テスタオシロスコープの使い方 [1] テスタの使用法 1. テスタとは Circuit Tester( 回路試験器 ) の略称で, 直流電圧計, 直流電流計, 交流電圧計, 抵抗計を1 つのケース内に収めた便利な測定器である. 電子機器の回路の検査など, それほど高精度を要求しない場合に威力を発揮

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ぜんぺいひめい
4 years ago
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1 テスタオシロスコープの使い方 [1] テスタの使用法 1. テスタとは Circuit Tester( 回路試験器 ) の略称で, 直流電圧計, 直流電流計, 交流電圧計, 抵抗計を1 つのケース内に収めた便利な測定器である. 電子機器の回路の検査など, それほど高精度を要求しない場合に威力を発揮する. 表 1に一般的なテスタの測定範囲を示す. 表 1 一般的なテスタの測定範囲直流電圧 0.1 V ~ 1000 V 直流電流 50 µa ~ 0.5 A 交流電圧 0.1 V ~ 1000 V 抵抗 1 Ω ~ 1 MΩ 一般のテスタは交流電流は測定できない. 2. テスタの使用法図 1 に一般的なテスタの外観を示す. テスタには測定値を表示するメータ指示部, 測定レンジを切り替えるレンジ切替つまみ, 測定対象を接続する+ - 端子がある. テスタを使用する際, 抵抗測定レンジで電圧を加えると瞬時に破損することがある. 何を測定するのか良く考え, レンジを間違えないよう注意することが必要である. 一般のテスタによる測定値の許容誤差範囲は最大目盛り値の ±3%~±4% 程度である. メータ指示部ゼロ調整つまみ 0Ω 調整つまみ + 端子 - 端子レンジ切替つまみ図 1 一般的なテスタの外観 (a) 測定前テスタを水平にして, 指針が正しく 0 を指していることを確認する. ずれているときはゼロ調節つまみをマイナスドライバー等で静かに回して修正する. 測定端子の+ 側に赤のテストリードを,- 側に黒のテストリードを接続する. 次に測定対象に合わせたレンジをレンジ切り替えつまみで選択する. 測定値が全く未知の場合は最大レンジにセットし, 徐々にレンジを切り替えながら測定する. (b) 直流電圧測定黒色テストリードを回路の- 側に, 赤色テストリードを回路の+ 側に, 測定部に対して並列に接続する. 設定したレンジに合った目盛りから, 電圧値を読み取る. 指示値が小さいときは徐々に測定レンジを下げ, 測定する. テスタオシロスコープ -1

2 (c) 交流電圧測定測定対象が交流であるので+-の極性は考えなくて良い. 測定部には並列に接続し, 値を読み取る. (d) 直流電流測定電流測定は一般的なテスタでは直流に限られている. 一度, 被測定回路の電源を切ってから, 黒色テストリードを- 側に, 赤色テストリードを+ 側に, 測定回路に直列に接続する. 回路の電源を入れて電流を測定する. テスタを回路から切り離すときも, 回路の電源を切ること. (e) 抵抗測定レンジ切り替えつまみをΩレンジにセットした後, 赤色と黒色のテストリードをショート ( 短絡 ) させ, 指針がΩ 目盛りの 0 を指すことを確認する.0 を指さない場合は 0Ω 調整つまみを回して,0 を指すように調整する ( この調整はレンジを変える毎に行う必要がある ). 0Ω 調整つまみを回しても指針が 0 を指さないときは内部電池を交換する. 回路中の抵抗を測定するときは回路の電源を切ってから行う. このとき大型のコンデンサを含む回路ではコンデンサに充電された電圧の影響に注意する必要がある. 抵抗が並列に接続されている場合は片方の抵抗を回路から切り離すなどの工夫が必要となる. Ωレンジを使うと, 抵抗値の測定だけでなく, 回路の導通断線, ダイオードの極性, トランジスタの断線などのチェックが行える. このとき, テスタ内部電池の+ 側が黒色テストリードにつながっている事に注意しなければならない. (f) 測定後測定後はレンジ切り替えつまみを OFF の位置にするか, もし OFF のレンジがない場合は最も高圧の電圧レンジにすること. 3. テスタの構造と測定原理可動コイル式の直流電流計がメータである. 図 2 のように, 固定した永久磁石による磁場内に可動コイルが置かれている. コイルに直流電流が流れるとコイルが磁場から力 ( トルク ) を受けて回転し, コイルに取り付けられたスパイラル状バネとトルクが釣り合った所でコイルが停止する. このときの指示針の位置から測定値を読み取る. この一台の電流計に, 分流器, 倍率器, ダイオードなどを組み合わせて, 広い範囲の電流電圧および抵抗を測ること N S 可動コイルが出来るように工夫されている. 図 2 テスタの構造テスタオシロスコープ -2

3 (a) 直流電流計テスタのメータ ( 電流計 ) が最大 1mA まで流すことができて, メータ自身の内部抵抗 r が 1kΩであるとする. メータはフルスケールで 1mA までしか測定できないが, 図 3 のように電流計と並列に抵抗 R s の分流器を付加することで, テスタ全体で測定できる電流 x を大きくすることができる (R s =0.5kΩとすると 3 倍にできる ). 抵抗値の異なる分流器を切り替えることで, 測定可能な電流レンジを変えることが出来る. x テスタ直流電流計 ( メータ ) A + 端子 r = 1kΩ - 端子 x テスタ直流電流計 ( メータ ) A + 端子 r = 1kΩ - 端子 x = 最大電流 1 ma 図 3 直流電流の測定と分流器 Rs = 0.5kΩ 分流器 x Rs + r = R 最大電流 3 ma s (b) 直流電圧計電圧計は, 内部抵抗 r の電流計と直列に接続された抵抗 R( 倍率器 ) から成り立つ. 図 4 において, 抵抗値 (r+r) が一定であるから, 電流計でを測定すると E x を知ることが出来る. テスタのメータ指示部には直接 E x を読み取るための目盛りが振られており, これを読み取ることで電圧を測定できる. 倍率器の抵抗 R を切り替えることで, 測定可能な電圧レンジを変えることが出来る. テスタ直流電流計 ( メータ ) A 倍率器 + 端子 r = 1kΩ R - 端子 Ex ( r R) E x = + = ( r + R) 図 4 直流電圧の測定と倍率器テスタオシロスコープ-3 E x

4 (c) 交流電圧計交流電圧を測定する場合には, 整流器 ( ダイオード ) で整流した後メータ針を振らせている. 図 5 に示すように整流波形は直流と異なって脈流である. 例えば 50Hz の場合は 50 回 / 秒の脈動が可動コイルに流れる. 可動コイルは速い脈動にはついて動けず, 図に示した平均の電流値が流れているときと同じメータ指示をする. この平均電流値が入力電圧の実効値に等しくなるような目盛りがテスタのメータ指示部に記されている. テスタ直流電流計 ( メータ ) A r = 1kΩ 倍率器 R 電圧平均値時間整流器交流電圧 + 端子 - 端子図 5 交流電圧の測定と整流器 (d) 抵抗計 ( オーム計 ) 図 6 に示す回路において,E,r,R が一定であれば, 回路に流れる電流を測定することで未知の抵抗 R x を知ることが出来る. このときテストリードをショートしたとき (R x =0 のとき ), 無限大の電流が流れないようにテスタ全体の内部抵抗 ( r + R) は必ず必要である. テスタを抵抗計として使用するとき, 電源 E にはテスタ内部の電池が使用される. このとき, 図 6 のようにテスタの + 端子 ( 赤色 ) には内部電池の負側,- 端子 ( 黒色 ) には正側が接続されることに注意する必要がある. テスタ直流電流計 ( メータ ) A 内部電池 E r = 1kΩ 倍率器 R = R E + R x + E R x = - + r ( R r) + 端子 ( 赤端子 ) Rx - 端子 ( 黒端子 ) 図 6 抵抗の測定原理テスタオシロスコープ -4

5 [2] オシロスコープの使い方 1. オシロスコープとは電流や電圧は, 時間が変化しても値が一定の直流ばかりではなく, 時間とともに変化するものが多い. 例えば家庭用の商用電源 ( コンセント ) の電圧は 50Hz の正弦波である. コンピュータでは急激に変化するパルス状の電圧を用いて, 計算処理を行う. このような電圧 ( 電気信号 ) の時間的な変化を目に見える形で表示する装置がオシロスコープである. 一般に, オシロスコープの画面上には入力電圧を縦軸, 時間を横軸としたグラフが表示される. 2. アナログオシロスコープの使用法ここでは, アナログオシロスコープの基本的な使用方法を説明する. 図 7 に一般的なアナログオシロスコープの外観を示す. 図 7 では基本操作に必要なスイッチ以外は省略している. また, スイッチの配置は機種ごとに異なる. 詳細は実際に使用するオシロスコープの取扱説明書などを参照すること. VERTCAL MODE CH2 ALT CHOP CH2 COUPLNG COUPLNG TRGGERNG MODE LEVEL AUTO NORM SOURCE CH2 LNE EXT DC GND AC DC GND AC POS CAL POS CAL HORZONTAL POS CAL VOLT/DV VOLT/DV TME/DV POWER NTEN FOCUS ROTATON NPUT NPUT 図 7 アナログオシロスコープの前面パネル各部の説明 POWER 電源スイッチ NTEN ntensity の略. 画面上の輝線の明るさを調整する. FOCUS 輝線のピントを調整する. ROTATON 輝線の傾きを調整する. 入力信号がない状態 (Coupling を GND とした状態 ) で輝線が水平になるように調整する. テスタオシロスコープ -5

6 垂直軸調整部 (VERTCAL) MODE 画面に表示する信号を選択する. (Channel 1) に接続した信号を表示する. CH2 CH2 に接続した信号を表示する. ALT,2 の波形を同時に表示する.( 全波形 ) を表示後,CH2( 全波形 ),( 全波形 ), と表示するので, ゆっくりとした信号の場合にはと CH2 の信号が交互に見える. CHOP,2 の波形を同時に表示する.1 波形表示する間にと CH2 を少しずつ, 切り替えて表示するので, ゆっくりとした信号の場合でもと CH2 の両方の信号観測できる. ADD と CH2 の波形の合計波形を表示する. 設定部 (CH2 についても同様である ) COUPLNG 入力信号の結合方式を選択する. DC 直流結合する. 入力信号がそのまま縦軸に表示される. GND 入力信号を GND( 基準電位 ) に接続する. 通常は 0V を入力したのと同じ状態になる. AC 交流結合する. 入力信号の直流成分を除去し, 交流成分のみが縦軸に表示される. リップル等の交流成分のみを観測した場合に用いる. POS Position の略. 縦軸の表示位置を調整する. 通常は Coupling を GND とした時に, 画面中央に輝線が表示されるように調整する. VOLT/DV Volts/Division の略. 画面上の縦軸の 1 マスあたりの電圧を設定する. 画面上に表示される波形の高さ ( 何マス分か ) に, この設定値をかけることで, 電圧値を読み取る. CAL Calibration の略. 画面上の縦軸の 1 マスの電圧を VOLT/DV の設定値から連続的に可変する. 例えば信号が 1.5V の倍数である場合は,1 マスの電圧を 1.5V に設定しておくと, 何倍かが読み取り易い. ただし,1 マスの電圧が VOLT/DV のツマミの表示と異なるので, 通常は右にいっぱいに回して機能を off にしておく. 機種によっては VOLT/DV つまみと一体になっている. NPUT 入力信号を接続する. 通常は BNC 端子が採用されている. 水平軸調整部 (HORZONTAL) POS 横軸の表示位置を調整する. 通常は画面両端で輝線が途切れないように調整する. TME/DV Time/Division の略. 画面上の横軸の 1 マスあたりの時間を設定する. 画面上に表示される波形の長さ ( 何マス分か ) に, この設定値をかけることで, 時間を読み取る. CAL 画面上の横軸の 1 マスの電圧を TME/DV の設定値から連続的に可変する. 縦軸と同様に, 通常は右にいっぱいに回して機能を off にしておく. テスタオシロスコープ -6

7 トリガ調整部 (TRGGERNG) トリガの役割は 3. オシロスコープの構造を参照すること MODE トリガ信号の発生方式を選択する. AUTO トリガが掛かっている時はトリガタイミングに合わせて掃引する. トリガがかからない場合でも, 適当なタイミングで掃引を行う. NORM Normal の略. トリガがかかった時のみ, 掃引を行う. LEVEL トリガをかける信号レベル ( トリガレベル ) を調整する. SOURCE トリガ信号源を選択する. (CH2) (CH2) の入力信号をトリガ信号源とする. LNE 商用電源信号をトリガ信号源とする. EXT External( 外部 ) の略.EXT.TRG 端子に接続した信号をトリガ信号源とする. 通常の測定手順 1) 電源を入れる. 2)TRGGERNG MODE を AUTO,TRGGERNG SOURCE をにする. VERTCAL MODE をにする. COUPLNG を GND にする. 画面上に表示される輝線が目盛線と平行になっていることを確認する. 傾いている場合は ROTATON で調整する. 必要であれば,NTEN,FOCUS を調整する. 3) POS ツマミで 0V の位置を決める. 通常は画面中央にあわせる. 信号が正 ( 負 ) 電圧のみの場合は, 画面下方 ( 上方 ) に 0V をとると, 画面全体を有効に使える.CH2 も使用する場合には,VERTCAL MODE を CH2 として同様に調整する. 4) NPUT 端子に測定する信号を接続し, COUPLNG を DC とする ( 直流分をカットした交流信号のみを観測したい場合は AC とする ). 入力信号にあわせて,VOLT/DV, TME/DV ツマミを調整する. 静止した波形が表示されない場合は,TRGGERNG LEVEL ツマミを調整する ( トリガの調整は 3. オシロスコープの構造も参照すること ). 5)2 つの信号を観測する場合は,CH2 について,4) と同様の調整を行う. この場合は, VERTCAL MODE を CH2 と切り替えて使用するか,ALT または CHOP として 2 波形を同時に表示させる. 6) 波形を観測し記録する. 1 波形表示では, 信号の形状, 振幅 ( 大きさ ) や, 周期 ( 周波数 ) を測定できる. 2 波形同時表示では,2 つの信号の時間関係 ( 時間遅れ, 位相差 ) を測定できる. 波形をグラフ用紙などに模写する時は,,CH2 の波形を線種記号で区別するのはもちろんのこと, それぞれの波形について,0V の位置,VOLT/DV の設定値, TME/DV の設定値も合わせて記録すること. テスタオシロスコープ -7

8 3. アナログオシロスコープの構造オシロスコープは図 8 に示すように, 波形を表示する陰極線管 (CRT), 入力信号を増幅する増幅回路,CRT 上の輝線の以上速度を決める時間軸信号発生回路, そして CRT 上の輝線の移動開始時刻を決めるトリガー信号発生回路の4つの部分から構成されている. オシロスコープに用いる CRT は電子銃から放たれた電子線を縦横方向に移動させる, 二組の偏向板を持っている. 通常, 縦方向の偏向板には AMP で増幅された入力信号を印加し, 入力信号に応じて輝線を上下方向水平方向偏向板垂直方向偏向板に変化させる. 横方向の偏向板に入力信号電子ビームは, 時間とともに直線的に変化する三角形状の電圧 ( 鋸歯状波, のこぎり波 ) を印加し, 輝線を時間増幅回路電子銃 CRT とともに横方向に移動させる. 時トリガ信号発生回路間軸信号発生回路が三角形状波を発生させる. 外部トリガ時間軸信号発生回路トリガ信号発生回路は時間軸信号の発生タイミングを調整す図 8 オシロスコープの構造る働きをもっている. 図 9(a) のように, 入力信号と時間軸信号が同期している場合,CRT 上には同一の波形が連続して表示される. しかし, 図 9(b) のように入力信号と時間軸信号の同期が取れていない場合は,CRT 上にはタイミングの異なる波形が次々と表示されるため, 波形を正しく観測することがでない. トリガ信号発生回路は, トリガソース信号が基準となる電圧 ( トリガレベル ) を横切ったときに, 時間軸波形がスタートするように調整している. トリガソース, トリガレベルは, トリガ調整部のつまみスイッチで設定する. (a) トリガのかかった状態入力信号時間軸信号 CRT トリガレベル表示される波形 (b) トリガのかかっていない状態入力信号時間軸信号 CRT トリガレベル表示される波形図 9 トリガの状態と表示波形の関係テスタオシロスコープ -8

9 [3] デジタルオシロスコープの使い方 1. デジタルオシロスコープ近年のデジタルエレクトロニクス技術の発展にともない, 様々な測定機器がデジタル化されている. オシロスコープも例外ではなく, 現在はデジタル技術を導入したデジタルオシロスコープが主流となっている. デジタルオシロスコープとは, 入力された ( 時間的に変化する ) 電圧信号を A/D 変換 ( アナログ / デジタル変換 ) サンプリングしてデジタル化したデータをコンピュータメモリ上に記録し, 液晶モニタ等にグラフィック表示することでオシロスコープの機能 ( 電圧の時間的な変化を目に見える形で表示する機能 ) を再現した測定装置である. 画面上にはアナログオシロスコープと同様に, 入力電圧を縦軸, 時間を横軸とした電圧波形が表示され, アナログオシロスコープのもつ機能のほとんど全てがデジタル技術によって再現されている. さらに以下のような機能が追加されている. ストレージ機能: 測定データをメモリ上に記録しているため, 波形を拡大縮小して表示したり, 単発現象の波形を止めて観測したり, トリガよりも前の波形を確認できる. また, メモリ上のデータを USB メモリなどに保存できる機種もある. 自動測定機能カーソル機能: メモリ上に記録した波形データから, 電圧の最大最小値や周波数などを自動的に求め画面上に表示したり, カーソルバーを使って電圧や時間の値差を読み取ることができる. 波形データの演算機能: 複数の測定 chのデータ間の演算や, 測定データの周波数分布 (FFT) を求めることができる. これらの機能は機種ごとに異なる. 詳細は取扱説明書等を参照すること. 一方, エイリアシングやデッドタイムなど, デジタル機器特有の短所があり, 測定の際には注意が必要である. 2. デジタルオシロスコープ (WATSU DS-5100 シリーズ ) の使用法ここでは本実験で使用するデジタルオシロスコープ (DS-5100 シリーズ ) を用いた, 基本的な電圧波形の観測手順について解説する. ただし,COUPLNG,VOLT/DV,TME/DV などの用語の意味はアナログオシロスコープと同様であるので [2] オシロスコープの使い方の該当箇所を参照すること. また,DS-5100 シリーズではメニューの表示言語を選択できる. 以下の説明では日本語表示が選択されているものとする. 各機能の詳細や, ここで説明していない機能については取扱説明書を参照すること. DS-5100 シリーズを用いた電圧波形の測定手順 ( 基本 ) 図 1 に DS-5100 シリーズの前面パネルの概観を示す. 丸数字は今後の説明のための番号である. 取扱説明書の p.2-5~p.2-7 と揃えてあるので, より詳細な説明が必要なときは取扱説明書を参照すること. テスタオシロスコープ-9

10 1 7 ON/OFF AUTO SAVE STUP COPY ACQUSTON UTLTES DSPLAY /RECALL FUNCTON STOP CURSORS MEASURE AUTO NORMAL /SNGLE 1 2 PUSH ZERO OFFSET MATH PUSH ZERO DELAY 19 PUSH FND LEVEL 14 REF 18 PUSH FNE/COARSE PUSH ZOOM MANUAL TRGGER 20 X 4 CH2 Y EXT 図 1 WATSU DS-5100 シリーズ前面パネルの概観 1) 電源を入れる. スイッチは本体の左部上面にある. 2)TRGGER の設定 TRGGER 設定部 20の AUTO キーを押して TRGGERNG MODE を AUTO にする. TRGGER 設定部 20のキーを押すと, ディスプレイ1に図 2(a) の TRGGER メニューが表示される. さらにファンクションキー 14の上から 2 番目を押すと図 2(b) のサブメニューが表示される.FUNCTON ノブ15を回してサブメニューのを反転させて, FUNCTON ノブ15を押し込むことで,TRGGERNG SOURCE をに設定する. (a) 7 ON/OFF (b) 7 ON/OFF Trigger モードエッジ信号選択スロープ結合ホールドオフ CH2 EXT EXT/5 AC ライン Trigger モードエッジ信号選択スロープ結合ホールドオフ図 2 TRGGER メニューテスタオシロスコープ -10

11 3) 垂直軸 (VERTCAL AXS) の初期設定 VERTCAL 設定部 18の 1 を押すと画面に図 3(a) の VERTCAL メニューが表示される. ファンクションキー 14の 1 番目を押し, 表示されたサブメニューから GND を選ぶ (FUNCTON ノブ15を回してサブメニューの GND を反転させて,FUNCTON ノブ15を押し込む ). この操作で, COUPLNG が GND に設定され, 画面に黄色いラインが表示される. 黄色いラインが表示されない場合 VERTCAL 設定部 18の OFFSET ノブ ( PUSH ZERO OFFSET と書かれている ) を押し込んでみよ (OFF SET が画面中央に設定される ). VERTCAL 設定部 18 の OFFSET ノブ (PUSH ZERO OFFSET と書かれている ) をまわして 0V の位置を決める. 通常は画面中央にあわせる. 信号が正 ( 負 ) 電圧のみの場合は, 画面下方 ( 上方 ) に 0V をとると, 画面全体を有効に使える. (a) 7 ON/OFF (b) 7 ON/OFF 結合 DC 帯域 20M オフプローブ 1X 反転オフ直流交流 GND 結合 DC 帯域 20M オフプローブ 1X 反転オフディジフィルタディジフィルタ図 3 VERTCAL メニュー 4) 信号の観測 NPUT 端子 ( X と表示されている ) に測定する信号を接続し, COUPLNG を DC とする ( 3) の手順で GND ではなく直流を選択する. ただし, 直流分をカットした交流信号のみを観測したい場合は交流とする ). 入力信号にあわせて,VERTCAL 設定部 18の VOLT/DV ノブ (PUSH FNE/COARSE と表示されている ),HORZONTAL 設定部 19の TME/DV ノブ (PUSH ZOOM と表示 ) を調整する. 現在の VOLT/DV,TME/DV の値はディスプレイ下部に表示される. 静止した波形が表示されない場合は,TRGGER 設定部 20の TRGGERNG ノブ (PUSH FND LEVEL と表示 ) を回して TRGGER LEVEL を調整する. ON/OFF キー 7 を押して, サブメニューを消した状態で,FUNCTON ノブ15を回して波形を見やすい明るさに調整する. 5)2 つの信号を同時観測する場合は,3)~4) の手順をを CH2 に読み替えて同様の調整を行う.DS-5100 シリーズではの波形は黄色,CH2 の波形は紫色で表示される. 6) 波形を観測し記録する. テスタオシロスコープ-11

12 便利な機能ここでは,DS-5100 シリーズに搭載されている便利な測定機能の一部を紹介する. 機能手順の詳細は取扱説明書を参照すること. ただし, これらの機能を利用するときは, 装置を過信せずに, 観測したい波形が正しく表示されているか常に注意すること. オートセットアップ入力信号が周期信号であるとき,AUTO SETUP キー 8をおすと, 入力信号を観測しやすいように VERTCAL,HORZONNTAL 軸が自動で設定される. ノイズが大きい場合, ノイズ信号が表示されることがあるので注意すること!! ( 取扱説明書 p2-21 参照 ) カーソルディスプレイ上に 2 つの上下 ( 電圧 ), または左右 ( 時間 ) の直線カーソルを表示し, カーソル間の電圧 or 時間を測定する ( ディスプレイ隅に電圧差 or 時間差が表示される ). 入力信号の振幅や,2 つの信号の時間差を測定するのに便利である. ( 取扱説明書 p.3-87 参照 ) アベレージ入力信号が周期信号であるとき, 複数回の掃引の平均波形を表示する. 観測したい波形に高周波のランダムノイズが載っている場合, 平均処理によってランダムノイズを軽減することができる. ( 取扱説明書 p.3-46 参照 ) 自動測定入力信号の振幅, 最大最小電圧, 平均電圧, 実効値電圧, 周期, 周波数などを自動的に求めてディスプレイ上に表示する. ( 取扱説明書 p.3-80~ 参照 ) テスタオシロスコープ -12

32　演算増幅回路

32　演算増幅回路オシロスコープの使い方奈良教育大学薮哲郎最終修正 2018.7.17 1. オシロスコープとはオシロスコープは電圧波形を表示する測定器であり電子工作の必需品である略してオシロと呼ぶことも多いテレビと同様にかつてオシロは掃引回路とブラウン管を持つアナログオシロを使っていたが今はデジタルオシロに代替されたとはいえオシロは長く使える機器 30 年前の製品が平然と使われていることもある