オシロスコープの選択と使い方

少し前に初心者向けテスターの選び方のエントリを書きましたが、最近はブログ更新にかける時間が取れないので、Youtubeの動画を紹介してお茶を濁そうと思います。

以下は、英語の動画ですが、日本語字幕をつけることが出来ます。
機械翻訳の怪しげな日本語ではありますが、充分でしょう。

オシロスコープチュートリアル
  • その1 - オシロスコープの選び方
  • その2 - 基本的な使い方
  • その3 - 高度な機能


    • その1 - オシロスコープの選び方 について


      その1 - オシロスコープの選び方

      オシロスコープとは何か、なぜ必要なのか、どのようなオシロスコープを選べばよいのかについて解説しています。

      日本でなら"eBay"をヤフーオークションに置き換えれば、おおよそ当てはまります。

      • 「動作未確認」「現状品」は避ける
      • 動作中で、何かを測定している写真が載っているのが良い


      ヤフオクがめんどくさい人は、やはりPDS5022がお奨めです。
      その2以降では、PDS5022を例に説明をしています。





      その2 - 基本的な使い方 について


      その2 - 基本的な使い方

      基本的な測定について説明しています。

      一点だけ気になる所があるのでコメント。

      動画の中では、プローブの減衰率を基本的には1倍に設定して使い、10倍にするのは高電圧の回路を測るときのみにするように説明されています。
      しかし、オシロスコープのプローブは10倍の減衰率で使うのが基本で、1倍にするのは、小さい振幅のものを見るときだけにするのが良いと思います。10倍プローブの方が入力インピーダンスを高く出来る、すなわち、オシロスコープそのものが、被測定回路へ与える影響が小さくて済むからです。



      その3 - 高度な機能 について


      その3 - 高度な機能

      高度な機能(Advanced functions)とは言うものの、至って普通なトリガのかけ方と、チャンネル間の加算・減算の説明です。

      PDS5022では、一般的に高度な演算という類の事はできないと考えた方がいいと思います。

      X-Y表示モードはあるので、シュミットトリガ回路のヒステリシス曲線を描かせたり、ダイオードのカーブトレーサとして使ったりは、一応出来ます。ただ、PCにデータを取り込んだ後でなら、当然ながら色々な演算をすることが出来るので、その方がお奨めです。
      測定信号のフーリエ変換は、以前はPCに取り込んでからしか出来ませんでしたが、最新のファームではオシロスコープ単体で出来るようになったとのことです(ただし、私は未検証)。

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      tag: PDS5022 

初心者向けテスターの選び方

2ちゃんねる 電気・電子板 【アナログ】テスター総合スレッド 5Volt【デジタル】を参考に、マイコン工作などを考えている電子工作初心者のためのテスターの選択のしかたについて。

結論はテスターは安いのでいいので、出来ればオシロスコープの購入を検討すべきです。



2ちゃんねる電気・電子板より


942 名前:774ワット発電中さん[sage]:2011/06/18(土) 07:04:05.56 ID:63RfUwFR
テスターについて質問させてください。

テスターの購入を考えています。
用途としてはマイコンの作成をするにあたっての電圧・電流・抵抗の値測定を主な目的として考えています。
もしかしたらPCパーツの測定、家庭用の家電の測定をするかもしれません。

どの程度のテスターを買ったら良いかやどのメーカが一般的かという事が良くわからないこと、この程度の内容ならこのクラスで十分というような基準がわかりません。
初心者なのでもし安価な製品だと誤差が大きく、頭を余計に使わないといけないというのであればちょっと避けたいなあという気持ちも少しあります。

ですので聞いたことのある三和か共立にしようかと考えているのですがどちらのメーカのほうが良いでしょうか。フラッグシップ機と思われる物が倍近くちがっていて共立のほうが良いのかそれとも新商品だから高いだけなのか判断が付きませんでした。

共立 DMM 1062(\55000) ただし一個下の1052は\28000
三和 DMM PC5000a(\25000)



5万クラスを買うのはちょっと辛いので1万から2万5000くらいで考えています。
このスレを読んでみたかぎりだと1万以下でも問題なさそうな印象を受けましたがこの用途ならxxxx~xxxxxあたりのテスタで十分というような目安も教えて頂けると助かります。

943 名前:774ワット発電中さん[sage]:2011/06/18(土) 07:13:20.89 ID:mgpMnczo
>>942
機能と性能は千円のテスタで充分だとおもう。↓とか。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-00199/



ただ、AC100Vを触るのに安物テスタだと不安というなら、いいメーカを選ぶ必要があるかも。

マイコン工作をするなら、テスタはお金を節約しといて、オシロを買う方がいいんじゃない。

944 名前:774ワット発電中さん[sage]:2011/06/18(土) 08:11:02.50 ID:cDCSeycv
>>942
2万5000まで出す気があるのならテスタは数千円のにしておいて、オシロスコープを買った方が良いよ

945 名前:774ワット発電中さん[sage]:2011/06/18(土) 09:13:52.15 ID:dN8fgMUn
それには賛成だな。
ただ高いヤツ買って満足したいならフルークあたりを奨める・・・

でも「マイコンの作成」には良いテスタなんて本当に必要ないよ技術者でもPM-3あたりで済ませてる人が多いんだからかなり高精度なアナログ回路やってる人はベンチトップ必要になるけど、これはテスタの範疇を超える。デジタル回路やってる人もオシロ使う頻度多いし



私の考えは、基本的には>>943と同様で、テスターに関してはMASTECH MAS830Lあたりを選んでおいて、PDS5022あたりのデジタルオシロスコープを購入することを考えるべきだというものです。

以降では、あくまで感覚的なものですが、アマチュアマイコン工作でのテスタの利用に関する私的な感想を前述のレスでの私的に絡めて書いていきます。

直流電圧・導通チェックが9割


テスタを日本語に訳すと、回路試験器です。
従ってテスタの役割は、回路が壊れてるか壊れて無いかをチェックする事であると言えます。

回路が壊れているか否か、というのは、多くの場合、回路が繋がっているか繋がって無いか、ということです。

そんなわけで、テスタの機能のうち、一番良く使うのは導通チェッカ機能です。
古いアナログテスタなどでは、ブザーの鳴る導通チェッカ機能が付いていないものもあるので、そういった機種は避けます。

余談ですが、導通ブザー機能が付いていないアナログテスターが主要であった頃は、導通チェッカは自作電子回路ネタの定番であったようです。

導通チェッカの原理上の弱点として、電源が入っている状態の回路には使えないというものがあります。また、単純な断線・短絡ではなく、マイコンのプログラムミスや素子の劣化などによって回路が動作しない場合もあります。こういった場合は、各ポイントの電圧を測ることにより正常・異常の判断をします。
従って、二番目に良く使う機能は直流電圧測定です。
そして、このふたつの機能がテスタ使用のほとんどを占めると考えて差し支えありません。

LED駆動回路など、電流出力の回路の場合などでは、回路の動作チェックとして電圧を測るよりも電流を測る方が適切なこともあるでしょう。その場合は電流レンジが必要になりますが、使用頻度は低いです。
ただし、電流測定が必要になることが明らかな場合は、テスタの選択段階から意識すべきです。
テスタの電流レンジは、大雑把に言って『200mA程度まで測れるタイプ』と『10A程度まで測れるタイプ』の2種類が主流です。

交流電圧・交流電流・周波数


ここまでは、直流的な回路の動作を測定する場合の話でした。
次に回路の交流測定について。

交流と聞いて、コンセントなどの100V交流(強電)と、マイコン回路などの5-15V程度の信号の交流成分(弱電)のどちらを思い浮かべるでしょうか?

前者は、基本的に本エントリの対象外の話ですが、簡単に触れておきます。

高電圧を扱う場合のテスタの選び方は、安全が第一です。
安いテスタでも、スペック上は問題なくはかれるはずですし、私の周りでは特に問題が起きた例も無いのですが、不安なら日本のメーカーを選ぶほうがいいかもしれません。共立、三和、日置・・・

アマチュア用途で、ひとつぐらいは少し良いテスタを持ちたいということなら、三和のPC-500aあたりが良く薦められているようです。



さて、弱電の交流回路ですが、直流と同様に考えれば、交流電圧や交流電流、あるいは周波数を測ることにより正常・異常の判断が付くはずです。が、現実には波形を見ないとなんとも言えないというケースが多いです。

回路シミュレーションと実測の比較で扱っている2石弛張発振回路などは、波形が見たくなる回路の一例です。



video.1: 点滅動作

001_20100206191236.png
fig.1: コンデンサ電圧,LED電流測定回路


2石弛張発振回路は、Video.1のとおり発振回路で、LEDを接続すると点滅動作をさせることが出来ます。回路図もfig.1に示した通り、さほど複雑でなく小さなブレッドボード上にでも組み上げることが出来ます。


002_20100206191236.png
fig.2: 実測波形


しかしながら、その回路挙動は見た目ほどには単純ではなく、実際の波形もfig.2の通り複雑です。この回路の場合は、回路シミュレータの使いどころでシミュレーションしたとおり理想的な挙動が回路シミュレータから予想できていますが、アバランシェ・モード弛張発振器の様にシミュレーションできない回路の存在など、シミュレータも完全ではありません。

そうなると、オシロスコープの出番という事になります。私はPDS5022を使っています。(参考:PDS5022タグの付いた記事)
この性能のオシロスコープとしては極めて安価で、重宝しています。



私の好みの問題かもしれませんが、やはり、ハンディタイプのもの、PC接続が前提になっているUSBオシロスコープは、イマイチ使い勝手がよくありません。
単独で動作する、そこそこの性能のオシロスコープとなると、安価なものであっても3万円程度します。
テスタに回す予算があるのなら、オシロスコープの購入を視野に入れたほうが良いというのはこのあたりの事情です。

高級品と廉価品の違い


感覚的に言えば、高級品と廉価品の違いは
  • カタログスペックの違い
  • カタログスペックに現れない性能の違い

という事になると思います。

まず、カタログに載っているスペックの違いに関して。
もちろん購入の前に検討はすべきですが、前述のテスタの中で良く使われる機能に関しては、普通は安価なテスタであっても必要充分な性能(精度・確度)を持っています

回路の試験器としてではなく、部品の性能測定のための計測器と考えた場合でも、LTspiceモンテカルロ解析の定数分布 その2で行っているような、抵抗値の選別ぐらいなら充分こなせる性能があるでしょう。


001_20090506142046.png
fig.3: 10kΩカーボン抵抗98本に対して、抵抗値測定を行った。測定結果のヒストグラム(赤)と正規分布関数(緑)


さて、カタログスペック上の違いは、そのままカタログ上で比較すれば分かることなので、ユーザーとして本当に気になるのは、実際の品質はどの程度なのかということだと思います。

MASTECH MAS830LではなくMETEX P-10ですが、以前METEX P-10 電流レンジのばらつきの記事で実際の電流レンジの性能のばらつきがどの程度あるのかを測定しました。


003_20090802010749.png
fig.4: 横軸が電流、縦軸が誤差


その結果を引用したのがfig.4です。
横軸が測定電流で、縦軸が実際の電流値からのズレと考えます。

Red・Green・Yellowのそれぞれのシンボルで示してあるのが、実際に測定された理想値からのズレ、黒の実線で示されたのがカタログスペックから予想される誤差の最大値です。
当然ながらばらつきはありますが、カタログスペックは充分に満たしていることが分かります。つまり、安物だからといって酷い性能ということは無いという事です。

アナログテスタ vs デジタルテスタ


アナログテスタとデジタルテスタのどちらが初心者に向いているかという問題も、しばしば話題に上がることがあります。

常識的に考えればデジタルテスタのほうが有利でしょう。
入力インピーダンスも高いことですし。

アナログテスタの利点を声高に主張する人々も少なくありませんし、そういった人たちが、微妙な針の挙動から、デジタルテスタでは読み取れない情報を読み取ることが出来る能力を持っているのも事実かもしれません。
しかし、初心者には難しいでしょうし、本エントリの考え方から行けば、そういった状況のときは、オシロスコープを持ち出すべきだと思います。

コネクタがバナナプラグ


これは、完全に私の好みの問題なのですが、テストリードは取り外すことが出来て、そのコネクタにバナナプラグが使われているものが便利です。

針のテストリードでは、プロービングのために両手がふさがってしまうので、可変抵抗を調節しながらの電圧測定などには向きません。
コネクタがバナナ端子になっていれば、必要に応じてミノムシクリップやICクリップを使ったテストリードを自作して対応できます。

まとめ


エントリ全体が長くなったので、箇条書きでまとめます。

  • テスタの利用は導通チェッカ・直流電圧レンジがほとんど
  • 交流測定にはオシロスコープの購入も要検討
  • 高価なテスタは『安心』を買うもの
  • 安価なテスタでもカタログスペックは充分
  • 安価なテスタでも実際の性能も充分
  • アナログとデジタルならデジタル
  • プローブの自作も考えて


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tag: PDS5022 MAS830L LTspice 

設計、試験、本製作のツール

趣味の電子工作といえど、色々なツールが必要になります。
ソフトウエア的な意味でも、実在する工具という意味でも。

今回のエントリでは、趣味の電子工作において設計、試験、本製作の時系列にしたがってどのようなツールが登場するのかをまとめました。


シミュレータ/ブレッドボードは役に立たない!?


しばしば「回路シミュレータは役に立たない」とか「ブレッドボードは使ってはいけない」といったような極端な主張を耳にすることがあります。

こういった主張は、例えば「回路シミュレータは必ずしも現実の回路の挙動を再現するわけではない」や「ブレッドボードは接触不良が起こり易いため、特に長期にわたって使用する回路の製作には適さない」と言った意味においては確かに正しいのですが、それが直接「使えない」という結論に至るのだとすればやや短絡的です。

逆に、あまり本質的で無い理由からシミュレータ・ブレッドボードを薦める意見を聞くこともあります。曰く「回路シミュレータなら部品を買わなくて済む」「ブレッドボードなら半田ごてを使わないから危なくない」などです。
こういった主張もある側面では正しい訳ですが、やはり、長期的に利用する回路を完成させることが目的なら、部品の購入もハンダ付けも、最後まで避けて通るというわけには行きません。

回路の設計・製作をするときは、お手軽で大雑把なところから始めて、次第に手間がかかる詳細な部分に手を付けていくというのが普通だと思います。
具体的には、私の場合は以下のような手順で開発を進めることが多いです。

  1. 回路シミュレータ
  2. ブレッドボード
  3. ユニバーサル基板
  4. プリント基板


もちろん、工程の途中で逆戻りしたり、間を飛ばしたりすることもあります。
今回のエントリでは、製作の工程順に沿って、どういったツールが有用なのか、私の考えをまとめておこうと思います。

回路シミュレーター


回路シミュレータは、文字通り回路を実際に組み立てなくても回路の挙動を知ることが出来るツールです。例えば回路シミュレータの使いどころでは、回路図を眺めただけではどちら向きに電圧がかかるか分かりにくい回路に対してシミュレーションを行い、コンデンサを接続する極性を決めています。

このような回路シミュレータの利点は、挙げればキリがありません。
とにかく手軽で、実測では困難な波形の観測(たとえば電流波形の測定、実回路では高価な電流プローブが必要になる)がクリック一発、部品定数の変更も簡単であり、部品定数の変化が回路の挙動にどのように影響するかといったグラフを描かせることも容易です。(例:LTspiceで可変抵抗 その-1)

しかしながら、回路シミュレータはあくまで回路の挙動を、あらかじめ与えられた数式をとくことによって計算しているだけであり、実際の回路の挙動とは異なる可能性があるという点は忘れてはいけません。LTspiceの使い方の第10章 失敗例/問題点あたりにいくつか例を挙げてあります。

ブレッドボード


ブレッドボードを用いた試作は、回路シミュレータと異なり現実の回路でありながら、半田付けを必要とする作業に比較すると手軽に進めることができるというメリットがあります。
CMOS4050の出力抵抗のように回路定数を変更しながらの測定の場合は、半田付けを必要としない点が生きてきます。

逆に回路シミュレータと比べると、実回路の測定なので計測器が必要になってきます。
最低でも、テスターは必要です。回路シミュレータとの比較というところまで行くならデジタルオシロが欲しくなることは間違いありませんし、RCサーボモータの電流波形で使った電流計測アダプタのようなちょっとした小物の製作が必要かもしれません。



ブレッドボードでのテストのコツは(これは回路シミュレータにもいえることかもしれませんが)必要以上に大きな規模の回路を組まないことです。挙動を調べたい回路ブロックだけをブレッドボード上に組み上げ、電源や信号は、できる限り信頼できる電源装置や信号発生器から与えるようにします。

また、私は回路を組むのに必要最低限なものよりも大きなブレッドボードを使うほうが好みです。余裕を持って配線の取り回しができますし。後から追加の回路が必要になることも珍しくありません。

ユニバーサル基板


回路シミュレータやブレッドボードで回路の挙動をはっきりさせたら、次はユニバーサル基板に半田付けをします。
あるいは、部品交換による回路定数変更が無い回路(ほとんどがプログラムで賄えるマイコン回路など)ではブレッドボードではなくユニバーサル基板でテストをする方がいいかもしれません。

当然ながら半田付けが必要になるので、材料のほかに工具が必要になります。



ついでに書いておくなら、基板への半田付けには逆作用ピンセットTS-16P-69があるととても便利です。

ブレッドボードや回路シミュレータで回路の挙動がきちんと追い込めているのなら、デジタルオシロなどの立派な計測器の出番は減り、相対的にテスターの出番が増えてくるはずです。

本製作はプリント基板で、と考えている場合も、一度はユニバーサル基板で組んでおいた方がいいと思います。すべての回路を組み上げてみて、初めて新たに回路を追加しなければならないことに気づくというのはよくある話ですし、そういったときはユニバーサル基板の方が多少対処がし易いです。もうどうしようもないというケースもしばしばですが・・・

本製作


本製作は、そのままユニバーサル基板のこともありますが、プリント基板にできればよりよいです。当然、回路むき出しよりもケースにしまう方がいいです。

ケース加工は「ピンバイス」→「リーマー」→「ハンドニブラ」→「ヤスリ」という手順です。



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tag: LTspice PDS5022 ブレッドボード 

PDS5022SでリアルタイムなFFT

PDS5022SとExcelで高速フーリエ変換では、デジタルオシロスコープPDS5022Sから取得したデータをExcelを使ってFFTする方法を書きました。
しかし、この場合は一度取得したデータをPCの上で編集する必要があるためリアルタイム表示はできませんでした。

これにたいして、私自身は未確認の情報ですが、最近のPDS5022Sでは標準的にFFTの機能を備えており、リアルタイムでスペクトル表示ができるようです。



また、FFTのついていない古いバージョンのPDS5022Sを使っている方にも朗報があります。
T. NakagawaさんOWON製オシロスコープPDS5022Sの活用と言う記事の中でPDS5022Sとパソコンを接続し、パソコン上でリアルタイムにFFT表示をするプログラムを公開されています。

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tag: PDS5022 FFT 

PDS5022Sでカーブトレーサ

デジタルオシロスコープPDS5022とファンクションジェネレータFG8210を用いて、汎用シリコンダイオード1N4148の順電圧-順電流特性を測定しました。

003_20100410015421.png 004_20100410015421.png


ダイオード・カーブトレーサ


LTspiceの直流解析(DC解析)をもちいると、ダイオードの順電圧-順電流特性のシミュレーションができます。


001_20100410015408.png
002_20100410015408.png
fig.1-2: LTspiceによるダイオードの順電圧-順電流特性


このダイオードの特性を実測する場合、直流的に電圧や電流をスイープし、デジタルマルチメータで測定を行い、測定データからグラフを書くのが正攻法ですが、発振回路とオシロスコープのX-Y表示を組み合わせて、オシロスコープの画面上にグラフを表示することもできます。
オシロスコープのX-Y表示を利用する方法の考え方としては、PDS5022SとExcelでヒステリシス曲線と同じです。

後者の方法で、ダイオードの特性を表示する装置をダイオードカーブトレーサと呼びます。(参考:ダイオードカーブトレーサの原理 - 電子工作実験教材の部屋RLC)
本エントリでは、汎用シリコンダイオード1N4148の順電圧-順電流特性をPDS5022で表示してみます。

回路構成


fig.3が測定に用いた回路構成です。
V1に発振回路を、CH1とCH2にそれぞれオシロスコープを接続します。


003_20100410015421.png
fig.3: 回路構成


実測波形


fig.4に示すのが、実際に測定された1N4148のカーブ特性です。


004_20100410015421.png
fig.4: 表示波形(赤),誤差補正後(緑)


電流はCH1の電圧に対してオームの法則から電流値を求めました。
赤のラインの横軸はCH2の電圧です。R2が誤差となるので、本来ダイオードの順電圧をプロットすべきですが、残念ながらPDS5022のX-Y表示ではCH間の演算ができません(Y-Tモードでは加減算ができます)。緑のラインの横軸は、取得データに対してCH2-CH1の演算を行ったもので、R2の影響による誤差をなくしたものです。

発振回路について


発振回路には、最近購入したFG8210を用いました。
しかしFG8210の性能は、(何か不足があるわけではないのですが、)どうにもがっかりな感じなので、購入はお勧めしません。具体的には、発振周波数や振幅の安定性がよくありません。
おそらく、秋月で購入できる同じ価格帯のファンクションジェネレータはすべからくそうなのだと思います。

本エントリの用途なら、単電源三角波/方形波発振回路で紹介した三角波発振回路でもよいと思います。ただし、比較的GNDに近い出力電圧を要求されるので、単電源ではなく両電源で設計すべきだと思います(特に、ツェナーダイオードのようにブレークダウン特性まで見る場合は、絶対に)。

また、既製品のファンクションジェネレータの購入を検討している方は、計測器ランドで展示しているDDS方式のものなどはどうでしょうか?店頭でデモ機を展示しているので、実際に触ってみることができる点がよいと思います。

関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイル等を添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


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