デジタイザ/オシロスコープを選ぶにあたって考慮すべき10の条件

今日のデジタルストレージオシロスコープは、ドイツの物理学者カール・フェルディナント・ブラウンが1987年に発明した陰極線オシロスコープとは大きく異なります。技術の進歩が新しい機能を生み出し続け、オシロスコープはエンジニアにとって使いやすく改良されてきました。そういったオシロスコープの変遷において最も重要な改良の一つは、デジタル領域への移行であり、デジタル信号処理や波形解析といった強力な機能が実現されました。 今日のデジタルオシロスコープには、高速低分解能（通常8ビット）アナログ/デジタルコンバータ（ADC）、定義済みの操作ボタンやダイアルと表示画面、一般的な計測に使用される信号処理を実行する内蔵プロセッサが備わっています。 一方、デジタイザは、PC の最新の処理能力と高解像度ディスプレイを活用しながら、オシロスコープに備わった全ての機能を提供します。 デジタイザは PC ベースのため、計測機能をソフトウェアで定義できるというメリットがあります。 その結果、デジタイザを使用すれば、標準のオシロスコープ計測だけでなく、カスタムの計測をすることができ、さらには、スペクトルアナライザ、周波数カウンタ、超音波測定器など他の測定器としても利用することができます。 オープンアーキテクチャとソフトウェアの柔軟性は、デジタイザに従来のスタンドアロンのオシロスコープにはない複数のメリットをもたらしています。 しかし、デジタイザとオシロスコープには数多くの類似点があり、選定基準にも共通点があります。 ここでは、デジタイザ/オシロスコープを選ぶにあたって考慮すべき10の条件について説明します。

帯域幅

帯域幅は、入力信号が最小の振幅損失でアナログフロントエンドを通過できる周波数の範囲で、プローブの先端または計測装置から ADC の入力までの間を指します。 正弦波入力信号が元の振幅の70.7%に減衰する周波数として特定されており、-3 dB としても知られています。

一般的に、信号の最も高い周波数成分の2倍以上の帯域幅でデジタイザを使用することが推奨されます。

オシロスコープとデジタイザがよく使用されるのは、デジタルパルスなどの鋭角な信号の立ち上がり時間を計測する場合です。 こうした信号は高周波からなります。 信号の正しい形状を集録するには、高帯域デジタイザが必要です。 例えば、10 MHz の方形波は、10 MHz の正弦波と無数の高調波からなります。 この信号の正しい形状を集録するには、これらの高調波を複数集録できるだけの帯域幅を持つデジタイザを使用する必要があります。 使用しなかった場合、信号が歪み、正しい計測結果が得られません。

図1.高周波成分の波形を集録する場合、高帯域デジタイザが重要な役割を果たす

大まかですが、次の公式を使用すると、信号の立ち上がり時間（信号の振幅が10%から90%に変化するのに要する時間として定義する）を基にした信号の帯域幅を求めることができます。

図2. 立ち上がり時間とは、信号がその最大目盛値の10%から90%に変化するのに要する時間。立ち上がり時間と帯域幅は直接関連しており、それぞれの値は上記の公式から求めることができる。

上記の公式で求められるように、信号の帯域幅の3～5倍の帯域幅を持つデジタイザを使用するのが理想的です。 言い換えれば、デジタイザの立ち上がり時間が、信号の立ち上がり時間の1/5～1/3であると、信号集録時のエラーが最小限に抑えられるということです。 次の公式を基に信号の正しい帯域幅を決定することができます。

= 計測した立ち上がり時間, = 実際の立ち上がり時間, = デジタイザの立ち上がり時間

サンプリングレート

ここまでは、帯域幅の説明をしてきました。帯域幅はデジタイザ/オシロスコープの最も重要な仕様の一つです。 ただ、高帯域幅は、サンプリングレートが不十分な場合、それ程便利とはいえません。

帯域幅が最小の減衰で A/D 変換できる高周波数の正弦波であるとすれば、サンプリングレートは単純に、デジタイザのアナログ/デジタルコンバータ（ADC）が入力信号をデジタル化できるスピードです。サンプリングレートと帯域幅には直接関連がないことにご注意ください。 ただ、これら2つの重要な仕様の関連の原則があります。

デジタイザのリアルタイムサンプリングレート = デジタイザの帯域幅の3～4倍

ナイキスト定理では、エイリアスを防ぐために、デジタイザのサンプリングレートが、計測中の信号の高周波成分の2倍以上の速さである必要があると定義しています。 しかし、サンプリングが高周波成分の2倍の速さであるというだけでは、時間領域信号を正確に複製することはできません。 入力信号を正確に A/D 変換するには、デジタイザのリアルタイムサンプリングレートはデジタイザの帯域幅の3～4倍以上である必要があります。 その理由を理解するには、下の図にあるデジタル化された信号を見て、どちらをオシロスコープで見たいと思うか考えてみてください。

図3. 右の図が表しているのは、信号を正確に複製するのに十分高いサンプリングレートを持ったデジタイザ。つまり、より正確な計測結果を得ることができる。

フロントエンドアナログ回路を通過する実際の信号が同じでも、左の図では、サンプル数が少なく、デジタル化された信号が歪められています。 一方、右の図では、信号を正確に複製するのに十分な数のサンプリングがあるため、より正確な計測結果が得られます。 信号を正確に複製することは、立ち上がり時間、オーバーシュートといったパルス計測などの時間領域の計測では重要です。したがって、高いサンプリングレートはメリットとなるのです。

サンプリングモード

主なサンプリングモードは2種類あります。リアルタイムサンプリングと等価時間サンプリング（ETS）です。

リアルタイムサンプリングレートは上記でも述べた ADC のクロックレートで、一度に信号を集録できる最大レートを指します。 一方、ETS は、トリガを使用して集録した複数の波形を基に実際の信号を複製する方法です。ETS のメリットは、より高い有効サンプルレートを得られることです。 しかし、デメリットとして、より時間がかかることと、繰り返し信号の場合でしか適用できないことが挙げられます。 注意していただきたいのは、ETS はデジタイザのアナログ帯域幅を拡張するわけではなく、高いサンプリングレートで信号を複製する必要がある場合にのみ便利であるという点です。 ランダムインタリーブサンプリング（RIS）は ETS を使用した機能で、下の表に記載されたナショナルインスツルメンツのデジタイザのほとんどで採用されています。

デジタイザ モデル	チャンネル	リアルタイム サンプリングレート	等価時間 サンプリングレート	帯域幅	分解能
NI 5152	2	2 GS/秒	20 GS/秒	300 MHz	8 ビット
NI 5114	2	250 MS/秒	5 GS/秒	125 MHz	8 ビット
NI 5124	2	200 MS/秒	4 GS/秒	150 MHz	12 ビット
NI 5122	2	100 MS/秒	2 GS/秒	100 MHz	14 ビット
NI 5105	8	60 MS/秒	–	60 MHz	12 ビット
NI 5922	2	500 kS/秒 または、15 MS/秒	–	6 MHz	16～24ビット ユーザ定義

分解能とダイナミックレンジ

上記で述べたとおり、デジタルオシロスコープとデジタイザはどちらも A/D コンバータ（ADC）を備えており、信号をアナログからデジタルへ変換します。 ADC から返されるビット数はデジタイザの分解能です。 ある入力範囲に対して、信号のデジタル表示に使用されるレベル数は、2b です。b はデジタイザの分解能を表します。 この入力範囲は2b ステップに分割されるため、デジタイザで検出できる最も小さい電圧は、（入力範囲/2b）で示されます。 例えば、8ビットデジタイザが、10 Vpp の入力範囲を28 = 256ステップ（39 mV 単位） に分割するところ、24ビットデジタイザは、同じ10 Vpp の入力範囲を224 = 16,777,216ステップ（596 nV 単位）に分割します（8ビットの場合より、約65,000倍小さい）。

高分解能のデジタイザを使用する目的の一つには、小さい信号を計測することが挙げられます。 単純に、低分解能の計測器を使用して、小さい入力範囲で信号に「ズームイン」する方法で小さい信号を計測してはいけないのか、という質問がよくあります。 しかし、信号の多くは大小両方の信号成分を含んでいます。 入力範囲が大きいと、大きな信号は計測できるかもしれませんが、小さな信号は大きな信号のノイズにさらされます。 一方、入力範囲が小さいと、大きな信号をクリップすることになり、正しい計測結果は得られません。 したがって、ダイナミック信号（大小の電圧成分を持つ信号）を測定する場合、広範なダイナミックレンジを持つ高分解能の計測器が必要となります（つまり、大きな信号に混じって小さい信号を計測できるデジタイザの能力が必要となります）。

従来のオシロスコープには通常、8ビット分解能の ADC が使用されていますが、スペクトル解析や変調波形などのダイナミック信号が関係するアプリケーションの多くには十分な機能を果たしません。 こういったアプリケーションの場合、下の表でハイライトされている高分解能デジタイザのうちの一つが役に立つ場合があります。 この中の NI PXI-5922可変分解能デジタイザは、『Test and Measurement World』誌の「2006 Test Product of the Year」を受賞しました。 このモジュールには線形化技術が採用されており、業界でも最高のダイナミックレンジを誇るデジタイザ/オシロスコープを実現しています。

デジタイザ モデル	分解能	チャンネル	リアルタイム サンプリングレート	帯域幅
NI 5922	16～24ビット ユーザ定義	2	500 kS/秒 または、15 MS/秒	6 MHz
NI 5122	14 ビット	2	100 MS/秒	100 MHz
NI 5124	12 ビット	2	200 MS/秒	150 MHz
NI 5105	12 ビット	8	60 MS/秒	60 MHz

トリガ

通常、オシロスコープやデジタイザを使用するのは、一定のイベントに基づいて信号を集録する場合です。 この計測器のトリガ機能は、このイベントを分離し、イベントの前後の信号を集録します。 ほとんどのデジタイザおよびオシロスコープには、アナログエッジトリガ、デジタルトリガ、およびソフトウェアトリガ機能が備わっています。 その他のトリガ機能には、ウィンドウ、ヒステリシス、およびビデオトリガ機能があります（NI 5122、NI 5124、およびNI 5114に搭載）。
高性能デジタイザでは、トリガ間の再構成時間が短いため、複数レコード集録モード（Multiple Record Mode）が有効になります。デジタイザは任意のトリガに対して指定した回数の集録を行い、すばやく再構成し、次のトリガを待機します。 再構成時間が短いと、デジタイザがトリガを逃すことがありません。 通常であれば集録にもれがないようにすべてのデータを集録するところ、複数レコードモードではトリガ前後の必要なデータのみを集録し、保存する場合にデータ量が少なくなるので非常に便利です。これにより、オンボードメモリの使用状況を最適化し、PC バスの動作を制限することができます。

オンボードメモリ

多くの場合、データはデジタイザ/オシロスコープからPCに転送され、計測と解析が行われます。 これらの計測器は最大 GS/秒の域でのサンプリングを実行できますが、PC へのデータ転送レートは、PCI、LAN、GPIB といった接続バスの帯域幅によって制限されます。現在、こうしたバスでは GS/秒のデータ転送レートを維持することはできませんが、PCI Express および PXI Express では可能です。

PC メモリと計測モジュールを接続するバスが、集録時のサンプリングレートでの連続データ転送を維持することができない場合、計測器のオンボードメモリを使用すれば、最大レートで信号を集録してから、データを PC に転送して処理することが可能です。

大容量メモリは集録時間だけでなく、周波数領域の分解能も向上させます。 最も一般的な周波数領域計測は、高速フーリエ変換（FFT）で、信号の周波数成分が表されます。 FFTの周波数分解能が高いと、より細かく周波数領域の分析をできます。

上記の公式によると、周波数分解能を向上させるのに2つの方法があります。サンプリングレートを低減する、または FFT のポイント数を増やすという方法です。 サンプルレートの低減は、周波数幅をも低減してしまうため、理想的ではありません。 この場合の唯一の周波数分解能を向上する方法は、FFT のポイントを増やす方法で、これには大容量のオンボードメモリが必要になります。

図4. 大容量のオンボードメモリは、高いサンプリングレートで長時間の集録を可能にし、集録するポイント数が増える。FFT の計算に使用するポイント数を増やすと、周波数分解能が高くなる。

チャンネル密度

オシロスコープ/デジタイザを購入する際に重要な要素となるのは、計測器のチャンネル数、または複数の計測器を同期させることによってチャンネルを追加できる機能です。 ほとんどのオシロスコープには、2～4個のチャンネルがあり、全てのチャンネルにおいて一定のサンプリングレートで同時に集録が実行されます。 デジタイザの全チャンネルを使用した場合に、サンプリングレートにどのような影響があるのかを考慮するのは重要です。 その理由は、よく使用されるインタリーブサンプリングと呼ばれる技術にあります。これは、複数のチャンネルを使用して、高いサンプリングレートを実現する技術です。 デジタイザまたはオシロスコープにこの方式が採用されていて、全てのチャンネルが使用されると、最大サンプリングレートでの集録は不可能になります。

必要となるチャンネル数は、アプリケーションによって決まります。 従来の2～4個のチャンネルでは、アプリケーションによって十分でない場合がよくあります。そういった場合の選択は2つあります。 まずは、チャンネル密度の高い製品を使用する選択です。例えば、NI 5105デジタイザ（8チャンネル、同時サンプリング、12ビット、60 MS/秒、60 MHz）です。 分解能、速度、帯域幅の要件を満たす計測器が見つからない場合は、緊密な同期によってテストシステムが拡張できて、トリガおよびクロックの共有が可能なプラットフォームの使用を考慮します。 GPIB または LAN を使用して複数の箱型オシロスコープを同期させるのが、高遅延、スループットの限界、外部ケーブルの利用といった理由により、実質不可能なのに対し、PXIは優れたソリューションとなります。 PXIは業界標準であり、PCI や PCI Express といった既存の高速バスを利用でき、優れた同期精度をもたらします。

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図5. 同期技術を用いれば、チャンネル数の多いデジタイザを構築することが可能。上記のシステムでは、最大136個の位相同期チャンネルを実現。複数のシャーシを用いれば、さらにチャンネル数を増やして同期が可能。

ナショナルインスツルメンツのデジタイザ NI PXI-5105および NI PXI-5152には、T クロック機能が備わっており、数十ピコ秒の同期確度を達成します。 例えば、この機能を使用すると、NI PXI-5152デジタイザを使用して、34チャンネル（同期）、1 GS/秒のオシロスコープを18スロットシャーシ1つで構築できます。 同様に、複数の NI PXI-5105デジタイザ（60 MS/秒、12ビット分解能）を同期させて、136個のチャンネルが同期されたシステムを構築できます。 さらにチャンネル数を増やす場合、PXI のタイミングモジュールを使用した複数シャーシによる、最大5000チャンネルのシステムも構築できます。

複数の計測器の同期

自動計測では多くの場合、デジタイザ、信号発生器、デジタル波形アナライザ、デジタル波形発生器、スイッチといったように様々な計測器を使用します。

PXI および NI モジュール式計測器が本来備えているタイミング/同期機能では、外部ケーブルなしで全てのタイプの計測器を同期させることができます。 例えば、デジタイザ（NI PXI-5122など）と任意波形発生器（NI PXI-5421など）を同期させて使用すると、周波数や振幅などをスイープさせて、周波数や位相などの特性評価が可能になります。 スイープ全体を自動化することができるため、オシロスコープおよび信号発生器のパラメータを手動で設定する必要がありません。 PXIのモジュール式計測器を使用すると、桁違いの速度の向上をもたらし、煩わしい作業がなくなります。

ミックスドシグナル機能

前述のように、この T クロック機能を使用すれば、1つの PXI シャーシで最大136個のチャンネルを同期させるシステムを構築できたり、複数のシャーシで最大5000チャンネルのシステムを構築できたりします。そして、さらには、異なるタイプの計測器を同期させることもできます。 例えば、NI デジタイザは、Tクロック機能を使用して、信号発生器、デジタル波形発生器、およびデジタル波形アナライザと同期させることができ、ミックスドシグナルシステムを構築できます。

図6. 上記は、ミックスドシグナルオシロスコープ（アナログ/デジタル入力）をモジュール式計測器で構築し、計測した結果。さらに、このシステムにデジタルまたはアナログ出力を追加して、全ての計測器を同期させることが可能。

デジタル機能に制限のあるミックスドシグナルオシロスコープで妥協するのではなく、モジュール式PXIデジタイザを任意波形発生器およびデジタル波形発生器/アナライザと共に使用してミックスドシグナルシステムを構築すれば、オシロスコープとロジックアナライザの両方のメリットを活用できます。

ソフトウェア、解析機能、およびカスタマイズ

ソフトウェアおよび解析機能の選択は、モジュール式デジタイザまたはスタンドアロンのオシロスコープのどちらをアプリケーションに使用するかを決定する場合に鍵となります。

スタンドアロンのオシロスコープはメーカが機能を決めていますが、デジタイザはユーザが定義できるため、柔軟性があり、用途の幅が広がります。 箱型オシロスコープが提供する標準機能の多くは、大半のエンジニアに共通するニーズに対応しています。 ご想像のとおり、こうした標準機能では、全てのアプリケーションの問題、特に自動計測の問題には、対応しきれません。 オシロスコープで何を計測するかを定義する必要がある場合、モジュール式デジタイザを選択すると、スタンドアロンのオシロスコープの固定機能と違って、最新PC技術を活用しながら、ニーズを満たすようにカスタマイズできます。

ナショナルインスツルメンツのデジタイザ全製品は、無料の NI-SCOPEドライバソフトウェアを使用してプログラミングします。 このドライバには、NI デジタイザの全ての機能を活かすサンプルプログラムが50以上含まれております。付属の NI-SCOPE ソフトフロントパネルは、スタンドアロンのオシロスコープと同様の計測画面、ボタンやノブなどでの操作を PC 上で提供します。 また、デジタイザ一つで NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual Basic、および .NET などのプログラミング言語によるプログラミング次第で、一般的な計測と独自の計測の両方を実現することができ、アプリケーションの幅を広げることができます。 ドライバを使用すると、Express 関数を NI LabVIEW で利用することもできます。

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図7. あらかじめ構成されたExpressブロックを使用すると、デジタイザをすばやく設定でき、迅速にデータ集録が可能になる。NI LabVIEW SignalExpressは対話式環境で、プログラミングなしでデータを集録、解析、および記録できる。

まとめ

モジュール式デジタイザおよびスタンドアロンのオシロスコープはどちらも電圧を集録するために使用されますが、それぞれのメリットは異なります。ここまで述べてきた点は、計測器の購入時に考慮すべき重要な条件です。アプリケーションの要件、コストの制約条件、性能、将来における拡張性などをあらかじめ考慮することは、ニーズを全て満たすような計測器を選択する上で鍵となります。

追加資料
ナショナルインスツルメンツのデジタイザ/オシロスコープ
PXI：計測器の業界標準プラットフォーム（英語）
デジタイザ/オシロスコープの基礎
ナショナルインスツルメンツの高速デジタイザが持つソフトウェアプラットフォームのメリット（英語）