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技術コラムを連載でお届けいたします。
「ケースレー428−PROG型電流電圧変換アンプのエミュレーション・モード搭載したA4280高速電流電圧変換アンプ」の開発現場より、不定期でお送りします。
技術コラム : オシロスコープ 縦と横の分解能
投稿日時: 2019-11-20 10:10:17 (33 ヒット)
オシロスコープという波形測定の基準器について
電圧(縦)―時間(横)の測定を考えます。
オシロスコープ(データーロガーも含む)は、
人間の本能的に理解し易い、時間経過で電圧がどう変化したかを
グラフ化してくれます。
もちろん、電気の世界での動作なので回路上では、MHzやGHzの信号もあり、
時間軸(横軸)の分解能は、ns 以下が必要になってきます。
(この辺は、ナイキストの定理でも説明しています)
電圧軸(縦軸)は、もちろん分解能が、細かい方が良いのですが
縦横どちらも高分解能というのは、不可能です。


オシロに搭載されているA/Dで 8bitが現在でも標準です。
8bit(2の8乗の分解能)つまり、1/256の分解能があるということです。
1V/div 設定では、±4V 8V/256=31.25 mV 刻みの目盛で波形を見ると
いうことです。
12bitあれば、8V/4096=1.95mV刻みの目盛で見ることになり 
8bitの16倍の分解能になります。
ここで気をつけないといけないのは、波形を複数出すのにレンジを上げて、波形を
小さくすると分解能が落ちます。 
みじん切りする、玉ねぎが小さいと切りにくくて荒くなるイメージです。

2V/divとして 上半分に波形を出すと、7bit128分解能 
つまり1bit(チビット)損をします。
更にアンプのリニアリティも問題になるので、できれば、フルスケールに近い形で
波形は測定する方が正確です。 
アンプのリニアリティもフルスケールでしか精度保証していません。
ただ、最近のオシロスコープでは、縦軸分可能 16bit 20GS/s とか
いうものもあるようです。
この場合、メモリ―も100Mワード以上あり、大変なことになります。
(価格も大変なことになっています)
従来、オシロスコープは縦8bit分解能、
サンプリング 500MS/s程度で十分でした。(バンド幅200MHz)
このあたりに各メーカーの測定器が揃っていました。

測定波形をグラフに置き換えると、縦軸と横軸のメモリの細かいグラフに信号を
長く書いてくれればじっくり解析できそうです。 
ここで問題なのが、長く取ったデータの表示方法です。
従来の液晶表示は高速で波形を出すために500点の表示に圧縮して表示しており
10M(10,000,000)のメモリ―があっても、0.005%の情報しか表示できず、
拡大表示で波形を探すことになります。
こうなると、宝さがしです。

ここで、もう一つ重要な項目が トリガ条件です。
出力の状態をモニターする場合は、AUTOで走らせておけば、
現在の状況が見えます。
特異な現象が出た場合、その瞬間を記録したい場合、止めて記録する条件
(トリガ条件)を決めて設定すれば波形を止めてみることができます。
一番簡単なトリガは、レベルトリガで、設定したレベルの信号がくれば波形を
捕捉保持します。
この場合、POSエッジ(下から上への変化)か NEGエッジ(上から下への変化)
もしくは両方を選ぶことによりトリガ・ポイントで波形を保持しますが、
デジタルの良さは、トリガ・ポイントの前もデータが取れます。
デジタル・オシロスコープは、トリガがいろいろな種類で選べるものが
多くあります。
(今どき、アナログを探す方がたいへんですが)オシロスコープのトリガ回路は、
捕捉回路とは別に専用回路で、条件を高速に判別し波形を捕まえます。
例えば、パルス幅が指定より狭いとか広いとかで捕捉できます。
トリガは、波形という獲物を捕らえる罠と言えます。


波形の補足条件がはっきりしておれば、トリガ条件をしっかり決めて
短いメモリ―で波形を見ればいいのですが、
とりあえず、全部とってから考える場合はロングメモリ―です。

メモリーには、いつでもデータがあり、トリガが来たら、その前後のデータを
連続で保持します。
もちろん、トリガから後だけ長く取ることも可能ですし、トリガからある一定の時間を
おいて波形捕捉もできます。

混乱しやすいのは、トリガ条件には、AUTO NORMAL SINGLEがあります。
AUTOは、時間軸を設定すれば、トリガが来なくても一定周期で波形補足を更新します。
NORMALは、トリガが来ないと波形補足を更新しません。
SINGLEは、一度トリガがくれば、波形を保持し次にトリガがきても波形補足を更新しません。
もし、STOPがあれば、STOPを押したときに波形補足を止めます。

長々と書きましたが、オシロスコープはDMMと並んで基本中の基本の測定器と言えます。
中国製のオシロも増え、ネットで買えるオシロまであります。(恐るべしアマゾン)
ネットで買えるオシロもよいのですが、アクセサリーやシステムに組む場合を考えると
少し高いですがある程度名の通ったメーカーをお勧めします。
(アッと、うちの会社は、キーサイトをお勧めします。)
間欠的な信号を捕えるセグメント・モードもあります。
投稿者: axis


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