オシロスコープ

オシロスコープは、入力電圧信号をキャプチャし、スケール グリッドに表示される、正しくスケールされた電圧対時間波形に変換するデバイスです。オシロスコープには、入力信号をキャプチャして表示するタイミングを定義するトリガー回路と、(垂直電圧) 信号調整を可能にして広範囲の入力信号振幅を受け入れる可変ゲイン フロント エンドがあります。水平 (タイムベースまたはスイープ) 調整は、信号を取得する期間を定義します。

アナログ オシロスコープを発明したと主張する人は多いでしょうが、Tektronix は、機器の有用性と汎用性を大幅に向上させた最初のトリガー スイープ (アナログ) オシロスコープを発明したと正当に主張できます。

1985 年、LeCroy Corporation (現在の Teledyne LeCroy) の Walter LeCroy と彼の設計チームは、その当時まで使用されていたアナログ オシロスコープの機能と性能を再現し、改良した初のデジタル ストレージ オシロスコープ (DSO、現在は単にデジタル オシロスコープと呼ばれています) である Model 9400 をリリースしました。Model 9400 は、当時のアナログ オシロスコープで利用可能な帯域幅 (125 MHz) と同等で、32,000 サンプル ポイント (当時としては驚くほど長い取得レコード長) を使用して、長時間にわたって信号を連続的にキャプチャすることができました。LeCroy の WD2000 波形デジタイザ (1971 年発売) が初のデジタル ストレージ オシロスコープであるという主張は薄弱ですが、レコード長は 20 サンプル ポイントに制限されており、アーキテクチャはより長いレコード長に簡単に拡張できませんでした。全文は、こちらでお読みください。ttps://www.teledynelecroy.com/ウォルター・レクロイ.

1985 年、ウォルター・レクロイとレクロイ社 (現テレダイン・レクロイ) の設計チームは、当時使用されていたアナログ オシロスコープの機能と性能を再現し、改良した初のデジタル ストレージ オシロスコープ (DSO、現在は単にデジタル オシロスコープと呼ばれています) をリリースしました。モデル 9400 は、当時のアナログ オシロスコープと同等の帯域幅 (9400 MHz) を備え、125 サンプル ポイント (当時としては驚くほど長い取得レコード長) を使用して、長時間にわたって信号を連続的にキャプチャすることができました。レクロイの WD32,000 波形デジタイザ (2000 年発売) が初のデジタル ストレージ オシロスコープであるという主張は薄弱ですが、レコード長は 1971 サンプル ポイントに制限されており、アーキテクチャはレコード長を長くするには簡単に拡張できませんでした。全文は、こちらでお読みください。https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

オシロスコープは、電圧信号を入力として受け入れます。非電圧信号 (電流信号、磁場信号など) を適切な単位で正しくスケーリングされた電圧信号に変換するには、プローブまたはセンサーを使用する必要があります。電流を測定するプローブまたはセンサーは、オシロスコープの製造元から一般的に入手でき、他の単位を測定するセンサーも広く入手できます。ほとんどのプロ仕様のオシロスコープは、一般的な再スケーリング (ボルトからアンペアなど) と他の多くの単位をサポートしていますが、これが要件にとって重要な機能である場合、特にセンサーの入力と出力の比率が非線形である場合は、購入前にオシロスコープ内での再スケーリングのサポートを確認することをお勧めします。

参考ウェビナーパート 7: オシロスコープで電流を測定するにはどうすればいいですか?とパート 8: シャント抵抗器を使用してオシロスコープで電流を測定するにはどうすればよいでしょうか?詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

この波形記録装置のデジタル化に関する IEEE 1057 規格デジタル オシロスコープのアナログ帯域幅は、基準周波数 (オシロスコープの場合は DC) での応答の振幅応答が -3 dB (70.7% に相当) になる周波数として指定されます。デジタル オシロスコープにアナログ帯域幅の仕様があるのはわかりにくいかもしれませんが、デジタル オシロスコープには、信号をデジタル化して保存する部分の前に、多くのアナログ アンプ コンポーネントがあります。

信号のキャプチャと測定に必要な帯域幅は、測定する信号、実行する測定の種類、および測定に求められる精度によって大きく異なります。ほとんどのエンジニアが使用する大まかな目安は、測定する最高周波数信号の 3 倍の帯域幅を持つオシロスコープを使用することですが、これは非常に高い周波数の信号では非現実的になります。

FAQ (上記) のオシロスコープの帯域幅の定義を参照してください。ほとんどのオシロスコープは、帯域幅周波数定格の 3% (またはそれくらい) で緩やかな振幅ロールオフを開始し、-50 dB 帯域幅定格周波数にゆっくりと近づきます。つまり、オシロスコープの振幅応答が定格帯域幅の 1% で -70 dB、定格帯域幅の 2% で -85 dB の場合、取り込まれた純粋な正弦波の振幅は、入力正弦波周波数がオシロスコープの帯域幅定格に近づいたときと比較して、約 90% (-1 dB) または 80% (-2 dB) および 70% (-3 dB) になります。ただし、ほとんどのエンジニアはオシロスコープで純粋な正弦波を測定していません。帯域幅が最も高いオシロスコープは、さまざまな理由から、より平坦 (振幅ロールオフが少ない) または調整可能な振幅応答を備えている場合があることに注意してください。

エンジニアが測定している信号は、方形波に似ている場合が多いでしょう。この場合、方形波は、基本周波数と奇数次高調波の合計で構成されるフーリエ級数展開として表すことができ、N 次高調波はその周波数で 1/N の振幅を寄与することが知られています。つまり、方形波を正確に表すには、基本周波数と十分な数の奇数次高調波をキャプチャするのに十分な帯域幅が必要です。「十分な」奇数次高調波の数 (および必要な帯域幅) は、オシロスコープでの立ち上がり時間測定が実際の信号よりも遅いことに対するエンジニアの許容度と、測定された信号に存在する付加的なオーバーシュートとリンギングの量によって決まります。3 次高調波のみがキャプチャされた場合、立ち上がり時間はかなり遅くなり、99 次高調波がキャプチャされた場合 (この場合、キャプチャされた信号は元の入力信号と区別がつかなくなります) と比較してオーバーシュートとリンギングが目立ちます。

これで、「必要な帯域幅はどれくらいですか?」という質問に対して最も頻繁に返される最初の答えに戻ります。つまり、最高周波数信号の帯域幅の約 3 倍です。しかし、「最高周波数」とは何を意味するのでしょうか。この文脈では、ほとんどのエンジニアはオシロスコープの立ち上がり時間測定機能 (帯域幅に関連) について考えています。エンジニアが立ち上がり時間が 1 ns の信号を測定したい場合、立ち上がり時間が 1 ns のオシロスコープは選択しません (このようなオシロスコープの帯域幅は通常 350 MHz です)。3 倍の帯域幅 (つまり 1 GHz) のオシロスコープを選択します。

参考ウェビナーパート 2: オシロスコープに必要な帯域幅はどれくらいですか?詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

分解能はアナログ-デジタルコンバータ（ADC）の量子化レベルの数であり、NビットADCは2^N 量子化レベル。例えば、8ビットのオシロスコープには2つの⁸ = 256量子化レベルであるのに対し、 12-bit オシロスコープには2つあります¹² = 4096 量子化レベル。ADC のビット数 (量子化レベル) は、オシロスコープの信号パスの残りの部分 (特にアナログ コンポーネント) が高解像度 ADC に見合ったノイズ性能を持つことを保証するものではないことに注意してください。したがって、宣伝されている高解像度オシロスコープは、従来の 8 ビット解像度オシロスコープと何ら変わらないパフォーマンスを示す可能性があります。参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較する多くのオシロスコープメーカーが高解像度オシロスコープを設計する際に行うトレードオフの詳細については、ウェビナーを参照してください。パート 1: オシロスコープの解像度とは何ですか?詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

高解像度オシロスコープとは、そのように宣伝されているオシロスコープで、改良されたハードウェア、ソフトウェア フィルタリング (帯域幅とサンプル レートを削減)、またはその両方の組み合わせを使用して、従来の 8 ビット オシロスコープと比較して解像度と信号対雑音比が向上しているオシロスコープです。高解像度という宣伝文句は、実際のパフォーマンスを保証するものではありません。ADC 固有の高解像度、または帯域幅を縮小した場合にのみ可能なベースライン ノイズまたは信号対雑音比の改善という宣伝文句は、いわゆる高解像度がすべての通常のオシロスコープの動作条件で現実的に達成されないことを示す危険信号です。参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するのガイドをご参照ください。

違いはありません。これらは同じことを表現するための2つの方法にすぎません。ただし、テレダイン・レクロイは、ハイ・デフィニション・オシロスコープという名前とHDOという頭字語の登録商標を持っており、オシロスコープを最初に提供した会社であることに留意してください。 12-bit サンプル レートや帯域幅を低下させることなく、常に 12 ビットを提供する高解像度オシロスコープ。

ミックスド シグナル オシロスコープ (MSO) は、一般的にアナログとデジタル (ロジック) の両方の入力チャネルを備えたオシロスコープを指します。一般的な構成は、4 つのアナログ入力チャネルと 16 のデジタル ロジック入力チャネルです。デジタル ロジック入力チャネルは、その機能を必要とする信号用に、より少ない (そしてより高価な) アナログ入力チャネルを確保しておくことができ、デジタル ロジック入力チャネルは、単純なトグル信号やロジック信号、または低速シリアル データ (I2C、SPI、UART など) 信号に使用できます。

ミックスド ドメイン オシロスコープ (MDO) は、時間領域と周波数領域の両方で信号をキャプチャするために、何らかのタイプの無線周波数 (RF) 入力または変換を提供するオシロスコープのマーケティング用語です。専用の RF 入力が提供される場合、機能はスペクトル アナライザと同等になります。ソフトウェア高速フーリエ変換 (FFT) 技術を使用すると、専用の (高価な) RF 入力がなくても同様の機能を提供できます。

オシロスコープの振幅精度は、さまざまなコンポーネントで構成されており、オシロスコープの解像度、入力パス、入力周波数コンテンツ、プローブの使用の有無などによって異なります。振幅精度は、1％以上から％未満の範囲です。 12-bit ケーブル信号入力を備えた高解像度オシロスコープ (HDO®) の場合、5 Ω 終端を介してオシロスコープに接続されたアクティブ プローブで動作する 8 ビット オシロスコープの場合は 50% (またはそれ以上) になります。これらの精度はデジタル電圧計 (DVM) と比較すると低いように思われるかもしれませんが、オシロスコープは DVM よりもはるかに多くの機能を提供します。

参照パート 1: オシロスコープの解像度、精度、感度の違いは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

感度とは、オシロスコープで表示できる最小の信号変化です。感度の高いオシロスコープは、感度の低いオシロスコープに比べて、より小さな信号を表示できます。オシロスコープの感度調整は、垂直ゲイン設定 (ボルト/div) を使用して行います。感度が高いことは必ずしも高精度と相関するわけではなく、高感度を示すアナログ垂直ゲイン設定 (例: 1 または 2 mV/div) は、オシロスコープの ADC 解像度またはノイズによって有用性が制限される可能性があることに注意してください。参照パート 1: オシロスコープの解像度、精度、感度の違いは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

歴史的に、エンジニアは立ち上がり時間を TR(s) = 0.35/帯域幅 (Hz) という式に従って帯域幅と関連づけていました。TR は 10 ～ 90% の立ち上がり時間です (IEEE の定義による)。この式は、オシロスコープの帯域幅が非常に低く (1 GHz 以下)、振幅のロールオフが非常に緩やかだった時代には (ほぼ) 当てはまりました。この式は、帯域幅の低いオシロスコープでも当てはまります。

今日の高帯域幅オシロスコープ、またはより複雑でノイズの少ない信号パスを備えたオシロスコープは、製品ラインの低帯域幅モデルでは TR(s) = 0.35/帯域幅 (Hz) の式に従いますが、最大帯域幅モデルでは TR(s) = 0.4/帯域幅 (Hz) に従うか、または TR(s) = 0.45/帯域幅 (Hz) に近い値 (場合によってはそれ以上) に従います。低帯域幅モデルで分子が小さい理由は、最高帯域幅モデルと比較して、振幅のロールオフが緩やかな高周波ヘッドルームを持つアナログ信号パスを使用している可能性が高いためです。製品シリーズで最も帯域幅の広いオシロスコープ モデルでは、アナログ信号パスが振幅応答の上限に達している可能性が高く、それを超えると振幅応答が急速に低下します。その結果、オシロスコープの帯域幅定格を超えると高周波応答が大幅に減衰するため、立ち上がり時間が遅くなり (分子が高くなります) ます。

参考ウェビナーパート 3: オシロスコープの立ち上がり時間と帯域幅の関係詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

デジタル オシロスコープは、電圧値をサンプリングして保持し、個別のサンプル ポイントを作成するアナログ/デジタル コンバーター (ADC) を通じて信号をデジタル化します。サンプル ポイントは指定された周波数 (時間間隔) で記録され、サンプル レートはサンプル/秒で表されます。

参考ウェビナーパート 4: オシロスコープのサンプル レートと必要な値はどれくらいですか?詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

ナイキスト定理によると、必要な最小サンプル レートは、測定する周波数の 2.5 倍です。デジタル オシロスコープでは、これは通常サンプル レートとして解釈され、オシロスコープの帯域幅定格の 倍以上である必要があります。ただし、オシロスコープは通常、帯域幅定格を超えてブリックウォール振幅応答を示すことはなく、帯域幅定格を超える高周波コンテンツも通過させます。したがって、ほとんどのオシロスコープは、最小サンプル レート対帯域幅比 を提供します。これは、デジタル サンプル ポイントから正弦波を再構築するための最小値と見なすことができます。

デジタルサンプルポイントからより複雑な信号形状を正確に再現するには、エンジニアは通常、立ち上がりエッジで5つ、場合によっては最大10個のサンプルポイントを必要とします。エンジニアが、測定したい信号の倍の速度のオシロスコープを選択するという一般的な経験則に従っている場合（ウェビナーを参照）パート 2: オシロスコープに必要な帯域幅はどれくらいですか?その他の詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズ、または同様のタイトルの FAQ を参照してください)、立ち上がりエッジの 5 ～ 10 個のサンプル ポイントに簡単に対応できます。

参考ウェビナーパート 4: オシロスコープのサンプル レートと必要な値はどれくらいですか?詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

取得メモリは、デジタル オシロスコープのサンプル ポイントを保存してディスプレイに呼び出したり、測定や数学計算などの追加処理に使用したりするために使用されます。

オシロスコープの取得メモリには、デジタル化された信号のオシロスコープのサンプル ポイントが保存されますが、オシロスコープの機能を実行する中央処理装置 (CPU) には、CPU のニーズを満たすための独自のランダム アクセス メモリ (RAM) があります。

メモリ深度は、ポイント（キロポイント（kpts）、メガポイント（Mpts）、ギガポイント（Gpts）またはサンプル（メガサンプル（MS）など）で測定できます。

サンプル (またはポイント) の数が多いほど、サンプル レートを下げる必要が生じる前に、非常に長い連続時間間隔をキャプチャする能力が高まります。エンジニアが必要とするサンプルの数は、キャプチャする信号の帯域幅、エンジニアがそれらの信号をキャプチャするのに必要な時間分解能、およびエンジニアが取得したい連続時間の長さによって異なります。

オシロスコープのサンプル レートが 10 GS/s で、取得メモリが 1 GS (または Gpts) の場合、100 ms の時間を取得できます (1 GS / 10 GS/s = 0.1 s、つまり 100 ms)。200 GS の取得メモリで 1 ms をキャプチャする必要がある場合、サンプル レートを 5 GS/s に下げる必要がありますが、これが許容できる場合とできない場合があります。

オシロスコープのベースライン ノイズは、信号が接続されていないオシロスコープの入力チャンネルの測定された AC RMS 値です。簡単なベースライン ノイズ テストでは、オシロスコープの入力に信号がない場合のノイズ パフォーマンスの一般的な指標が得られます。このテストはシンプルで簡単に実行できますが、ほとんどのオシロスコープは入力信号を接続して使用されるため、オシロスコープのパフォーマンスをテストするのに最も現実的なものではありません。ただし、入力信号が追加されてもノイズは減少しません。追加された信号振幅は後で測定にノイズを追加するだけだからです。したがって、ベースライン ノイズは、全体的なパフォーマンスを大まかに評価するのに役立つテストです。

Teledyne LeCroy オシロスコープでは、SDEV 測定値は AC RMS と等しいことに注意してください。

参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するオシロスコープのさまざまな種類のノイズの詳細については、こちらをご覧ください。

信号対雑音比は、フルスケール範囲をベースライン ノイズで割った比率を計算したもので、次の式に従ってボルト単位で表されます。

SNR (dB) = 20*log10((V_本格的/(2*√2))/V_AC-RMS))

Vと_本格的オシロスコープのフルスケール電圧（垂直分割数×V/divゲイン設定に等しい）とV_AC-RMS特定の V/div ゲイン設定におけるベースライン信号の AC RMS 値です。

一部のオシロスコープ (例: Keysight、Teledyne LeCroy) ではフルスケールの垂直区分が 8 個であるのに対し、他のオシロスコープ (例: Tektronix) ではフルスケールの垂直区分が 10 個であることに注意してください。

Teledyne LeCroy の AC RMS 測定は SDEV という名前ですが、他のオシロスコープでは通常、AC または DC 読み取りのいずれかとして選択可能な RMS 測定があります。必ず AC RMS 値を使用してください。そうしないと、SNR 計算にオシロスコープ チャネルの小さな DC オフセット エラーの影響が誤って含まれてしまいます。

SNR(dB) = 20*log10( (V/div*8/(2*sqrt(2)))/ノイズインrms)

参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するオシロスコープのさまざまな種類のノイズの詳細については、こちらをご覧ください。

IEEE 規格 1057 (波形記録装置のデジタル化に関する IEEE 規格) によれば、SINAD は、実効値 (rms) 信号と rms (ベースライン) ノイズおよび歪みの比率です。SINAD は、正弦波入力を使用して特定の周波数と振幅で測定されます。測定が行われる振幅は歪みに影響を与えるため、指定する必要があります (フルスケール振幅の 90% が一般的)。SINAD は、実際の動作におけるオシロスコープの性能をより完全に測定します。

参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するオシロスコープのさまざまな種類のノイズの詳細については、こちらをご覧ください。

オシロスコープで測定される信号のノイズを減らす最良の方法は、全帯域幅で 12 ビットの解像度を提供する低ノイズ、高解像度のオシロスコープを使用することです。ただし、帯域幅を狭くしてノイズを減らすというトレードオフが許容できる場合は、アナログ ハードウェア フィルターまたはデジタル ソフトウェア フィルターを使用して、どのオシロスコープでもノイズを減らすことができます。

ハードウェア フィルターは通常、チャンネル メニューに 20 MHz または 200 MHz (または類似) の帯域幅制限として表示されます。これらのフィルターはロールオフが非常に遅い傾向があるため、ノイズ低減能力はデジタル ソフトウェア フィルターよりも劣る可能性があります。

デジタル ソフトウェア フィルターは、数学関数、高解像度モード、またはチャンネル メニューのソフトウェア フィルター選択 (例: Teledyne LeCroy の Enhanced Resolution (ERes) 選択) である場合があります。数学的には、サンプル レート (および帯域幅) が半分になるごとに、ノイズが 3 dB (約 30%、または 0.5 有効ビット) 減少します。デジタル ソフトウェア フィルターは、数学的フィルター操作後にサンプル ポイントを補間する場合がありますが、ハードウェア サンプル レートは依然として低下しています。

数学的に可能な範囲よりも優れたパフォーマンスを約束する高解像度モードや、8 ビット解像度のオシロスコープで高解像度 (および低ノイズ) を実現する唯一の手段である高解像度モードには注意してください。

参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するオシロスコープのノイズを低減するためのトレードオフの詳細については、ウェビナーを参照してください。パート 6: オシロスコープで測定した信号のノイズを減らすにはどうすればよいでしょうか?詳細については、2023 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

オシロスコープの ENOB は、オシロスコープの SINAD の測定から次のように導出されます。

オシロスコープ ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

フロントエンド アンプがオシロスコープ システムの主なノイズ源でない場合、システム ENOB は ADC の ENOB に近づきます。ADC ENOB はシステム パフォーマンスの上限であることを理解することが重要ですが、システム パフォーマンスこそが理解すべき重要なパフォーマンスです。現実的には、オシロスコープ (システム) ENOB は常に ADC ENOB よりも低くなります。

適用された入力信号が 100% フルスケール振幅の場合、ENOB は次のように導出されます。

オシロスコープのENOB= (SINAD-1.76+20 log((フルスケール振幅)/(入力振幅)))/6.02

この式から、有効ビットあたり 6 dB SINAD という「経験則」が推測できます。つまり、有効ビットの半分の改善はノイズの 3 dB (30%) 削減に相当し、有効ビット全体の改善はノイズの 6 dB (50%) 削減に相当します。垂直 (電圧振幅) ノイズに関しては、ENOB の小さな違いが大きな意味を持ちます。

参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するさまざまな種類のノイズの詳細と、デジタイザやオシロスコープに導入したときに ADC 定格ビット数が完全に達成されない理由について説明します。

参照パート 2: オシロスコープの ADC 有効ビットと ENOB とは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

ADC ENOB はオシロスコープ ENOB の上限ですが、オシロスコープ ENOB は理解すべき重要なパフォーマンスです。現実的には、オシロスコープ ENOB は常に ADC ENOB より低くなります。オシロスコープが ADC の ENOB パフォーマンスについて具体的な主張をしている場合、それはおそらく、オシロスコープ全体の ENOB パフォーマンスがそれよりはるかに低いという危険信号です。

参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するさまざまな種類のノイズの詳細と、デジタイザやオシロスコープに導入したときに ADC 定格ビット数が完全に達成されない理由について説明します。

参照パート 2: オシロスコープの ADC 有効ビットと ENOB とは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

ナイキスト定理によれば、正弦波は、正弦波の周波数の 2.5 倍 (またはそれ以上) でデジタル サンプリングすれば、情報を失うことなく再構成できます。通常、これは、デジタル オシロスコープの最小サンプル レートがすべてのチャネルの帯域幅の 2.5 倍であることを意味します。1:2 のサンプル レート対帯域幅 (SR/BW) は、オシロスコープが定格帯域幅で完全なブリックウォール フィルタを持たないことを考慮して使用される比率です (最小値の 2 の代わりに)。1: の SR/BW 比率を下回ると、デジタル サンプリングされた入力信号にエイリアシングが発生するリスクが生じます。

ナイキスト サンプリング レートの要件が満たされていない場合、信号はサンプリング不足とみなされ、情報の損失なしに再構成することはできません。代わりに、信号の再構成は行われますが、エイリアシングと呼ばれる不正確な再構成になります。

参照パート 3: オシロスコープのエイリアシングとは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

スプリアスフリーダイナミックレンジ (SFDR) は、オシロスコープの基本入力信号の二乗平均平方根 (RMS) 振幅と、オシロスコープの出力で次に大きいスプリアス信号の RMS 振幅の比率 (通常は dB で表されます) です。SFDR は通常、FFT またはスペクトルアナライザのような振幅対周波数オシロスコープ表示を使用してオシロスコープで測定されます。スプリアス信号は、歪みやその他のノイズ成分によって発生する場合もあれば、コアのアナログ/デジタルコンバータ (ADC) のサンプリング周波数と一致する周波数で発生する場合もあります。

SFDR は、エンジニアがオシロスコープに対して行う品質チェックの中で最も誤解されているものの 1 つです。どの ADC でもサンプリング周波数でスプリアスが発生しますが、これらのスプリアスは通常、振幅が非常に低く (入力基本波と比較して)、周波数帯域が非常に狭いため、SFDR 比は、特定の入力周波数のベースライン ノイズ信号対ノイズ比または信号対ノイズおよび歪み (SINAD) 比よりもかなり上になります (それほど悪くはありません)。オシロスコープは、特定の周波数で深刻な歪み成分を示すことがありますが、これは SFDR テストで簡単に検出できますが、一般的ではありません。

参照‎高分解能オシロスコープの設計手法を比較するオシロスコープの SFDR の詳細については、こちらをご覧ください。

参照パート 4: オシロスコープのスプリアスフリーダイナミックレンジ (SFDR) とは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

正確には等価時間サンプリング オシロスコープと呼ばれるサンプリング オシロスコープは、トリガーごとに 1 つのサンプルを提供し、トリガーごとに小さな時間遅延を追加して、複数のトリガー イベントから繰り返し波形を再構築します。測定帯域幅はサンプラーの周波数応答によってのみ制限されます。サンプラーの周波数応答は、非常に低コストで非常に高いものになる可能性があります。制限は、サンプリング オシロスコープが連続波形をキャプチャできないことです。

サンプリング オシロスコープは繰り返し信号のみを取得できますが、リアルタイム オシロスコープは 1 つの連続したサンプル レコードで連続時間波形を取得できます。

参照パート 6: リアルタイム オシロスコープとサンプリング オシロスコープの違いは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

デジタル フォスファー オシロスコープ (DPO) は、Tektronix が使用するマーケティング用語で、アナログ オシロスコープで使用されるフォスファー ビーム CRT ディスプレイの表示外観を模倣する高速波形表示アーキテクチャ (最近では DPX テクノロジーとして販売されています) を使用するオシロスコープを表します。

他のオシロスコープ メーカーにも同様の機能があります。これらのオシロスコープはすべて、データの保存を犠牲にして表示の更新 (リフレッシュ) を最適化しているため、高速更新表示中に異常が見られた場合、それを保存したり、さらに調べるために取得したりすることはできません。さらに、これらのオシロスコープは依然としてデジタル キャプチャ技術に基づいているため、波形 (または異常) をキャプチャ (または表示) していないデッド タイムが長くなります。高速更新機能を備えたオシロスコープは、通常、繰り返し信号の非常に短い取得にのみ使用可能であり、更新レートはより長い (より有用な) 期間で低下し、一度に複数の信号を表示する場合にはあまり役に立ちません。本質的に、この機能はアナログ オシロスコープがデジタル オシロスコープに移行していた時期に考案されたものであり、ほとんどの顧客にとってこの機能の実用的な用途はもはやあまりありません。

参照パート 9: デジタル フォスファー オシロスコープとは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

高速更新レートのディスプレイは、アナログ オシロスコープに慣れている人にとっては使いやすく快適かもしれません (ただし、これらのエンジニアのほとんどはすでに退職しています)。また、多くの明らかな異常を伴う非常に短い期間の反復信号を表示するエンジニアにとっても役立つ可能性があります。より長い非反復時間間隔をキャプチャするエンジニアは、実際のデバッグではほとんど使用されない高速更新レートを興味深い機能と見なす可能性があります。

アイ ダイアグラムとアイ パターンは、デジタル信号の信号品質を評価するために使用される表示ツールです。これは、各ビットのデジタル レベル (および各ビットの前後の遷移) を重ねて表示し、デジタル信号の品質をすばやく視覚的に評価できるようにします。理想的には、アイ ダイアグラム/パターンは中央が非常に開いていて、トップ (デジタル 1 レベル)、ベース (デジタル 0 レベル)、遷移 (デジタル レベル遷移の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジ) が明確です。PAM-3 や PAM-4 などのマルチレベル信号もアイ ダイアグラムとして表示できます。

アイ ダイアグラムとアイ パターンは、同じものを説明する 2 つの方法です。

参照パート 11: オシロスコープのアイ ダイアグラムとは何ですか?詳細については、2024 オシロスコープ コーヒー ブレイク ウェビナー シリーズをご覧ください。

デジタル オシロスコープを使用してアイ ダイアグラムを表示する基本的な方法は 2 つあります。

最初の方法は最も基本的な方法ですが、制限が最も多くあります。エッジ トリガーは、デジタル信号の立ち上がりまたは立ち下がりエッジの 50% レベルでトリガーするために使用されます。オシロスコープのタイムベースは ビット周期より少し長く設定され、オシロスコープのトリガー ポイントはオシロスコープのグリッドの左端から約 分の に設定されます。表示残光は、 ビット周期の短い取得を多数キャプチャするために使用され、トリガーされた信号は視覚的に観察できるようにオーバーレイされます。この方法は直感的ですが、連続信号のアイ ダイアグラムは提供されず、アイ ダイアグラムの異常の原因を特定するための後処理は一切許可されず、オシロスコープの追加のトリガー ジッターの影響を受けます。デジタル信号の品質が良いかどうかをすばやく確認するには適しています。

2 番目の方法はより堅牢で、特に高速シリアル データ信号で広く使用されています。デジタル信号から長く連続した取得が行われ、クロックが数学的に抽出されます。抽出されたクロックの時間周期を使用して、連続取得を数学的にビット周期に「スライス」し、重ね合わせてアイ ダイアグラムを形成します。データは連続しているため、追加の数学的処理を実行して、クロック回路での位相ロック ループ (PLL) の使用をシミュレートしたり、ジッタを計算したり、アイ オープニングのさまざまな側面 (振幅、幅など) を測定したり、存在する異常をデバッグしたりすることもできます。

サンプリング オシロスコープ (以前の FAQ で説明) は、サンプリング モジュールと連携してアイ ダイアグラムを作成するハードウェア クロック リカバリ回路を使用してアイ ダイアグラムを作成します。これは現在では一般的に時代遅れの方法と考えられており、高速シリアル データ信号が非連続 (リアルタイムではない) データ取得で完全に分析および評価できる場合を除いて、広く使用されていません。その場合、この方法は完全に満足のいくものであり、提供されるオシロスコープの帯域幅に対して非常に低コストです。ただし、信号のビット レートや PLL 要件が異なる場合は常に異なるハードウェアが必要になります。