デジタル・オシロスコープ入門 - Teledyne LeCroyデジタル・オシロスコープ入門レクロイ・ジャパン株式会社 2007年4月26日（木）レクロイ・テクニカル・セミナー

デジタル・オシロスコープ入門

レクロイ・ジャパン株式会社

2007年 4月26日（木）

レクロイ・テクニカル・セミナー

LJDN-ST-GE-0325-0001

LeCroy Japan Corporation

プレゼンテーション内容

オシロスコープ入門

– アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープの違い

– デジタル・オシロスコープの構造

– 基本仕様

– 波形表示

– 波形測定

– ユーティリティ機能

アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープの違い


オシロスコープとは

一体何をするものでしょうか？

オシロスコープとは、（Oscillation）（Scope）

波形を見る機械です。


デジタルオシロスコープとアナログオシロスコープの主な特徴

デジタル・オシロスコープ

周波数帯域： DC～18GHz

DC電圧確度： 2%

電圧軸の分解能： 8ビット

タイムベース確度： 1ppm

単発現象の捕捉：簡単

高度なプロセッシングが可能

自動計測：フル・オートメーション可能

アナログ・オシロスコープ

周波数帯域：最高 DC～1GHzDC電圧確度： 2%タイムベース確度： 0.5%単発現象の捕捉：制限あり

プロセッシング：不可能

パラメータ測定：制限あり

自動計測：フロント・パネルのみ


アナログ・オシロスコープのブロック図アナログ・オシロスコープのブロック図

信号を検出します

どこから信号を捕らえるかを決定します

どれだけの範囲を捕らえるかを決定します

画面に映し出す準備をします

信号を画面に写します

トリガ回路

CRT

入力アンプ

時間軸掃引回路

CRT駆動回路


アナログ・オシロスコープの構造 (CRT)

電子銃

水平偏向板

垂直偏向板

電子ビーム蛍光面


デジタルデジタル･･オシロスコープのブロック図オシロスコープのブロック図

トリガ回路

入力アンプ

クロック

メモリ

AD変換器

CPU

画像表示回路

LCDパネル

信号を検出します

どこから信号を捕らえるかを決定します

どれだけの範囲を捕らえるかを決定します

画面に映し出す準備をします

信号を画面に写します機器の制御および信号解析を行います

時間軸の精度を保証します

信号をデジタル化します


最新のデジタル最新のデジタル･･オシロスコープの例オシロスコープの例Model : Waverunner64XiModel : Waverunner64Xi

画面（タッチ・スクリーン）画面（タッチ・スクリーン）

入力コネクタ入力コネクタ

USBUSBポートポート

操作パネル操作パネル


デジタル・オシロスコープの操作パネルModel : Wavesurfer64XsModel : Wavesurfer64Xs

TIME/DIV

VOLT/DIV

Trigger

ZOOM

時間軸（横軸）の条件を設定

電圧軸（縦軸）の条件を設定

波形の取り込み開始点の条件を設定

拡大率や拡大位置の設定

CURSOR

カーソル測定の設定カーソル測定の設定

デジタル・オシロスコープの基本仕様


デジタル・オシロスコープの基本仕様

入力チャンネル

周波数帯域

垂直分解能

サンプリング速度

メモリ長


入力チャンネルModel : Waverunner6100AModel : Waverunner6100A

1

2 3 4 外部トリガ

4ch仕様の例


バンド幅（周波数帯域） 1/4

周波数領域時間軸領域



時間軸領域と周波数領域での考え方

(時間領域)

(周波数領域)


バンド幅（周波数帯域－3dB) 3/4

カットオフ周波数の信号は70.7%に振幅が落ちる

波形を正しく観測するために・・・正弦（サイン）波＝2倍のバンド幅矩形波（方形波）＝5～7倍のバンド幅が必要

4.00E-01

5.00E-01

6.00E-01

7.00E-01

8.00E-01

9.00E-01

1.00E+00

1.10E+00

0 50000 100000 150000

-3dB0.707

@0.333Fc0.949

@0.5Fc0.894

測定誤差測定誤差10%10%程度なら程度なら1/21/2、、5%5%程度程度((約約--0.5dB)0.5dB)ならなら1/31/3、、3%3%程度なら程度なら1/41/4



入力 200MHz

100%

入力信号

画面表示波形

バンド幅 1.0GHz

入力 200MHz

バンド幅 200MHz波形は、小さくなる

入力信号出力信号

出力信号70.7%


信号とバンド幅の関係をサイン波信号で見ると

← 1GHz← 200MHz← 20MHz

← 1GHz← 200MHz

← 20MHz

200MHz正弦波


サンプリング速度 1/3 デジタル変換とは

バラバラで不連続な値がデジタル

切っても切ってもきりがない連続的な値がアナログ


サンプリング速度 2/3

5Mサンプル/s200ns/point

20Mサンプル/s50ns/point


サンプリング速度 3/3

本来の信号

5Ｇサンプル/s200ps/point

20Ｇサンプル/s50ps/point

立ち上がり時間：600ps立ち上がり時間：600ps

波形の再現性が悪い


周波数帯域の選択周波数帯域の選択（立上り時間の観測）（立上り時間の観測）

オシロスコープで観測される立上り時間オシロスコープで観測される立上り時間

オシロの立上がりが信号の立上がりの約１オシロの立上がりが信号の立上がりの約１//４程度４程度

10.04988 110

10.11187 1.510

10.19804 210

10.30776 2.510

10.44031 310

10.54093 3.3333333310

10.77033 410

11.18034 510

11.66190 610

12.20656 710

12.80625 810

13.45362 910

14.14214 1010

計測される立ち上がり時間(ps)

装置の立ち上がり時間(ps)

信号の立ちがり時間(ps)

測定誤差測定誤差10%10%程度なら程度なら1/21/2、、5%5%程度なら程度なら1/31/3、、3%3%程度なら程度なら1/41/4


500MS/sとは、1秒間に500,000,000回（5億回）のサンプリングを行なう事で、この場合の時間分解能はその逆数（2ns）になる。

時間分解能

サンプリング速度と時間分解能


サンプリング速度の選択サンプリング速度の選択（波形観測）（波形観測）

サンプリング速度サンプリング速度==信号の信号の周波数の周波数の1010倍倍以上が必要以上が必要

１周期中に１周期中に1010点が目安点が目安

2点/周期 10点/周期


自然の景色(アナログ)をデジタル･カメラで撮影すると、画素に細かく分けられてデジタル･データになります。

時間分解能

デジタル･カメラに例えた垂直分解能とサンプリング速度

デジタルアナログ


縦軸分解能が4分の１に低下


横軸分解能が4分の１に低下


エリアシング

サンプリング速度＝測定周波数の2倍以上が必要


実際のエリアシング 1

100MS/s100MS/s

6MS/s6MS/s

100MS/s100MS/s

6MS/s6MS/s


実際のエリアシング 2

同じ信号を測定｢エリアシング」発生

3MHｚの信号を入力

125kHz

3MHz100MS/s

3.125MS/s


垂直分解能 1/2 A/D 変換


垂直分解能 2/2

3 ビット 5 ビット

8 分割 32 分割


メモリ長 1/4いつでも最高速が出せるわけではない

メモリ長により異なります。


メモリ長 2/4

メモリ長が長い

メモリ長が短い

メモリ長が長いと、長い時間の信号が取り込める。

同じサンプリング速度で


メモリ長 3/4ロング・メモリとショート・メモリ

同じ観測時間にするとサンプリング速度が半分になる




メモリ長 3/4ロング・メモリとショート・メモリ



サンプリング速度が減少サンプリング速度が減少観測時間が減少観測時間が減少


メモリ長 4/4観測時間、メモリ長とサンプリング速度

必要メモリ長（200kワード）＝観測時間（1ms） ×サンプリング速度（200MS/s）

200MS/s200MS/s


観測時間とサンプリング速度の関係

必要なメモリ長捕捉時間 100Mﾜｰﾄﾞ 50Mﾜｰﾄﾞ 24Mﾜｰﾄﾞ 10Mﾜｰﾄﾞ 5Mﾜｰﾄﾞ 2.5Mﾜｰﾄﾞ 1Mﾜｰﾄﾞ 500kﾜｰﾄﾞ 250kﾜｰﾄﾞ 100kﾜｰﾄﾞ2s 0.051s 0.1 0.05500ms 0.2 0.1 0.05200ms 0.5 0.2 0.1 0.05100ms 1 0.5 0.2 0.1 0.0550ms 2 1 0.5 0.2 0.1 0.0520ms 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.0510ms 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.055ms 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.052ms 20 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.051ms 20 20 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1500μs 20 20 20 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2200μs 20 20 20 20 20 10 5 2.5 1 0.5100μs 20 20 20 20 20 20 10 5 2.5 150μs 20 20 20 20 20 20 20 10 5 2.520μs 20 20 20 20 20 20 20 20 10 510μs 20 20 20 20 20 20 20 20 20 10

サンプリング速度(GS/s）

Model:SDA6000AXXLの場合

必要メモリ長（Points）＝観測時間（Second） ×サンプリング速度（GS/s）

デジタル・オシロスコープの画面表示


波形の拡大


拡大してはじめて真実がわかることもあります


データの発生頻度に応じてカラー（階調）表示をします。

カラー・グレード表示

アナログ階調表示

パーシスタンス表示：データの発生頻度を表示

テクトロニクスのDPOのようなもの


一般的な複数波形表示


シングル・グリッドの弊害？

28ビットor

256 レベル

26ビットor

64 レベル


4ch入力をシングル・グリッドで見る弊害

波形が重なり合って見にくい

64 レベル

256 レベル


フル・スケール


マルチ・グリッドで分解能を有効に使う


マルチ・グリッドで分解能を有効に使う

フルスケールで見ないと波形を正確に解析できません。

256 レベル


マルチ・グリッド表示とシングル・グリッド表示

4分割マルチ・グリッド

シングル・グリッド


同じ信号を「マルチ・グリッド」で観測すると….


波形拡大機能：マルチ・ズーム機能

デジタル・オシロスコープのトリガ


アナログ・オシロスコープのトリガ

常に画面の左端がトリガ点となる。


プリ・トリガとポスト・トリガ

デジタル・オシロでは、メモリの中でトリガ点を自由に設定することができる。


トリガ機能 : エッジ・トリガ機能 1/3

トリガ・ポイント

トリガ・レベル



ゆっくりした周期の連続信号も簡単に捕捉することができます。

ショット #1 ショット #2 ショット #3 ショット #4 ショット #5 ...


エッジ・トリガ機能は次のような信号に安定して同期をとることができません。なぜでしょうか？

ショット #1 ショット #2 ショット #3 ショット #4 ショット #5...



インターバル・トリガ 1/2

この信号に特有な性質を探してトリガをかけます。

タイム・インターバル“T”

に対してトリガをかけます。

ショット＃１ショット＃2 ショット＃3 ショット＃4 ショット＃5 ...

「ホールド・オフ機能」を使えば、指定した時間内に発生したトリガ・イベントを無効にします。したがって、

オシロスコープはこの場合には、最初のエッジに対してのみトリガしますので、安定した表示が得られます。

T

ホールド・オフ時間


インターバル・トリガ 2/2

インターバル（周期）の大きさ

でトリガします。


グリッチ（パルス幅）・トリガ

パルス幅の大小でトリガをかけます。


ロジック・トリガ

２つの入力の論理の組み合わせでトリガ

High

High


ステート・クオリファイトリガ

ひとつのロジック信号のｽﾃｰﾄ状態で、他の信号のトリガを有効にします。

CH１のステートがLowの時にCH２の2個のイベントを待って

トリガします。

LOW


ドロップアウト・トリガ

信号が減衰して指定した時間内に復帰しない時に

トリガします。

デジタル・オシロスコープの波形測定・演算


カーソルで選択したサンプリング点の値を表示できる。（補間によりサンプリング点間の値も読み取り可能）

波形の読み取り 1/2


カーソル

読み取り値（電圧）

波形の読み取り 2/2

読み取り値（時間）


カーソル測定

振幅をカーソル測定 2点間の電圧差と時間差をカーソル測定


パラメータ演算

標準電圧パラメータ表示


任意に設定できるパラメータ演算


パラメータ演算：統計処理機能を使う


パラメータ演算：ヒストグラムを使う

Histcon


パラメータ演算：ロングメモリの活用

11 22 33 44 55 66 77 88 99 1010 1111 1212 1313 1414

全ての周期を対象にパラメータを計測全ての周期を対象にパラメータを計測


パラメータ演算：特定の範囲を指定


ノイズを除去する…アベレージング


単発信号のノイズ除去…. 分解能向上演算（ERES）


波形変動の最大値を残す...エンベロープ・モード


周波数を分析する… FFT演算機能


標準パラメータ in LeCroy DSO

振幅領域ベース整数サイクル平均整数サイクル実効値サイクルデータディレイ⊿ディレイ

デューティ・サイクル立下り時間 90-10%立下り時間 80-20%周波数最大値

平均メジアン最小値正のオーバーシュート負のオーバーシュートピーク・ツー・ピーク周期位相立ち上がり時間 10-90%,立下り時間 20-80%実効値トップパルス幅整数サイクルメジアン

サイクル標準偏差偏差レベル時間トリガ・レベル時間セットアップ時間ホールド時間

期間(捕捉時間)レベル立下り時間ファースト・ポイントラスト・ポイントポイント数レベル立ち上がり時間標準偏差


波形演算機能 in LeCroy DSO

四則演算アベレージング分解能向上演算(最大11 ビット)エンベロープFFTフロアルーフ微分積分逆数反転リサンプル(位相設定)リスケール(工学単位への設定変更可能)平方根２乗

サイン補間絶対値exp(e)exp(10)log(e)log(10)トレンド表示

内部メモリ波形メモリ最大４つの16ビットメモリ(M1, M2, M3, M4)Zoom & Mathメモリ最大４つの16ビットメモリ(トレースA, B, C, D)

ユーティリティ機能


波形の画像保存・データ保存

画像：BMP、JPEG、TIFF、etc 数値：Binary、ASCII、MATLAB、etc


自動合否判定


リモート制御： ScopeExplorer

イーサネットGPIB

オシロスコープと同じ操作感覚で制御可能


リモート制御： ActiveDSO

ActiveXをサポートしているアプリケーション・ソフトウエア（Excel, PowerPoint, Internet Explorer, Visual Basic, VisualC++, LabVIEW等）からオシロスコープをリモート・コントロールできます。


デジタル・オシロスコープの基本的な仕様

周波数特性– 入力信号に対して、観測波形の振幅が－3dBダウンする点で規定– 矩形波の観測：5～7倍のバンド幅が必要

サンプリング速度– 矩形波の観測：10倍以上のサンプリング速度

メモリ長– ロングメモリは重要– （メモリ長）＝（サンプリング速度）×（観測時間）

100Mワードのメモリ長、 10GS/sのサンプリング速度では、 10ms 測定可能24Mワードのメモリ長、 5GS/sのサンプリング速度では、 4.8ms 測定可能

デジタル・オシロスコープの機種選定

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