計測器

【おすすめ】電子工作に必要なオシロスコープの選び方

オシロスコープと一口に言ってもたくさんの種類があるので、どれを選んだらいいのか迷ってしまうかもしれません。特に電子工作初心者の方は知らないことも多いので選定が難しいですよね。

当記事では、電子工作初心者でも迷わないように、簡単にオシロスコープについて説明した上で、ランキング形式で、おすすめのオシロスコープについて紹介していきます。

オシロスコープとは何か?

オシロスコープとは、電気信号を波形で表示する計測器です。

画面の水平軸は時間、垂直軸は電圧を示しており、波形で表示されるので、交流電圧などの周期的な信号の計測に適しています。

以前は、開発や電子回路設計の現場でプロが使う計測器と考えられていましたが、最近では、コスパが良く、電子工作用途としては、十分な性能を持つオシロスコープが入手できるようになってきました。

そのため、電子工作を趣味とする方には、テスターに加えて、ぜひとも揃えておきたい測定器になります。

テスターの選び方については、以下の記事で解説しています。

オシロスコープの概要

電子工作で使用するオシロスコープを選定する際に知っておいて欲しい必要な知識について解説します。

オシロスコープは、同じく電子工作に必須なテスターと比較すると、機能や種類が多く、使用方法も難しいので、電子工作初心者にとって、どれを選んだら良いのか迷ってしまうことが多いと思います。

そのため、プロが使う高機能オシロスコープなど電子工作には使わないものについては割愛し、現在主流のデジタル・オシロスコープを中心に、必要最低限の知識として「オシロスコープの概要」としてまとめてみました。

デジタル・オシロスコープとアナログ・オシロスコープ

デジタル・オシロスコープとアナログ・オシロスコープの特徴をまとめると、以下のようになります。

デジタル・オシロスコープ

アナログ・オシロスコープに代わり、現在主流になっているのがデジタル・オシロスコープです。

デジタル・オシロスコープは、計測した電気信号をA/Dコンバータにより一定の間隔でサンプリングしてデジタル信号に変換するので、波形表示に加えて波形の加工やメモリによる保存が容易にできます。

そのため、アナログ・オシロスコープでは実現できなかったことができ、シングルショットの波形をトリガをかけて止めたり、FFT(高速フーリエ変換)機能を使いスペクトラム解析をすることが可能です。

ただ、A/Dコンバータによりデジタル信号に変換する仕組み上、計測する信号に対して十分な周波数帯域、サンプリングレートがないと、正確に波形を表示することができません。

それでも、総合的に考えると、デジタル・オシロスコープの方が、アナログ・オシロスコープより、メリットが大きいので、現在、市場に出回っているオシロスコープはほぼデジタル・オシロスコープと言って良いでしょう。

アナログ・オシロスコープ

アナログ・オシロスコープは、計測した電気信号を、電子銃によってブラウン管のスクリーンを左から右に周期的に掃引される輝点によって表示させます。

計測した電気信号をデジタルに変換せずアナログのまま表示させるので、理論的にはどんなに高い周波数の信号でも正確に表示させることができます。

また、アナログ・ストレージ・オシロスコープの場合、ストレージ(蓄積)の機能が拡張されているので、ある程度の保存も可能です。

ただ、アナログ・オシロスコープはデジタル・オシロスコープに比べて、デメリットが多く、現在ではほとんど製造されていないのが現状です。

形状

オシロスコープの主な形状は、以下のように分類されます。

オシロスコープの形状
  • 据え置き型(デスクタイプ)
  • 携帯型(ハンディタイプ)
  • PC接続型

据え置き型(デスクタイプ)

据え置き型(デスクタイプ)のオシロスコープは、コンセントから電源を取り、机上で使う高機能なタイプです。開発や電子回路設計などのプロの現場でもよく使われます。

画面が大きく、十分な数のツマミやスイッチが配置されているので、操作性が良く、電子工作用途でも据え置き型(デスクタイプ)がおすすめです。

最近では、ホビー向けとして、比較的安価な製品が出回っているので、オシロスコープの最初の1台としても、ぜひおすすめしたいです。

当記事でも、据え置き型のオシロスコープを中心に紹介していきます。

携帯型(ハンディタイプ)

携帯型(ハンディタイプ)は、機能を絞って小型しているので、安価で持ち運びには良いのですが、据え置き型(デスクタイプ)のオシロスコープに劣ってしまいます。

据え置き型のオシロスコープも持ち運び用のハンドルが付いており、そこまで頻繁に持ち運ぶことが少ない電子工作用途では、わざわざ携帯型を選ぶ必要はないと思います。

PC接続型

PC接続型は、本体をデータ取り込みとA/D変換を行う機能のみで構成されています。

USBやLANなどでPCに接続して、PC上でソフトウェアを立ち上げることで、PCモニタをオシロスコープの画面として使用します。

PC接続型のオシロスコープ自体は機能の一部をPCで代替えしているので比較的安価で、測定データの保存や解析をすぐにPCで作業することができますが、PCを立ち上げてから操作するまでの時間がかかり、操作性も据え置き型のオシロスコープに比較して劣ります。

周波数帯域

必要な周波数帯域の求め方

正弦波(Sin波)

  • オシロの周波数帯域=入力波形の周波数×3

方形波(矩形波またはパルス波)

  • オシロの立ち上がり時間=入力波形の立ち上がり時間/4
  • オシロの周波数帯域=0.35/オシロの立ち上がり時間

デジタル・オシロスコープでは、ローパスフィルタのような周波数特性を持ち、高い周波数ほど入力信号が減衰します。

オシロスコープの周波数帯域と同じ周波数の正弦波(Sin波)を入力すると、-3dB減衰した波形(70.7%)が表示されることになります。

例えば、オシロスコープの周波数帯域:100MHz、入力した正弦波:100MHz, 100Vだとすると、実際にオシロスコープに表示される波形の振り幅は70.7Vになってしまうのです。

このままでは、まともな計測はできませんので、十分に波形が表示できる誤差3%以内にするには、入力する正弦波の周波数の3倍の周波数帯域を持つオシロスコープを選ぶ必要があります。

先程の例だと、300MHzのオシロスコープであれば、誤差3%以内で波形を表示することができます。

また、方形波(矩形波またはパルス波)の場合、複数の周波数の異なる正弦波の合成波で構成されており、高い周波数だと少なくとも、方形波の周波数(基本周波数)の10倍の周波数の正弦波が含まれています。
(※方形波が複数の正弦波で構成されていることが理解できない場合、フーリエ級数について勉強してみて下さい。)

そのため、方形波を十分に表示させるには、正弦波の条件よりも高い周波数帯域のオシロスコープが必要になってきます。

方形波の計測に必要な周波数帯域を求めるには、高い周波数成分が含まれる立ち上がり時間から計算します。

「4倍の法則」があり、誤差3%以内にするには、以下の関係式から入力信号の立ち上がり時間に対して、4倍高速のオシロスコープを使えば良いことになります。
$$オシロの立ち上がり時間=\frac{入力波形の立ち上がり時間}{4}$$
オシロスコープに立ち上がり時間の仕様が示されていない場合、以下の関係式からオシロスコープに必要な周波数帯域を求めます。
$$オシロの周波数帯域=\frac{0.35}{オシロの立ち上がり時間}$$
例えば、4nsecの方形波を誤差3%以内で計測するには、以下のようにオシロスコープで必要な立ち上がり時間、周波数帯域を求めることができます。
$$オシロの立ち上がり時間=\frac{入力波形の立ち上がり時間}{4}=\frac{4[nsec]}{4}=1[nsec]$$
$$オシロの周波数帯域=\frac{0.35}{オシロの立ち上がり時間}=\frac{0.35}{1[nsec]}=350[MHz]$$
なお、電子工作用途であれば、今まで例に上げたような高い周波数帯域は必要なく、50MHzの周波数帯域があれば十分です。

サンプリングレート

必要なサンプリングレートの求め方
  • オシロのサンプリングレート=オシロの周波数帯域×4

デジタル・オシロスコープのサンプリングレート(サンプルレート)は、ある一定間隔で電圧をサンプリングする回数のことです。単位は、「S/s(サンプル/秒)」で表します。

例を上げると、1GS/sであれば、1秒間に1000000000回(1G回)のサンプリングを行うことになります。

このサンプリングレートが低すぎると、サンプル回数が少なるということなので、正確に波形を表示することができなくなってしまいます。

目安として、オシロスコープの周波数帯域の4倍のサンプリングレートが必要です。

例えば、オシロスコープの周波数帯域が50MHzの場合、オシロスコープに必要なサンプリングレートは以下のように求めることができます。

$$オシロのサンプリングレート=オシロの周波数帯域×4=50[MHz]×4=200[MS/s]=0.2[GS/s]$$
また、オシロスコープの機種によっては、同時に動作させるチャンネル数が多いと、サンプリングレートが低下する場合もあります。

このような機種は、複数のA/Dコンバータを組み合わせて一つの高速なA/Dコンバータとして動作させることができるので、少ないチャンネル数の動作時ほどサンプリングレートを高くすることができます。

そのため、オシロスコープを選定する際は仕様をよく確かめるように注意して下さい。

メモリ長(レコード長)

必要なメモリ長(レコード長)の求め方
  • オシロのメモリ長=オシロのサンプリングレート×オシロの表示時間

デジタル・オシロスコープのメモリ長(レコード長)は、取り込んだ信号をデジタル変換して保存できるサンプル数(データ量)です。

オシロスコープのサンプリングレートとディスプレイ上の表示時間から、オシロスコープで必要な必要なメモリ長(レコード長)の求めることができます。

例えば、オシロスコープのサンプリングレートが1GS/s、オシロスコープのディスプレイ上の表示時間が0.02msだとすると、オシロスコープのメモリ長は以下のようになります。
$$オシロのメモリ長=オシロのサンプリングレート×オシロの表示時間$$
$$オシロのメモリ長=1[GS/s]×0.02[ms]=0.02[M points]=20[k points]$$
ここで注意して頂きたいのが、オシロスコープのメモリ長は有限なので、オシロスコープの時間軸設定が遅くさせて、ディスプレイ上の表示時間を長くしていくと、オシロスコープのサンプリングレートが固定のままだと入力波形の一部しか表示できません。

そのため、ほとんどのデジタル・オシロスコープでは、ディスプレイ上の表示時間を長くすると、追随してサンプリングレートも遅くなる設定になっています。

チャンネル数

チャンネル数は、アナログ信号を測定する入力数のことです。

据え置き型のオシロスコープだと、2チャンネルまたは4チャンネルとなっており、高機能な機種では、デジタル信号用のチャンネルを搭載している場合もあります。

また、携帯型のオシロスコープは、据え置き型より小型化しているため、通常、1チャンネルになります。

電子工作用途であれば、波形の比較ができ比較的安価な2チャンネルの据え置き型のオシロスコープがおすすめです。

主要メーカー

オシロスコープの主要メーカーは、以下のようになります。

オシロスコープ主要メーカー

欧米メーカー

  • Tektronix(テクトロニクス)
  • Keysight(キーサイト)/旧Agilent
  • Teledyne LeCroy(テレダイン・レクロイ)
  • Rohde & Schwarz(ローデ・シュワルツ)

日本メーカー

  • IWATSU(岩崎通信機)
  • YOKOGAWA(横河計測)
  • A&D(エー・アンド・デイ)

中国メーカー

  • RIGOL
  • OWOH
  • HANTECK
  • SIGLENT

など

オシロスコープのメーカーとして有名なのは、TektronixとKeysightだと思います。実際に当サイト管理人が勤務した会社でも、どちらかのオシロスコープが採用されていました。

特に、周波数帯域50MHzの格安オシロスコープが販売されているので、電子工作用途としても、Tektronixがおすすめです。
(Keysightも、周波数帯域50MHzのオシロスコープを扱っていますが、Tektronixに比較して価格が倍ぐらいになります。)

Tektronixのオシロスコープの扱いに慣れていれば、多くの企業で採用されているので、後々メーカーで電子回路設計をする際に、役立つはずです。

日本メーカーであれば、IWATSU(岩崎通信機)が格安オシロスコープを扱っており、国内メーカーだけあってサポートが迅速なようです。

また、最近では中国メーカーが低価格・高性能のコスパの良いオシロスコープを投入するようになってきました。

複数の中国メーカーの中で、RIGOLの人気が高く、サポートの面など不安な部分もありますが、周波数帯域200MHzのオシロスコープが、Tektronixの周波数帯域50MHzのオシロスコープ同価格帯で購入できるのは魅力的です。

オシロスコープおすすめランキング

ランキング No1 No2 No3
型番 TBS1052C DS-5105B DS1202Z-E
メーカー Tektronix IWATSU(岩崎通信機) RIGOL
周波数帯域 50MHz 50MHz 200MHz
サンプリング
レート
1GS/s 1GS/s(1ch/ノーマルモード)
500MS/s(2ch/ノーマルモード)
500MS/s(1ch/ロングモード)
250MS/s(2ch/ロングモード)
1GS/s(1ch)
500MS/s(2ch)
メモリ長
(レコード長)
20k 16k(1ch/ノーマルメモリ)
8k(2ch/ノーマルメモリ)
1024k(1ch/ロングメモリ)
512k(2ch/ロングメモリ)
24M
チャンネル数 2ch 2ch 2ch
形状 据え置き型
(デスクタイプ)
据え置き型
(デスクタイプ)
据え置き型
(デスクタイプ)
電源 AC100~240V AC100~120V AC100~240V
寸法 H154.95 X W325.12 X D106.68mm H146 X W303 X D112mm H160.8 X W313.1 X D122.4mm
質量 1.979kg 約2.2kg 約2.9kg
保証期間 5年間 3年間 3年間

No1『Tektronix デジタル・オシロスコープ TBS1052C』

TBS1052Cの特徴
  • 超大手オシロスコープメーカーのTektronix
  • 周波数帯域50MHz、サンプリングレート1GS/s、メモリ長20kのスペック
  • 34種類の自動測定、FFT機能、PC接続などの各種機能
  • 5年間の長期保証

「Tektronix デジタル・オシロスコープ TBS1052C」は、TBS1052Bの後続機であり、電子工作用途はもちろん、これからエンジニアを目指す教育用としてもおすすめです。

基本スペックは、周波数帯域50MHz、サンプリングレート1GS/s、メモリ長20kなどと十分な性能であり、後続機のTBS1052Bと比べ、取り込みシステムが新しくなったことで、低いノイズレベルや低入力インピーダンス、入力レンジ拡大などを実現できています。

さらに、34種類の自動測定、FFT機能、PC接続などの各種機能を備えており、専用のPC通信ソフトを使うことで、PC上でデータ保存や解析することが可能です。

加えて、他社の格安オシロスコープに比較して長い5年間の保証が付いているので、安心して使うことができます。

No2『IWATSU(岩崎通信機) デジタル・オシロスコープ DS-5105B』

DS-5105Bの特徴
  • 国内オシロスコープメーカーのIWATSU(岩崎通信機)
  • 周波数帯域50MHz、サンプリングレート1GS/s(最高値)、メモリ長512k(最高値)のスペック
  • 20種類の自動測定、FFT機能、PC接続などの各種機能
  • 3年間の長期保証

「IWATSU(岩崎通信機) デジタル・オシロスコープ DS-5105B」は、国内の計測器メーカーを代表する岩崎通信機が製造しています。

基本スペックは、周波数帯域50MHz、サンプリングレート1GS/s(最高値)、メモリ長512k(最高値)などと電子工作用途としては十分であり、国内メーカーだけあって手厚いサポートも期待できます。

その他、20種類の自動測定、FFT機能、PC接続などの各種機能を備えています。

ただ、「Tektronix デジタル・オシロスコープ TBS1052C」と比較すると、ディスプレイが小さく、使用するチャンネル数やモードによって、サンプリングレートやメモリ長が変化するので注意が必要です。

また、専用のPC通信ソフトがWindows10だと、32bit版しか対応していないので、こちらも購入する際は気をつけて下さい。

No3『RIGOL デジタル・オシロスコープ DS1202Z-E』

DS1202Z-Eの特徴
  • 中国オシロスコープメーカーのRIGOL
  • 周波数帯域200MHz、サンプリングレート1GS/s、メモリ長24Mの高スペックかつ低価格
  • 37種類の自動測定、FFT機能、PC接続などの各種機能
  • 3年間の長期保証

「RIGOL デジタル・オシロスコープ DS1202Z-E」は、コスパの良いオシロスコープを扱っている中国メーカーのRIGOLが製造しています。

基本スペックは、周波数帯域200MHz、サンプリングレート1GS/s(最高値)、メモリ長24Mなどと電子工作用途としては十分過ぎるほどの高スペックです。

その他、37種類の自動測定、FFT機能、PC接続などの各種機能を備えており、販売価格も5万円以下となっています。

これだけ見ると完全にお買い得ですが、どうやらツマミの応答性や操作性の悪さ、日本語のおかしな訳などマイナスな部分もあるようです。

ただ、これだけの低価格で高スペックのオシロスコープを購入することができるので、趣味用としては十分検討の余地はあると思います。

【番外編】オシロスコープ用途・目的別おすすめ

こちらでは、番外編として用途・目的別で、おすすめのオシロスコープを紹介していきます。

携帯型オシロなら『Quimat 2.4″TFT デジタル・オシロスコープ Q15001』

携帯型オシロなら「Quimat 2.4″TFT デジタル・オシロスコープ Q15001」があります。

とてつもなく低価格なオシロスコープで、数千円台の価格で購入できてしまいます。その安さからなのか2020年11月時点で、オシロスコープにおいてAmazon 売れ筋ランキング 1位になっています。

オーディオやノイズなど低周波の簡易的な波形チェックであれば、十分に使用できるでしょう。

ただ、周波数帯域が200kHz、チャンネル数1chなどとスペック的にどうしても見劣りしてしまいます。

また、電源は9Vとなっていますが、付属のACアダプタから給電するタイプになっているので、電池で動作させたい場合は、以下のように006P 9V電池とDCプラグ付き電池ホルダを購入して組み合わせる必要があります。

PC接続型オシロなら『Kuman オシロスコープ 205A-N』

PC接続型オシロなら「Kuman オシロスコープ 205A-N」があります。

PC接続が前提のため、ディスプレイやツマミ類などが省かれており、1万円以内で安く購入することができます。

スペックも周波数帯域が20MHz、サンプリングレートが48MS/sなどと電子工作用途としては十分です。

さらに、FFTやデータレコーダ機能もついており、PC上で操作するので測定データの保存や解析をすぐに行うことが可能です。

やはり、操作性は据え置き型のオシロスコープに比べて劣ってしまいますが、あくまで趣味なので作業性を気にせず、オシロスコープの購入価格を抑えたい方にはおすすめです。

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