Thread Content
デジタルオシロスコープを用いてアナログ信号を測定する際の垂直分解能という概念において、最初のステップは、プローブが受信したアナログ信号をADC（アナログ・デジタル変換器）を使ってデジタル信号に変換することです。ADCのデジタル・アナログ変換チップの分解能が、オシロスコープの垂直方向におけるサンプリング精度を直接決定します。例えばADCが8ビットの場合、垂直方向の信号は00000000～11111111まで、合計2の8乗、つまり256段に分割することができます。デジタルコンバータの垂直分解能とは、デジタルオシロスコープの垂直分解能のことで、オシロスコープが入力電圧をデジタル値に変換する精度を表します。デジタルオシロスコープで表示される垂直分解能は何によって決まり、優先順位は高い順から1.フロントエンドのADCの分解能、2.表示画面の分解能：これが処理された信号のうち、どれだけを表示できるかを決定する。例えば、ADCは垂直方向に256段を表示できるものの、ディスプレイの解像度が垂直方向に240ピクセルしかない場合、そのうちの一部の点は1つのピクセルとしてまとめて表示されることになります。3. 插入アルゴリズム：実際のオシロスコープに表示されるピクセル点は、必ずしも実際のサンプリングによって生成されたものとは限らず、一部は插入アルゴリズムによって計算された仮想の点です。優れた插入アルゴリズムを用いることで、插入された点と実際の点との差が小さくなります。垂直精度とは、同じオシロスコープを使って異なる垂直チャンネル設定で同じ信号を測定した場合、得られる測定結果がしばしば異なることです。例えば、2Vの方形波信号を測定する場合、垂直目盛りが2Vのときに測定される振幅は1.960Vになることがあります。https://pic1.zhimg.com/80/v2-c2ca68a39b3dc49b0d846b2499e4c084_720w.jpg 垂直ゲインが500mVのとき、振幅は1.980Vで測定された。https://pic2.zhimg.com/80/v2-4fb1606003ba7c3657366ad7718f6989_720w.jpgなぜこんなことになるのでしょうか？これは垂直分解能の問題に関わるため、垂直スケールが500mV/divの場合、オシロスコープの垂直方向に10の目盛りがあると仮定すると、その垂直分解能はADCの分解能によって決まり、(500mV×10)/256＝19.531mVとなる。つまり、ADCは19.531mV未満の電圧信号を識別できないのである。同じ信号を測定し、垂直分解能が2V/divの場合、ADCが識別できる信号は（2000mV×10）/256＝78.125mVとなり、この電圧値未満の信号は測定できない。つまり、デジタル測定機器には常にサンプリング時の量子化誤差が存在する。ADCのビット数が多ければ多いほど量子化誤差は小さくなるが、完全にはなくすことはできず、無限にしか減少させられない。ですから、波形を測定する際には、できるだけ波形がオシロスコープの画面いっぱいになるようにします。これは垂直精度を高め、測定結果をより正確にするためです。https://pic1.zhimg.com/80/v2-ee2f37c4fc842d5f21b600c24f94753c_720w.jpg アルゴリズムを変更することで解像度を向上させる。デジタルオシロスコープにおけるADCのビット数が多いほど、垂直解像度も高くなる。この解像度はハードウェアによって決定され、一度決まると変更することはできない。しかし、オシロスコープのシステム全体の有効桁数によって決まる分解能は前者と異なり、ソフトウェアを使って分解能を向上させることができます。https://pic2.zhimg.com/80/v2-9f6926ed3b6a2580a91e9f60a2a2d3fd_720w.jpg 現在、ほとんどのオシロスコープにおいて、ADCでサンプリングした後に分解能を向上させるために最もよく用いられる方法は「平均化」です。https://pic4.zhimg.com/80/v2-9d71cf8afabbe680a900c9c0e22722d7_720w.jpg 平均サンプリング方式では、まず平均回数Nを設定し、その後オシロスコープが取得したNつの波形をトリガー位置に合わせて整列させ、これらNつの波形に対して平均演算を行い、最終的に1つの平均化された波形を得る。https://pic1.zhimg.com/80/v2-bad51e62c119a27c28699819256d313c_720w.jpgこのようなサンプリング方式は、ランダムノイズを低減しつつ帯域幅を失わないため、オシロスコープシステムの分解能が向上する。しかし、平均モードでは変化する波形に応答するのに長い時間がかかり、より高い分解能を得るためにオシロスコープの速度を犠牲にする。また、その処理方式の特性上、適用可能な波形信号は周期的な信号のみとなる。 要するに、オシロスコープのディスプレイの垂直方向の解像度自体が限られている上、高周波信号を測定する際には振幅自体が正確でなく、上限周波数では30％もの誤差が生じる。さらに、垂直解像度を高くしすぎるとアナログ・デジタル変換時間が長くなり、サンプリングレートに影響を与え、それが結果として帯域幅にも悪影響を及ぼし、得るものより失うものの方が大きくなる。一般的なオシロスコープの垂直分解能は8ビットで、高分解能のオシロスコープでは12ビットに達します。オシロスコープのアナログ回路自体の精度が向上しなければ、単にADCの分解能を高めても意味はありません。電圧の精度を求める場合はマルチメーターを使用すべきで、オシロスコープの主な機能は波形の形状を観察することであり、測定精度は一般的に2％以内です。この精度ならほとんどの用途において十分対応可能です。