この5部構成のシリーズの第1部では、オシロスコープとマルチメーターの基本と、それぞれのデバイスが得意とする領域について説明しています。フルーク・トレーニングセンターでは、オーディオとアニメーションを含む完全な3部構成のウェビナーを視聴することもできます。
電気信号の測定
電気現象は、次の3つの領域で測定できます。
- 振幅 (どれくらい大きいか？)
- 周波数 (どれくらい速く変化しているか？)
- 時間 (どれくらいの期間調べているか？)
異なるツールは信号の異なる側面を測定し表示します。
- マルチメーター は、信号の振幅を正確に測定し表示します。
- スペクトラムアナライザー は、周波数に対する信号の振幅を測定し表示します。
- オシロスコープ は、時間に対する信号の振幅を測定します。
電気の世界では、振幅が時間と共に意図的に変化する信号が多く存在します（通常はプロセスを制御するため）。また、一定であるべき信号の振幅が一定でない場合もあり、その理由を解明する必要があります。これらのケースでは、オシロスコープが最適なツールです。なぜなら、時間とともに変化する信号の振幅の正確性を分析するために使用できるからです。
マルチメーターとは何か、そしてどのように機能するのか？
マルチメーターは、ボルト、オーム、アンペアの離散的な測定値を正確に表示するデバイスです。
典型的なデジタルマルチメーターは、デュアルスロープ、積分型アナログ・デジタル変換器（ADC）を使用して測定を行います。
ADCは、まず入力を積分コンデンサ回路に適用することで動作します。これは、水を貯水タンクに満たすのに似ています。信号は、通常ミリ秒から最大1秒の範囲で正確な時間だけ回路に適用されます。
次に、測定回路はコンデンサをゼロボルトに放電しながら、放電時間を正確に測定します。放電にかかる時間は入力信号のレベルに比例するため、信号の大きさを測定するために使用できます。
再び水タンクのアナロジーを使うと、水タンクは正確にわかっている時間間隔で未知の速度で満たされ、その後タンクが空になります。タンクを空にするのにかかる時間は、タンクにどれだけの水があったかを測定するのに直接比例し、使用できます。
オシロスコープとは何か、そしてどのように機能するのか？
オシロスコープは、時間とともに変化する信号をサンプリングし、その信号を表示にプロットするデバイスです。信号の振幅は表示の垂直軸にプロットされ、時間は水平軸に表示されます。
現代のデジタルオシロスコープは、時間が何時間もかかる信号変化から、10億分の1秒ほどの短い信号変化まで表示できます。オシロスコープは、ナノ秒単位で変化する信号をデジタル化できる必要があるため、マルチメーターのアナログ・デジタル変換器とは非常に異なる方法で動作する必要があります。
非常に高速な測定を行うために、多くのオシロスコープでは、複数の並列コンパレータを使って入力信号を測定する技術を使用しています。測定を行うために、信号はすべてのコンパレータに同時に適用され、各コンパレータは信号レベルをユニークな基準電圧と比較します。信号がコンパレータの基準電圧と同じかそれ以上の場合、コンパレータはデジタルビットを0から1に変更し、その瞬間の信号電圧をマイクロプロセッサに伝えます。この測定技術の利点は、変換速度です。欠点は、精度が低くなることです。オシロスコープの電圧測定は、プラスマイナス1.5%程度の精度しかありませんが、基本的な3.5桁のマルチメーターの精度は、プラスマイナス0.15%程度まで高くなります。
マルチメーターとオシロスコープのどちらを選ぶべきか？
マルチメーターは入力の正確な測定値を表示し、オシロスコープは入力が時間とともに変化する際の多くの測定値のグラフィカルな表現を表示します。
典型的なマルチメーターは、1秒あたり5～10回の入力を測定し、高精度で測定値を表示します。典型的なオシロスコープは、1秒あたり何十億回もの入力を測定するため、極端に短い時間でも入力の変化を正確に表現できます。
デジタルマルチメーターは非常に正確で高解像度の測定を提供できますが、オシロスコープは時間の次元を追加します。入力の振幅を時間とともにプロットすることで、分析やトラブルシューティングに多くの利点が得られます。これには以下の情報が含まれます。
- 振幅：ピーク間、ピーク、RMS、または特定の関心ポイントでの振幅
- 時間：信号周期または周波数、ある点から次の点までの時間、2つの異なる信号間の時間、およびその他の時間関連の測定
- 波形：正弦波、方形波、パルス波形の全体的な品質を検査することができます。また、ビデオ信号、デジタル通信信号などの複雑な波形も調べることができます。
- 信号品質：信号波形の歪みや乱れ
このシリーズの後半では、オシロスコープを使って波形を分析する方法について詳しく説明します。
Flukeオシロスコープ
ここで紹介した概念や技術は、Flukeのポータブルオシロスコープの全製品範囲で検証できます。帯域幅が20MHzから200MHzまでのFluke ScopeMetersは、ルーチンなトラブルシューティングからランダムイベントの検出などの要求の厳しいタスクまで、幅広い測定に対応する性能と機能を備えています。Flukeオシロスコープは、厳しい環境での使用を目的として設計されており、実験室やベンチから離れた場所でも使用できます。