オシロスコープの周波数制限

帯域制限

オシロスコープはマルチメーターと同様に、回路を理解するための重要なツールです。しかし、それには制限があります。オシロスコープを効果的に使用するには、これらの制限を知って対処方法を見つけることが重要です。

オシロスコープの主要な特徴の一つは帯域です。帯域はアナログ信号をサンプリングする速度を決定します。帯域とは何でしょうか？多くの人はそれがスコープが処理できる最大周波数だと考えています。実際には、帯域は信号の振幅が3dB（または真の振幅の29.3%）低下する周波数です。

最大定格周波数では、オシロスコープは信号の実際の振幅の70.7%を表示します。例えば、実際の振幅が5Vの場合、スコープはそれを約3.5Vとして表示します。

1GHz以下の帯域を持つオシロスコープは、-3dB周波数の1/3から始まり、高周波数で徐々に減少するガウス型またはローパス周波数特性を持っています。

1GHz以上の仕様を持つスコープは、-3dB周波数付近で急激に減衰する平坦な応答特性を持ちます。オシロスコープの入力信号が3dB減衰する最低周波数がそのスコープの帯域とされます。平坦な応答特性を持つオシロスコープは、ガウス応答特性を持つものよりも帯域内の信号の減衰が少なく、より正確な測定を行うことができます。

一方、ガウス応答特性を持つスコープは、平坦な応答特性を持つものよりも帯域外の信号の減衰が少ないため、同じ帯域仕様を持つ他のスコープよりも上昇時間が速くなります。スコープの上昇時間仕様はその帯域と密接に関連しています。

ガウス応答タイプのオシロスコープは、10%から90%の基準に基づいて約0.35/f BWの上昇時間を有します。平坦な応答特性を持つスコープは、周波数減衰特性の鋭さに基づいて約0.4/f BWの上昇時間を有します。

上昇時間は、入力信号が無限に速い上昇時間を持つ場合にオシロスコープが表示できる最も速いエッジ速度です。この理論値を測定することは不可能なので、実用的な値を計算した方が良いです。

オシロスコープでの精密な測定に必要な注意事項

ユーザーが最初に知っておくべきことは、スコープの帯域制限です。オシロスコープの帯域は、信号内にある周波数を適切に収容し、波形を正しく表示するのに十分な幅である必要があります。

スコープと一緒に使用されるプローブは、装置の性能に重要な役割を果たします。オシロスコープとプローブの帯域は適切な組み合わせである必要があります。不適切なオシロスコーププローブを使用すると、テスト装置全体の性能が損なわれる可能性があります。

周波数や振幅を正確に測定するには、スコープとそれに接続されたプローブの帯域が、キャプチャしたい信号よりも十分に高い必要があります。例えば、振幅の精度が〜1%が必要な場合は、スコープの帯域を0.1倍にして、つまり100MHzのスコープで10MHzの信号を1%の誤差でキャプチャすることができます。

スコープの正しいトリガリングを考慮することで、波形の結果の視覚化がより明確になります。

高速測定を行う際には、グランドクリップに注意が必要です。クリップのワイヤはインダクタンスとリンギングを回路に生じさせ、測定結果に影響を与えます。

この記事の要約としては、アナログスコープではスコープの帯域はシステムの最高のアナログ周波数の少なくとも3倍以上である必要があり、デジタルアプリケーションではスコープの帯域はシステムの最速クロックレートの少なくとも5倍以上である必要があります。