを頭ごなしに比較した結果、80%がRigol、20%がSiglentです - 機器のロゴに決定を左右されないようにかなり努力しています。
Siglentをこのリストに追加しなかったのは、メーカーや趣味コミュニティが最終的にRigolを好むため、別の低コストの中国ベンダーとしてです。Siglentの特定の機器はRigolと同じ価格で優れていますが、オシロスコープに関してはRigolが依然として優位に立っていると感じます。Hantek(およびその他のブランド名で販売されている機器全て)とOwonもリストに入りませんでした。これは、RigolやSiglentと同じレベルにまだ達していないと感じるためです - 技術的に優れたオプションでより多くのコミュニティサポートを得るために、わずかに安い価格であれば、もう少し多くのお金を使う価値があります。
最終的に、あなたの決定は、機器を何に使用するか、予算はどの程度か、将来の要件は何かに依存すべきです。このリストから、Keysightは最も使いやすいオシロスコープを持っていると感じます。Rigolは最高の価値を提供し、R&Sは最も興味深いオプションを提供します。ここで示されたオシロスコープの基本は、上記のモデルに一般的に適用されます。
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