オシロスコープは、電気工学において重要なテストツールです。 特に、繰り返しの波形や高周波信号を測定する場合。 しかし、アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープのどちらが優れているのか、初心者の間では疑問視されています。ほとんどの場合、デジタル・オシロスコープはアナログ・オシロスコープより高価であることにお気づきでしょう。
でも、なぜ？このガイドでは、この疑問とそれ以上にお答えします。 また、それぞれのスコープの仕組みと見分け方についても説明します。 このガイドの終わりには、2つのアプローチを区別し、どちらがあなたのプロジェクトに最適かを判断できるようになっているはずです。
オシロスコープとは？
アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープ-オシロスコープの針を調整する
オシロスコープにはいろいろな名前がついている。 アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープ-オシロスコープ、O-スコープ、CRO（陰極線オシロスコープ）、DSO（デジタルストレージオシロスコープ）、または単にオシロスコープと呼ぶことができます。 電子機器や回路内の2点間で変化する信号の電圧をプローブで測定する装置です。
電圧を測定する場合、マルチメーターは1点から回路を読み取ります。 一方、オシロスコープは、回路の電圧の時間的変化を測定することができる。 基本的には、何千もの測定値を取り込んで画面にプロットしていきます。 これにより、あらゆる過渡現象に対する電圧スパイクや電圧ドロップを比較することができます。
オシロスコープには、大きく分けてアナログ（またはアナログオシロスコープ）とデジタルの2種類があります。 実際には同じ原理で動作しますが、ご覧のように、デジタル・オシロスコープにはアナログ・オシロスコープにはない機能が追加されています。
アナログオシロスコープ
アナログオシロスコープ
出典：ウィキメディア・コモンズ
アナログオシロスコープが登場した当時は、ブラウン管に水平偏向板を付けて波形を表示するものであった。
管の上の水平板にかかる電圧で、流れの位置が変わる。 電子の流れが蛍光体スクリーンの蛍光体膜に当たると、着地点が光ります。 したがって、これは最終的に知覚可能な波長になる光のスポットを示しています。
2つの異なる信号を比較するために使用できるデュアルビームオシロスコープがあります。 2本の電子ビームを同時に放出し、フラットスクリーンに表示するのだ。
基本的なアナログオシロスコープには、ストレージ機能はありません。 ただし、入力波長画像を保存するためのアナログ保存スコープを購入することは可能です。 しかし、現代の基準からすると、これらのアナログストレージスコープは非常に高価で、かなり初歩的なものである。
当初、アナログオシロスコープは、大型でかさばるものが多かった。 しかし、デジタル技術のおかげで、将来のスコープはフィールドサービス用途に十分なほどコンパクトになりつつあります。
デジタルオシロスコープ
Rigol DS2000 シリーズ デジタル・オシロスコープ
出典：ウィキメディア・コモンズ
大型でかさばるCrtに代わり、半導体スクリーンを採用。 その結果、検出範囲の縮小と奥行きの確保が可能になりました。 さらに、これによって表示能力も向上した。 現在では、デジタル・オシロスコープが最も一般的なオシロスコープとなっています。
さらに、デジタル・オシロスコープの登場により、標準的なストレージ、表示操作の改善、より優れたトリガーなどの機能を追加することができます。
デジタルオシロスコープの種類
メーカーや企業が最初のデジタルオシロスコープを発売すると、デジタル蛍光オシロスコープ（DPO）やデジタルストレージオシロスコープ（DSO）の名称で紹介された。 これは、初代デジタルオシロスコープが蛍光灯の画面を使っていたからだ。 最近のデジタルオシロスコープは、LEDやLCDの画面を使用しています。
従来、アナログオシロスコープは、画面サイズや解像度に制約がありました。 これに対して、最近のデジタルオシロスコープにはこの問題がない。
ミックスド・シグナル／ミックスド・ドメイン・オシロスコープ（MSO、MDO）
Agilent 54622D MSO分解図
出典：Flickr
デジタル・オシロスコープは、アナログ時代に多くの人が可能だと考えていたことをはるかに超える新しい機能を提供します。 アナログスコープ2チャンネル以上のロジック解析チャンネルなどの機能を統合しています。 例えば、ミックスドシグナルオシロスコープ（MSO）が使えるようになった。 その他、ファンクションジェネレーター出力やデジタルマルチメーターなどの機能も可能です。
最近のオシロスコープのほとんどは、標準的なMSOモデルを持っています。 あるいは、複数のデジタルチャネルをオプションとして提供することも可能です。 さらに、多くのデジタル・オシロスコープは、周波数領域での測定、すなわちスペクトル解析を行うための信号処理を備えています。 これにより、スペクトル解析とノーマルレンジ測定が混在するような回路のテストが可能になります。
真のハイブリッド・ドメイン・オシロスコープは、周波数ドメイン測定にのみ使用できる専用のRFコネクタを持っています。 興味深いのは、通常、より高性能なスペクトル解析機能を備えていることです。
デジタルサンプリングオシロスコープ
デジタルサンプリングオシロスコープ
出典：ウィキメディア・コモンズ
オシロスコープのもう一つの形態として、デジタルサンプリングオシロスコープがあります。 これは、人々が限られたニッチな用途に使う、非常に特殊なスコープの形です。 例えば、数十ギガヘルツの領域まで信号のジッターを見ることができます。 このため、一般的なオシロスコープの用途には使用しません。
そのため、ユースケースは限られています。 また、スコープは様々な形式で提供されています。 実験室での使用も可能です。 一方、フィールドサービス用途に適したものもあります。
アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープ – USBおよびPCベースのオシロスコープ
ノートパソコンに接続したPicoScope 6000
出典：Wiki
PCベースのオシロスコープは、スタンドアロン・オシロスコープとしても、外部オシロスコープとしても使用することができます。 外付けのPCベースのオシロスコープは、動作させるためにPCに接続する必要があります。 さらに、コンピュータのモニター、電源、プロセッサを利用することができます。 通常は、USBポートで接続します。
しかし、外部オシロスコープの中には、PXIシステムのようなコンピュータバスシステムを使用できるものもあります。 もちろん、オシロスコープのソフトウェアとドライバーをPCにインストールする必要があり、正しくインターフェイスします。
一方、PCベースのスタンドアローンオシロスコープは、内部にコンピューターが内蔵されています。 マイクロプロセッサーを内蔵し、計器制御、自動計測、ディスプレイ管理などの機能を付加している。 また、デジタル化された信号をより高度に処理することも可能です。 これは、直視型ストレージCrtを搭載したアナログ版の能力を超えるものです。
オシロスコープには様々な種類があり、機種も様々です。 それぞれの特徴を知り、スペックシートを見ることで、性能、フォームファクター、総合的な性能を見ることができます。
アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープの主な相違点
異なる操作
オシロスコープ付き電子工学ワークベンチ
電子工作の初心者には大きな誤解があります。 アナログオシロスコープだけがCRTディスプレイを使っていると思っている人が多いようです。 これは事実ではありません。 Tektronix 2230 Digital Storage Oscilloscopeなどのデジタルオシロスコープは、CRTディスプレイを使用しています。
Tektronix 2213とTektronix 2230 DSOのような古いアナログオシロスコープを比較すると、後者の方がパネルコントロールが多いことに気がつくでしょう。 その結果、デジタルストレージスコープの動作は本質的に複雑になっています。
デジタル・オシロスコープは、アナログ・オシロスコープができることをすべて行うことができます。 しかし、アナログスコープを絞り始めると、特に低周波の場合、出力画像がちらつき始める。 これは、CRT画面での波形の表示方法によるものです。
デジタルストレージオシロスコープは、より安定した画像を提供することで、この問題を解決しています。 そのため、変化する電圧を表示するのではなく、DSOは様々なポイントで波形をサンプリングし、保存し、表示することになります。 これにより、より安定した表示が可能となり、波形全体を見やすくすることができます。
デジタル・オシロスコープは、アナログ・デジタル・コンバータ（ADC）を介して、この処理を行います。 測定した電圧をアナログ信号として取り込み、デジタル信号に変換する。
アナログ・オシロスコープは、デジタル・オシロスコープのような永続性を持っていません。 また、デジタルオシロスコープの有効パーシスタンスを調整することで、より多くのノイズを拾えるようになります。 ディスプレイキャリブレーションを行うことで、より正確な計測と、より高品質なグラフィックを見ることができます。 また、液晶ディスプレイ技術の採用により、デジタルシステムの軽量化と携帯性を実現しました。
異なる仕様
オシロスコープベクトルダイアグラム
出典：下院ウィキ
オシロスコープの違いを理解するもう一つの方法は、その仕様を見てみることです。 この項では、これらの仕様について紹介する。
アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープ – バンド幅 (BW):
オシロスコープのバナー仕様です。 オシロスコープのフロントエンドがどれだけ高い周波数を扱えるか、どれだけ速く立ち上がり時間を捕らえることができるかを記述しています。 したがって、信号の周波数と信号の立ち上がり時間は本質的な関係にある。 スコープで確認できる最速の立ち上がり時間を計算するには、0.35をスコープの指定帯域幅で割ります。 つまり、最速キャプチャー可能時間＝0.35／帯域幅という計算式になるわけです。 帯域幅の仕様は、アナログオシロスコープ、デジタルオシロスコープのいずれにも対応しています。 しかし、最新のデジタル・オシロスコープの帯域幅能力は、旧来のオシロスコープのそれをはるかに超えています。
サンプル/サンプリングレート。
本仕様は、デジタルオシロスコープに特化したものです。 オシロスコープが1秒間に何ポイントデータを取得しているかが分かります。 基本的には、入力信号はアナログフロントエンド（帯域の元）を経て、デジタイザーがアナログ波形をサンプリングします。 サンプリングレートは帯域幅に依存しますが、帯域幅に影響を与えることはありません。 やっていることは、アナログフロントエンドからのデータ取得だけです。 しかし、帯域幅はオシロスコープのアナログ部分を表し、サンプル・レートはデジタル部分を表します。 このことから、サンプルレートがデジタルオシロスコープ独自の仕様であることが理解できます。
メモリの深さ/サイズ。
サンプル・レートとメモリ深度は、オシロスコープの特性として密接に関係しています。 メモリの深さは、オシロスコープが捕捉できる波形データの量を表します。 サンプルレートが速いほど、取り込まれる波形は短くなります。 したがって、サンプルレートが速い波形は、より多くのメモリを消費することになります。 また、メモリを活用することで、より多くの時間を保存することができます。
ストレージの深さは、デジタル・オシロスコープの3番目に重要な機能です。 デジタルストレージオシロスコープならではの仕様です。 アナログオシロスコープは、波形を捕捉したり記録したりすることはできません。 そのため、メモリーデプスの特性は持っていません。
アナログおよびデジタルオシロスコープの分解能（ADCビット数）。
最近のオシロスコープは、8ビット、10ビット、12ビットのADCを搭載しています。 アナログ-デジタル変換器は、アナログ信号を受信し、変換してデジタル情報に量子化する。 したがって、8ビットADCは256段階の量子化レベル（2^8 = 256）が可能である。 ADCの垂直解像度を表します。 解像度が高いほど、波形の表現が鮮明になります。 さらに、ADC のビットによって入力範囲が定義されます。 例えば、小さな信号の解析には、分解能の高いオシロスコープが適しています。 これもアナログオシロスコープにはないユニークな仕様です。
アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープ – トリガ。
各デジタルスコープには、スコープのトリガーレベルを変更するためのつまみが付いています。 トリガーは基本的に、波形のスナップショットを取得するタイミングをスコープに指示します。
標準的なDSOには、トリガーイベントに遭遇したときにどのように反応するかを示す、いくつかの異なるトリガーモードがあります。 例えば、エッジトリガモードでは、表示されたグリッドのエッジに信号が触れたときにスナップショットをキャプチャするようにオシロスコープに指示します。 これにより、波形を測定する一般的な方法を得ることができます。 アナログ・オシロスコープは、データを取り込んで保存することができないため、トリガーはデジタル・ストレージ・オシロスコープに特有のものです。
優位性
オシロスコープと比較して、デジタル・オシロスコープを使用することには多くの利点があります。 しかし、昔ながらのアナログ・オシロスコープを使うことのメリットは何でしょうか？
使い勝手が良い。
デジタルオシロスコープは、より高度なオシロスコープになる傾向があります。 逆に、アナログオシロスコープの方が、操作系が少なく、表示も乱雑でないため、使いやすいかもしれません。 そのため、電圧試験の基本を学ぶために利用することができます。 原則として、機能は少ないほど簡単です。 アナログスコープの設定にそれほど時間をかける必要はありません。
安い。
アナログオシロスコープは、デジタルオシロスコープより安価です。 これは、古いもので、機能が少なく、また、この種のオシロスコープは中古で多く出回っているため、安価であることが理由です。
アナログの読み取りが良くなる。
アナログの測定値は、通常、アナログのCRTスクリーンでよりよく表示されます。 よりクリアになり、場合によってはノイズが少なく見えることもあります。
アベイラビリティ
繰り返しになりますが、古いモデルだからこそ、中古でたくさん購入することができます。 さらに、需要もかなり少なくなっています。 そのため、評判の良い電気店や機器店では、在庫が充実していることが多いようです。
デジタル・オシロスコープは、アナログ・オシロスコープと比較して、多くの利点があります。 しかし、古いアナログ・オシロスコープを使うことのメリットは何でしょうか？
デジタルオシロスコープは、より高度なオシロスコープになる傾向があります。 逆に、アナログオシロスコープの方が、操作系が少なく、表示も乱雑でないため、使いやすいかもしれません。 そのため、電圧試験の基本を学ぶために利用することができます。 原則として、機能が少ないほど簡単です。 アナログスコープの設定にそれほど時間をかける必要はありません。
アナログオシロスコープは、デジタルオシロスコープよりも安価です。 これは、古いもので、機能が少なく、このタイプのオシロスコープの中古品が多く出回っているため、安価に入手できるためである。
アナログの測定値は、通常、アナログのCRTスクリーンでよりよく表示されます。 よりクリアになり、場合によってはノイズが少なく見えることもあります。
入手性：やはり古いモデルなので、中古でたくさん買えます。 さらに、需要もかなり少なくなっています。 そのため、評判の良い電気店や機器店では、在庫が充実していることが多いようです。
結論
電子工学におけるほとんどの簡単なテストでは、アナログ・オシロスコープはデジタル・オシロスコープと同じように機能します。 初心者やホビーユーザーであれば、デジタル・オシロスコープよりもアナログ・オシロスコープを購入した方がメリットが大きいかもしれません。 しかし、オシロスコープを購入する際には、目的を明確にし、オシロスコープの特性がそれに合致しているかどうかを確認する必要があります。
例えば、オシロスコープのデザイン、デジタルまたはアナログの帯域幅、立ち上がり時間、サンプル・レート、チャンネル密度、レコード長、波形キャプチャ・レート、接続性、スケーラビリティなどを分析する必要があります。 デジタル・オシロスコープの場合、各チャンネルのメモリとメモリ深度を気にする必要があります。
これらの簡単な仕様を理解すれば、どのオシロスコープが最適かを見極めることができるようになります。 アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープ、どちらが優れているのか？ と聞かれたら、明確な答えが返ってくるはずです。 それでも、このガイドが皆様のお役に立てれば幸いです。 いつもながら、ご愛読ありがとうございます。
