オシロスコープとは？基礎知識や使い方・値段などを詳しく解説

オシロスコープとは？

オシロスコープとは、電気信号の時間的な変化を波形として視覚化する測定装置のことを言います。

テスターとは異なり、ただ電圧の大きさの数値を表すだけでなく、電気信号の増減の変化を二次元的な情報として観測できることから、電気回路のメンテナンスや検品などに広く使われています。

オシロスコープを使うと何が分かる？

オシロスコープを使用すると、電気信号の位相差や立ち上がりの時間、周波数や周期が分かります。

この特性を活かして、電気回路の動作検証や、ノイズなどの異常信号や、学術関係の実験などにおける観測で用いられています。

オシロスコープの歴史

電子機器が当たり前のように使われる現在では、オシロスコープは必要不可欠な存在です。オシロスコープは電子工学技術の発展とともに進化してきました。

オシロスコープの歴史は電子測定装置の中でも古く、既に19世紀末にはオシロスコープの原型とされるているものが存在していたようです。

当時のオシロスコープは現在よく使われているデジタルオシロスコープではなく、アナログオシロスコープと呼ばれるもので、陰極線菅（ブラウン管）に電気信号の波形を表示していました。

1940年代に、トリガ回路を用いたオシロスコープが開発されると、不安定な波形の観測もできるようになり、電子工学の分野で広く普及していきました。

その後、2000年代までアナログオシロスコープは高機能化が続きましたが、デジタルオシロスコープの台頭により、現在ではあまり使用されなくなりました。

一方、デジタルオシロスコープは1970年代に発明され、基本的な原理は今とほとんど変わらず、CPUの進化とともに高性能化していきました。

最近のものでは、小型化が進み、屋外作業でも持ち運びが容易なオシロスコープ製品も存在しています。

オシロスコープの使い方

測定された電気信号は、フロントパネル画面に波形として表示されます。

画面は電圧の大きさを表す垂直軸と、時間を表す水平軸の2つの軸から構成されており、画面左端の中央に電圧が0Vであることを示すグランドマークが表示されています。

垂直軸は8個のグリッド、水平軸は10個のグリッドで分割されており、それぞれ1divとして数えられます。

ツマミを回すことによって、ひとつのグリッド当たりの電圧の大きさ（V/div）や時間の大きさ（Time/div）を変更することができるため、対象の周波数や電圧に合わせて計測することができます。

トリガーの掛け方

トリガー（トリガ）とは、複数の波形が重なって見づらいときなどで、特定の波形だけを取り出したいときに使用する機能のことです。

トリガーポジションで時間を決め、トリガーレベルで電圧の大きさを決めると、そこの地点を設定した電圧の大きさになる波形だけを取り出すことができます。このことを「トリガーを掛ける」と言います。

ただ電圧の大きさを決めるだけでなく、その地点で波形が立ち上がる（電圧が増加する）のか、立ち下がるのかを選択することもできます。

プローブとは？

プローブとは、測定対象から電気信号をオシロスコープへ伝えるための器具のことを言います。使い方は、オシロスコープの入力にプローブを接続し、測定対象とプローブを接続します。

さまざまな対象を測定するためのプローブが存在しています。

プローブの種類と選び方

プローブはただ電気信号を伝えるためのケーブルのような単純なものだと認識されてしまうことがありますが、プローブを適切に選択できていない場合は、正しい波形の測定ができなくなる原因になる可能性があります。

それぞれのプローブの特性を踏まえて、対象の測定に使用できるか正しく知識を持っておく必要があります。

ここでは、主なプローブの種類について紹介します。

プローブは、電圧プローブ、電流プローブ、特殊プローブの大きく3つに分類されます。

・電圧プローブ
電圧プローブは、電圧を検出し、オシロスコープへ入力するプローブです。受動型（パッシブ）と能動型（アクティブ）の種類から構成されています。

受動プローブとは、オシロスコープの入力部をそのまま対象の測定と直接繋げるような形で拡大したものと説明できるものです。

一方、能動プローブとは、先端の近くに高入力インピーダンスのアンプを内蔵しており、入力容量が小さくても測定できるプローブのことを言います。小さい入力容量で計測できるため、高い周波数の波形を測定できます。

・電流プローブ
電流プローブとは、対象の電流を電圧信号に変換することによって、オシロスコープでも電流を測定できるようにするプローブのことを言います。

電流プローブも受動型と能動型の2種類から構成されています。

・特殊プローブ
特殊プローブは、特殊な用途や形状をしたプローブのことを指します。

正しく観測できないときの対処法

オシロスコープを使用する際に、正しく観測ができていないときは以下の確認をしてみると良いでしょう。

・正しく補正できているか
プローブを接続する際は、プローブの補正を行わなければいけません。オシロスコープの入力容量は機種によって異なるため、それぞれに合わせた補正が必要です。

・正しいプローブを選択できているか
測定対象に合ったプローブを選択していなければ、正しく計測することができません。他の用途のものを無理に流用したり、本来のプローブの特性を確認しないで使用することは避けましょう。

・接続アクセサリが間違っていないか
対象に合わせてプローブに取り付けるアクセサリを変える必要があります。

接続アクセサリに合っていない対象を測定してしまうと、負荷がかかって故障やノイズの原因になることがあるため、アクセサリは必要最低限の使用を意識するとよいでしょう。

オシロスコープの波形の種類

測定する対象によって波形の形はさまざまです。オシロスコープで測定できる主な波形について紹介します。

波形の種類

波形は測定する対象によって異なります。一定間隔ごとに位相の変化を繰り返すような文字通りの波の形状をするものから、一定の電圧の大きさで変化しないものや、複雑な位相変化をするものまで多種多様です。

正弦波

正弦波は基本的な波形の形状ともいわれ、sinのグラフと同じ形状をしています。基本的に家庭用コンセントのような交流電源ではこの形の波形がみられます。

方形波と矩形波

方形波は一定の間隔でオンとオフを繰り返すような形状で、直線で構成されるような形状が特徴です。主に、コンピュータなどで、0と1を電気信号として表すような場面でみられます。

のこぎり波と三角波

のこぎり波は見た目の通り、のこぎりの歯のような形状をしており、一定間隔ごとに位相が急激に下がっては直線的に上昇するのを繰り返す波形です。

テレビのブラウン管の走査線を制御する際の波形としても用いられます。

ステップとパルス

ステップ波は、電圧が突然変化し、変化後は一定で止まるような形状の波形を言います。パルス波は、電圧が一瞬だけ上昇する瞬間的な波形のことを言います。

どちらも、定期的には発生しない波形として「単発信号」などと言われることがあります。

周期的な信号と非周期的な信号

周期信号は、波形が同じ間隔で繰り返す信号のことを言い、常に波形間隔が変わる信号のことを非周期信号と言います。

先ほど紹介した正弦波などの波形も、一定周期で繰り返す波形のため、周期信号に含まれます。

同期信号と非同期信号

2つの信号の変化が一致している場合、同期しているとみなすことができ、同期信号とされます。
一方で、お互いの変化が一致していないような場合は非同期信号とみなされます。

複雑な波形

先ほど紹介した正弦波や方形波、パルス波などが合成された波形も存在します。高性能なオシロスコープでは、複雑な波形を輝度を用いて表示できるものもあります。

オシロスコープの値段

オシロスコープの値段は範囲が広く、小型のものは1万円以下から、工業製品用のものは100万円以上するものがあります。

また、オシロスコープと合わせて使用するプローブも値段に幅があり、工業製品用のものでは10万円程度のものも存在します。

オシロスコープについてのまとめ

このように、多種多様な波形を計測できるオシロスコープはエレクトロニクス分野ではなくてはならない存在です。

入力できる電圧や測定できる周波数が機種によって異なるため、入念に必要なスペックについて検討したうえでオシロスコープを選択すると良いでしょう。