オシロスコープの周波数制限
オシロスコープはマルチメーターに次いで電子工学の世界で非常に有用なツールです。スコープなしでは、回路内での状況を知ることはかなり困難です。しかし、この種のテスト機器には独自の制限があります。この制限を克服するためには、システム内の最も弱い部分を完全に理解し、可能な限り最善の方法で補償することが必要です。
オシロスコープの重要な特徴は帯域幅です。アナログサンプル数が秒あたりどれだけ速く読み取れるかが、オシロスコープにとって鍵となります。まず、帯域幅とは何なのか理解しましょう。多くの人が、スコープが許容する最大周波数が帯域幅であると信じていますが、実際には、オシロスコープの帯域幅は、正弦波入力信号が3dB（信号の真の振幅の約29.3%低）減衰する周波数を指します。
これは、最大定格周波数点で、表示される振幅が信号の実際の振幅の約70.7%であることを意味します。例えば、最大周波数での実際の振幅が5Vの場合でも、画面には約3.5Vとして表示されます。
1GHz以下の帯域幅を指定したオシロスコープは、ガウス応答またはローパス周波数応答を示し、これが-3dB周波数の最初の三分之一から始まり、高周波域で徐々に減衰します。
1GHz以上の帯域幅を指定したスコープは、-3dB周波数付近でより急激な減衰を持つ平坦な応答を示します。入力信号が3dB減衰する最低周波数がスコープの帯域幅と見なされます。平坦な応答を持つオシロスコープは、ガウス応答を持つオシロスコープよりも帯域内の信号をより少なく減衰させ、より正確な測定を行います。
一方、ガウス応答を持つスコープは、平坦な応答を持つスコープよりも帯域外の信号をより少なく減衰させます。つまり、同じ帯域幅仕様を持つ他のスコープよりも上昇時間が早いということです。スコープの上昇時間仕様はその帯域幅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%〜90%基準に基づいて約0.35/f BWの上昇時間を有します。平坦な応答タイプのスコープは、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。
上昇時間とは、入力信号が理論的に無限に速い上昇時間を有する場合にスコープが生成できる最も速いエッジ速度を意味します。しかし、理論値を測定することは不可能なので、実用的な値を計算することが望ましいです。
オシロスコープでの精密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、スコープの帯域幅の制限です。オシロスコープの帯域幅は、信号内の周波数を十分に収容し、波形を適切に表示できるほど広い必要があります。
スコープと共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。オシロスコープおよびプローブの帯域幅は、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、全体のテスト装置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幅が、正確に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、振幅の所要精度が約1%の場合、スコープの倍率を0.1xにする必要があります。つまり、100MHzのスコープは10MHzの信号を1%の誤差でキャプチャすることができます。
波形の結果の視覚化が明確になるように、スコープの正しいトリガリングを考慮する必要があります。
高速測定を行う際には、接地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引き起こし、測定に影響を与えます。
この記事のまとめは、アナログスコープの場合、スコープの帯域幅はシステムの最高アナログ周波数の少なくとも3倍以上であるべきであり、デジタルアプリケーションの場合、スコープの帯域幅はシステムの最速クロックレートの少なくとも5倍以上であるべきです。
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