エンジニアリングの世界では、精度(測定の確かさ)はとても重要になる。最先端の電子機器の品質保証や、複雑なシステムのデバッグ時でも、測定精度がプロジェクトの成否を左右するといえる。そこで重要になるのが、オシロスコープの垂直軸確度の概念だ。垂直軸確度は、電圧の読み取り値が実際の測定値にどれだけ近いかを意味する。高い垂直軸確度を実現するためには、アナログ/デジタル・コンバータ(ADC)のビット数とオシロスコープのノイズフロアの2つが重要である。
ADCビットの役割
オシロスコープの水平軸はタイムベース(1ディビジョンあたりの秒数、s/div)で、垂直軸は電圧(1ディビジョンあたりの電圧値、V/div)を示す。
垂直軸確度とは、オシロスコープが信号の電圧をどれだけ正確に表示できるかを表すものであり、視覚的にはっきり見えることと、正確な測定のために不可欠な要素である。つまり、オシロスコープの画面に表示される電圧が、実際の信号電圧に近ければ近いほど、垂直軸確度は高いと言える。
最適な測定値を得るには、ADCビット数が高く、ノイズフロアが低いオシロスコープが必要になる。ADCビット数が高いほど垂直分解能は向上し、より信号を細かく見ることができる。さらに、ノイズフロアが低いほど、オシロスコープ自体が信号に与える影響を抑えることができる。この組み合わせにより、オシロスコープは信号を最も正確に表示し、測定に影響を与える可能性のある歪みやノイズを最小限に抑えることができる。
より詳しく説明すると、8ビットADCを備えたオシロスコープは、28=256なので、アナログ入力を256段階の変換レベルにエンコードできる。ビット数が増えるごとに、変換レベルの数が2倍になるので、9ビットは512レベル(29=512)、10ビットは1,024レベル(210=1,024)になる。
14ビットADCを搭載したオシロスコープは、アナログ入力を16,384レベル(214=16,384)にエンコードできるため、12ビットADCオシロスコープの4倍、8ビットADCの64倍の分解能になる。このように分解能が高くなることにより、オシロスコープは信号の微細な変化を捉え、より正確な波形の表示が可能となる。
ここで、垂直軸設定が100mV/div、8ディビジョンのオシロスコープで考えてみる。オシロスコープのフルスケールは800mV(8div×100mV/div)に相当するので、8ビットADCでは、フルスケール(800mV)は256レベルで分割され、1レベルあたり3.125mVの分解能となる。これに対し、14ビットADCは同じ800mVを16,384レベルに分割し、1レベル当たり48.8μVの分解能を達成する。分解能が向上することで、図1に示すように、エンジニアは、ごく微小な信号の変化を検出して測定できる。
オシロスコープはどれも同じなのか？ ADCと低ノイズフロアがオシロスコープに重要な理由
