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デジタル・オシロスコープ - Teledyne LeCroy
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） LJDN-ST-GE-0325-0001 プレゼンテーション内容 9 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 LeCroy Japan Corporation 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 （Oscillation） 波形 スコープ （Scope） を 見る とは、 機械です。 LeCroy Japan Corporation 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 アナログ・オシロスコープ デジタル・オシロスコープ R 周波数帯域 ： 最高 DC∼1GHz R 周波数帯域 ： DC∼18GHz R DC電圧確度 ： 2% R DC電圧確度 ： 2% R タイムベース確度 ： 0.5% R 電圧軸の分解能 ： 8ビット R 単発現象の捕捉 ： 制限あり R プロセッシング ： 不可能 R パラメータ測定 ： 制限あり R 自動計測 ： フロント・パネルのみ R タイムベース確度 ： 1ppm R 単発現象の捕捉 ： 簡単 R 高度なプロセッシングが可能 R 自動計測 ： フル・オートメーション可能 LeCroy Japan Corporation アナログ・オシロスコープのブロック図 信号を画面に写します 画面に映し出す 準備をします CRT駆動回路 CRT 信号を検出します 時間軸掃引回路 入力アンプ トリガ回路 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 LeCroy Japan Corporation アナログ・オシロスコープの構造 (CRT) 電子ビーム 蛍光面 水平偏向板 垂直偏向板 電子銃 LeCroy Japan Corporation デジタル･オシロスコープのブロック図 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 LCDパネル CPU 信号をデジタル化 します 画面に映し出す 準備をします AD変換器 信号を検出します 画像表示回路 メモリ どれだけの範囲を 捕らえるかを決定します 入力アンプ どこから信号を捕らえる トリガ回路 かを決定します クロック 時間軸の精度を保証します LeCroy Japan Corporation 最新のデジタル･オシロスコープの例 Model : Waverunner64Xi 画面（タッチ・スクリーン） 操作パネル USBポート 入力コネクタ LeCroy Japan Corporation デジタル・オシロスコープの操作パネル Model : Wavesurfer64Xs TIME/DIV 時間軸（横軸）の条件を設定 Trigger 波形の取り込み開始点 の条件を設定 VOLT/DIV 電圧軸（縦軸）の条件を 設定 ZOOM 拡大率や拡大位置の 設定 CURSOR カーソル測定の設定 LeCroy Japan Corporation 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 9入力チャンネル 9周波数帯域 9垂直分解能 9サンプリング速度 9メモリ長 LeCroy Japan Corporation 入力チャンネル Model : Waverunner6100A 4ch仕様の例 1 2 3 4 外部トリガ LeCroy Japan Corporation バンド幅（周波数帯域） 1/4 周波数領域 時間軸領域 LeCroy Japan Corporation バンド幅（周波数帯域） 2/4 9 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) LeCroy Japan Corporation バンド幅（周波数帯域 −3dB) 3/4 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 カットオフ周波数の信号は 70.7%に振幅が落ちる 1.10E+00 @0.333Fc 0.949 1.00E+00 9.00E-01 -3dB 0.707 8.00E-01 @0.5Fc 0.894 7.00E-01 6.00E-01 5.00E-01 4.00E-01 0 50000 100000 150000 測定誤差10%程度なら1/2、 5%程度(約-0.5dB)なら1/3、 3%程度なら1/4 LeCroy Japan Corporation バンド幅（周波数帯域） 4/4 入力信号 出力信号 入力信号 出力信号 100% バンド幅 1.0GHz 入力 200MHz バンド幅 200MHz 70.7% 波形は、 小さくなる 入力 200MHz 画面表示波形 LeCroy Japan Corporation 信号とバンド幅の関係をサイン波信号で見ると 200MHz正弦波 ← 1GHz ← 200MHz ← 20MHz ← 1GHz ← 200MHz ← 20MHz LeCroy Japan Corporation サンプリング速度 1/3 デジタル変換とは 9バラバラで不連続な値がデジタル 9切っても切ってもきりがない連続的な値がアナログ LeCroy Japan Corporation サンプリング速度 2/3 5Mサンプル/s 200ns/point 20Mサンプル/s 50ns/point LeCroy Japan Corporation サンプリング速度 3/3 5Ｇサンプル/s 200ps/point 20Ｇサンプル/s 50ps/point 本来の信号 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 LeCroy Japan Corporation 周波数帯域の選択（立上り時間の観測） オシロの立上がりが信号の立上がりの約１/４程度 オシロスコープで観測される立上り時間 信号の 立ちがり 時間(ps) 装置の 立ち上がり 時間(ps) 計測される 立ち上がり 時間(ps) 10 10 14.14214 10 9 13.45362 10 8 12.80625 10 7 12.20656 10 6 11.66190 10 5 11.18034 10 4 10.77033 10 3.33333333 10.54093 10 3 10.44031 10 2.5 10.30776 10 2 10.19804 10 1.5 10.11187 10 1 10.04988 測定誤差10%程度なら1/2、5%程度なら1/3、3%程度なら1/4 LeCroy Japan Corporation サンプリング速度 と時間分解能 時間分解能 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。 LeCroy Japan Corporation サンプリング速度の選択（波形観測） サンプリング速度=信号の周波数の10倍以上が必要 １周期中に10点が目安 2点/周期 10点/周期 LeCroy Japan Corporation 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 時間分解能 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。 LeCroy Japan Corporation 縦軸分解能が4分の１に低下 LeCroy Japan Corporation 横軸分解能が4分の１に低下 LeCroy Japan Corporation 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 LeCroy Japan Corporation 実際のエリアシング 1 100MS/s 6MS/s 100MS/s 6MS/s LeCroy Japan Corporation 実際のエリアシング 2 3MHｚの信号を入力 3MHz 100MS/s 同じ信号を測定 ｢エリアシング」発生 125kHz 3.125MS/s LeCroy Japan Corporation 垂直分解能 1/2 A/D 変換 LeCroy Japan Corporation 垂直分解能 2/2 3 ビット 5 ビット 8 分割 32 分割 LeCroy Japan Corporation 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。 LeCroy Japan Corporation メモリ長 2/4 メモリ長が長い 同じサンプリング 速度で 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。 LeCroy Japan Corporation メモリ長 3/4 ロング・メモリとショート・メモリ メモリ長が長い メモリ長が短い 同じ観測時間にすると サンプリング速度が半分になる LeCroy Japan Corporation メモリ長 3/4 ロング・メモリとショート・メモリ メモリ長が長い 観測時間が減少 サンプリング速度が減少 メモリ長が短い LeCroy Japan Corporation メモリ長 4/4 観測時間、メモリ長とサンプリング速度 200MS/s 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） LeCroy Japan Corporation 観測時間とサンプリング速度の関係 必要メモリ長（Points）＝観測時間（Second） × サンプリング速度（GS/s） Model:SDA6000AXXLの場合 捕捉時間 100Mﾜｰﾄﾞ 50Mﾜｰﾄﾞ 2s 0.05 1s 0.1 0.05 500ms 0.2 0.1 200ms 0.5 0.2 100ms 1 0.5 50ms 2 1 20ms 5 2.5 10ms 10 5 5ms 20 10 2ms 20 20 1ms 20 20 500μs 20 20 200μs 20 20 100μs 20 20 50μs 20 20 20μs 20 20 10μs 20 20 24Mﾜｰﾄﾞ 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 20 20 20 20 20 20 20 必要なメモリ長 10Mﾜｰﾄﾞ 5Mﾜｰﾄﾞ 2.5Mﾜｰﾄﾞ 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 20 20 20 20 20 20 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 20 20 20 20 20 1Mﾜｰﾄﾞ 500kﾜｰﾄﾞ 250kﾜｰﾄﾞ 100kﾜｰﾄﾞ サンプリング速度 (GS/s） 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 20 20 20 20 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 20 20 20 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 20 20 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 20 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2.5 5 10 LeCroy Japan Corporation デジタル・オシロスコープの画面表示 波形の拡大 LeCroy Japan Corporation 拡大してはじめて真実がわかることもあります LeCroy Japan Corporation 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 アナログ階調表示 カラー・グレード表示 9データの発生頻度に応じてカラー（階調）表示をします。 LeCroy Japan Corporation 一般的な複数波形表示 LeCroy Japan Corporation シングル・グリッド の弊害 ？ 26 ビット or 64 レベル 28 ビット or 256 レベル LeCroy Japan Corporation 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 256 レベル 64 レベル LeCroy Japan Corporation フル・スケール LeCroy Japan Corporation マルチ・グリッドで分解能を有効に使う LeCroy Japan Corporation 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 LeCroy Japan Corporation マルチ・グリッド表示 と シングル・グリッド表示 シングル・グリッド 4分割マルチ・グリッド LeCroy Japan Corporation 同じ信号を「マルチ・グリッド」で観測すると …. LeCroy Japan Corporation 波形拡大機能 ： マルチ・ズーム機能 LeCroy Japan Corporation 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 9常に画面の左端がトリガ点となる。 LeCroy Japan Corporation プリ・トリガ と ポスト・トリガ 9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。 LeCroy Japan Corporation 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 LeCroy Japan Corporation トリガ 機能 : エッジ・トリガ機能 2/3 9 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 ... LeCroy Japan Corporation トリガ 機能 : エッジ・トリガ機能 3/3 9 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... LeCroy Japan Corporation インターバル・トリガ 1/2 9 この信号に特有な性質を探してトリガをかけます。 T タイム・インターバル T に対してトリガをかけます。 ホールド・オフ 時間 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。 LeCroy Japan Corporation 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。 LeCroy Japan Corporation 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。 LeCroy Japan Corporation 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 LeCroy Japan Corporation ステート・クオリファイトリガ 9 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。 LOW 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。 LeCroy Japan Corporation 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。 LeCroy Japan Corporation デジタル・オシロスコープの波形測定・演算 波形の読み取り 1/2 9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） LeCroy Japan Corporation 波形の読み取り 2/2 カーソル 読み取り値（電圧） 読み取り値（時間） LeCroy Japan Corporation 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 LeCroy Japan Corporation パラメータ演算 標準電圧パラメータ表示 LeCroy Japan Corporation 任意に設定できるパラメータ演算 LeCroy Japan Corporation パラメータ演算 ： 統計処理機能を使う LeCroy Japan Corporation パラメータ演算 ： ヒストグラムを使う Histcon LeCroy Japan Corporation パラメータ演算 ： ロングメモリの活用 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 全ての周期を対象にパラメータを計測 LeCroy Japan Corporation パラメータ演算 ： 特定の範囲を指定 LeCroy Japan Corporation ノイズを除去する … アベレージング LeCroy Japan Corporation 単発信号のノイズ除去 …. 分解能向上演算（ERES） LeCroy Japan Corporation 波形変動の最大値を残す... エンベロープ・モード LeCroy Japan Corporation 周波数を分析する … FFT演算機能 LeCroy Japan Corporation 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 LeCroy Japan Corporation 波形演算機能 in LeCroy DSO 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) 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 LeCroy Japan Corporation 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 LeCroy Japan Corporation 自動合否判定 LeCroy Japan Corporation リモート制御 ： ScopeExplorer 9イーサネット 9GPIB オシロスコープと同じ操作感覚で制御可能 LeCroy Japan Corporation 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。 LeCroy Japan Corporation デジタル・オシロスコープの基本的な仕様 デジタル・オシロスコープの機種選定 9 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 9 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 9 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） 9 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 9 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 LeCroy Japan Corporation