オシロスコープとは何か

本連載は「組み込みエンジニア必須のスキル - オシロの基本を身に着ける」(2007年掲載)を改訂したものです。

組み込みエンジニアにとって、オシロスコープを使いこなすことは「必須のスキル」であると言えます。電子回路の設計者はもちろんのこと、プログラマにとっても、自分が書いたソフトウェアは正しく動作しているのか、そのバグはハードウェアとソフトウェアのどちらに潜んでいるのか…といったことを知るために、オシロスコープは強い味方となります。

そこで本連載では、オシロスコープの基本について、初心者にも分かりやすく解説していきます。今回は、そもそもオシロスコープとはどういったものなのかについて、述べていきます。

「オシロスコープ」とは何か - 見えない電気を可視化する

目に見えないものの代表として「電気」があります。18世紀、電気がまだ研究の対象であったころ、研究者にとって電気は目で見ることすらかなわず、「電気の挙動」を観測することは夢のまた夢でした。

20世紀に入って、この究極の夢を実現するものが出てきました。それが「オシロスコープ」です。つまり、オシロスコープは「電気の挙動」を目に見えるようにした測定器のひとつです。

電気の存在は、物質を摩擦させて生じた引力によって分りましたし(図1)、箔検電器によっても分りました。しかしその大きさ(電圧)を知るには、メータ式電圧計(図2)の登場を待たなければなりませんでした。

メータ式電圧計により、電圧(大きさ)が測定できるようになりましたが、高速で変動しメータの追従能力を超えるような「電圧の挙動」は観測しようがありません。重いメータ針を微小な鏡に置き換え、「電圧の挙動」により反射光を変動させ印画紙に焼付ける装置(電磁オシログラフ)が出現し、夢に少し近づきましたが、機械的構造であるため追従性に大きな限界がありました。

1897年にドイツで開発されたブラウン管は、蛍光面に向かう電子ビームを「電圧の挙動」によって偏向し、発光した蛍光面の軌跡を見るものです。その軌跡が「電圧の挙動」そのものであり、追従性問題は構造的にクリアされました。

このブラウン管技術と電磁オシログラフのアイデアを組み合わせた結果、1934年にアメリカのDuMont社によりオシロスコープが商品化されました。初期のオシロスコープは必ずCRT(ブラウン管の一種)を表示部に用いて、「電圧の挙動」で直接電子ビームを偏向するというものでした(図3)。

そして1980年にデジタルストレージオシロスコープが現れてからは、これと区別するために、この初期のオシロスコープはアナログオシロスコープと呼ばれるようになりました。

デジタルストレージオシロスコープは、「電圧の挙動」で直接電子ビームを偏向しません。「電圧の挙動」はA-Dコンバータによりデジタル化され、内蔵コンピュータで処理された後、表示部に現れます(図4)。以降、文中で特別な断りがなければ、「オシロスコープ」はデジタルストレージオシロスコープを指すこととします。

マルチメータとオシロスコープの違い - 時間軸の有無

電圧を測るとき、まず頭に浮かぶ測定器はマルチメータ(テスタ)でしょう(図5)。変動のない直流電圧や安定した低周波の交流電圧なら手軽に測定できます。しかし、マルチメータとオシロスコープの違いは「時間の経過」の扱いにあります

基本的にマルチメータは時間軸を持たず、時間情報を表示できません。時間情報なしに数値のみを表示します。反応できる交流電圧の周波数にも大きな差があります。オシロスコープに比べ、マルチメータはずっと低い周波数にしか反応できません。

オシロスコープのもたらす効用

「時間の経緯」を表示できることのメリットは計り知れず、マルチメータでは実現できない多大な効用をユーザに与えることができます(図6)。例えば、研究に解を与えたり、積年の不具合を解消したり、今の仕事の効率をアップすることができます。

プロはもちろんのこと、さらなる高みを目指すアマチュアにとってもオシロスコープを知り、使いこなすことは成功への大きなステップなのです。ただ、「時間の経緯」を表示することのできるオシロスコープの操作は、マルチメータよりも複雑です。しかし要点を押さえながら理解を試みれば、決して難しいものではありません。

次回はその操作について要点を押さえながら、分りやすく説明します。お楽しみに。

稲垣 正一郎(いながき・しょういちろう)

東洋計測器
前職ではテクトロニクス社にて10年にわたりテクニカルサポートセンター長を務めた。