【初心者向け】オシロスコープの使い方 | [Beginners] How to use oscilloscope

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今回は、オシロスコープの使い方というテーマで話をしたいと思います。

買おうかどうか迷っている、または買ったけどどう使っていいか分からない、という人はこの動画を参考にしてみてください。


■目次
0:00 オープニング
0:15 オシロスコープとは
1:43 オシロスコープを使う前に
5:08 オシロスコープを使ってみる
7:12 まとめ

■関連リンク
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#電子工作 #オシロスコープ

■動画文字起こし
まず、オシロスコープの基本について説明しておきます。
オシロスコープは、あるポイントの時間的な電圧の変化を見るための測定器です。測定したいポイントを掴むためのプローブと、取り込んだ電圧を処理してモニタで表示するための本体で構成されています。電圧を見たい時は、良くこちらのテスターも使われますが、テスターとの最大の違いは、時間的な変化を捉えられるかどうか、という点にあります。テスターは、実は時間的に電圧を平均化した値が表示されているだけなので、高速な電圧変化を捉えることができません。一方で、オシロスコープは速いものでは数nsオーダーの高速な信号も捉えることができます。
そのため、オシロスコープは、例えばセンサの出力値の時間的な変化を確認したり、モータを回すための信号が正常な順番で出ているかを調べたり、信号の立ち上がり時間が規定の範囲内かを調べたりなど、時間が関係するあらゆるシーンで使われます。
原理的なことを説明すると、オシロスコープとプローブの中には一般的にこのような回路が入っており、測定対象の電圧を1/10に小さくした後で、アナログ-デジタル変換によってCPUに取り込み、波形を表示しています。なおここで電圧を1/10にしているのは、測定対象への影響をできるだけ小さくするための工夫です。測定系の方に大きな抵抗を入れることで、プローブを繋げたとしても測定対象に流れる電流はほとんど変わらないため、正確な電圧値を測定することができます。
それでは次に、オシロスコープを使う前の基礎知識を説明しておきます。
ここでは、OWONというメーカからオシロスコープをご提供頂いたので、これを使いたいと思います。他のオシロスコープでも、基本的な機能や使い方はほとんど変わりません。
まず、オシロの画面の見方としては、横軸が時間、縦軸が電圧の大きさを表しています。横軸は一番右側が最新の情報で、右から左に向かって時間が流れていきます。黄色い線がチャンネル1、青い線はチャンネル2の電圧で、ここにあるラインがそれぞれの0Vの基準になるところです。ここに書いてある数値は1マスあたりの時間と、1マスあたりの電圧値を表しています。
オシロの操作部分は、大きく分けるとこのように分かれています。メインで使うのはこの2つで、こちらで時間軸の長さや位置調整、こちらで電圧軸の大きさや位置調整をします。
もう一つ重要なのは、このトリガーの位置を調整するところです。トリガーというのは、電圧が何V以上もしくは何V以下になった時に波形を表示させるか、という基準点のことです。オシロスコープは、連続した時間のある一部を切り取って表示させているのですが、その切り取り幅が短い場合、全ての時間を表示させてしまうと次から次へと高速に表示が切り替わってしまうことになり、人の目ではとても追い切れません。例えて言うと、テレビのチャンネルを高速に切り替えているようなものです。見たい番組をじっくり見るために、一般的にはこのトリガーを設定して、電圧がある基準を満たした場合にのみ画面に取り込み、それ以外は無視するようにしています。トリガーは少し理解し辛いですが、オシロを使いこなす上で超重要なところなので、必ず押さえておきましょう。
次にプローブの説明ですが、各プローブの先はこのようにワニ口クリップが付いていて、ワニ口クリップはGNDに、プローブの方は回路の測定したいポイントを先端でつまんで使います。測定前に必ずやっておいてほしいのは、電圧をできるだけ正確に捉えるためのプローブ調整です。先ほど説明したように、オシロスコープは実際の電圧を1/10にした上で読んでいます。このとき、1/10にするのは直流電圧や周波数が遅い信号であれば簡単ですが、周波数が高くなると、プローブにどうしても付いてまわる寄生コンデンサ成分によって電圧のバランスが崩れ、正確な値が測れなくなってしまいます。そこで、ここの可変コンデンサの値を調整することで、どんな周波数でもだいたい1/10にすることができます。
プローブ調整をするときは、まずオシロの前についているこの出っ張りの下側にGND線、上側にプローブを繋ぎます。そして一旦、この状態でこのAutosetボタンを押します。そうすると、うまい具合に波形が1画面に収まるように電圧軸、時間軸を自動調整してくれます。この出っ張りからは、振幅が5Vで周波数が1kHzのパルス信号が出ているので、本来ならキレイなカクカクした波形が表示されるはずです。ただ、プローブを調整しないと、このように電圧が切り替わるところでオーバーシュートが発生したり、逆になだらかになってしまっている場合があります。これは、さっきの回路で言うと、可変コンデンサと寄生コンデンサのバランスが崩れ、キレイに1/10の比率になってない、ということを指しています。この波形がキレイに90°の形になるように、プローブの根本の部分を付属の工具で回して可変コンデンサの値を調整します。なお、寄生コンデンサの大きさは環境によって変わる可能性があるため、この作業は使う前に必ず行うことをオススメします。
それでは、実際にオシロスコープを使って波形を観測したいと思います。
ここでは、RCフィルタという高周波成分をカットする回路を使って、Arduinoから出力された100HzのPWM信号がRCフィルタを通した後にどうなるか見てみます。CH1とCH2のGND線は回路のGNDに、CH1はArduinoのPWM出力側、CH2はRCフィルタ出力側につなぎます。
CH1とCH2を重ね合わせたいので、0Vの基準点が同じ位置になるように、電圧の方のポジションで調整します。次に、どちらのチャンネルも電圧のスケールが1マスあたり1Vになるように回します。次に、時間軸のスケールを1マスあたり200usになるように回します。CH1がキレイに90°の波形なのに対して、CH2は少しなだらかなカーブを描いていることがわかります。これがまさにRCフィルタの効果で、フィルタによって高い周波数成分、つまり変化の大きい部分がカットされた結果になります。
少し細かく現象を確認したいので、カーソル機能を使ってみようと思います。ただ、現在の状態のままでは、トリガーが引っかかるたびに毎回波形が更新されているので、微妙に波形が変化してしまいます。そのため、細かく波形を確認したいときは、まずはこのRun/Stopボタンを押して取り込みを停止させます。
次にCursorボタンを押すと、このような設定画面が出てきます。Typeは時間軸と電圧軸、Lineはカーソルの線、Sourceはチャンネル1と2をそれぞれ切り替えることができます。例えばチャンネル2が立ち上がるまでどれくらい時間がかかっているかを調べたいときは、チャンネル2と時間軸を選んで、LineAとLineBを見たいポイントに持っていくと、このように正確な時間を確認することができます。この他にも、立ち上がり時間や周波数を自動測定してくれるMeasureという便利な機能もあるので、興味のある人は触ってみてください。使い方については、今後、他の動画でも紹介していきたいと思います。