[現役技術者が教える]オシロスコープの基礎と電子工作用途の選定基準
お久しぶりです。
最近、電子工作用にオシロスコープを買いました。OWONのSDS1104という機種です。OWONのホビー向けオシロスコープのラインナップの中では少しいいやつです。
せっかくなので、このオシロのレビューでもしようかなと思いましたが、そういったものはすでに皆さんがされていて、特に目新しくありません。
なので、本記事ではオシロスコープが欲しいが、どれを買えばいいか迷っている人に向けて、筆者の経験をもとにした解説記事にしようと思います。具体的に機種に対してこれが良い！とかではなく、用途から逆算してスペックを決めるための判断材料を提供することを目指します。
OWON以外のオシロスコープにも当てはまる、汎用的な内容になっていますので、ぜひ参考にしてください。
この記事を読み終えると、次のようなことができるようになります。
オシロスコープの周波数帯域や立ち上がり時間の意味を理解し、自分の用途に必要なスペックを言葉で説明できる。
UART・I2C・SPI・PWM・オーディオ信号など、電子工作でよく使う信号に対して「どの程度の帯域があれば十分か」を自分で見積もれる。
「帯域は高ければ高いほど良い」のではなく、「自分の用途に対してどこまで必要か」を判断し、コスパの良いクラスのオシロを選べる。
FFT やフーリエ級数のイメージを通して、「なぜ矩形波や歪んだ波形を見るには高い周波数帯域が必要なのか」を感覚的に理解できる。
エントリーモデルとハイスペック機の使い分けをイメージしながら、「最初の一台」としてどのクラスを買うかを決められる。
1. はじめに：なぜスペック選びで迷うのか
市場には数千円のホビー向けから数百万円のハイエンド機まで、多種多様なオシロスコープが溢れています。
アマチュアからプロフェッショナル、ホビーから専門的な研究開発まで。使う人や目的によって必要なスペックや機能がバラバラで、そんな様々なユーザーの要望に合わせた結果このような状況になっているわけですね。
逆にいうと、要望がはっきりしない場合はどれを買ったら良いか明確な基準がないわけで、電子工作のためにとりあえず買っておこうと考えている人や、オシロスコープのスペック表を見ても何が何だかわからない人には厳しい世界です。
本記事では、特定の機種を推奨するのではなく 、オシロスコープの基本的な機能の説明から、具体的な用途に対して必要なスペックを提示し、購入を検討する際の判断材料を提供することを目指します。
2. オシロスコープの基本と「5倍法則」
オシロスコープは、電圧の値に時間軸を追加して、波形として観察できるようにした計測器です。テスターなどと違って、電圧の変化を時間軸で捉えることにより、より詳細な検証ができます。この時間に関するスペックが大事な要素になります。
最も重要なスペックの一つに周波数帯域があります。周波数帯域とは、入力された正弦波信号が本来の振幅の70.7%（-3dBポイント）まで減衰する周波数を指し、オシロスコープが正確に測定できる周波数の範囲を決定します。
ここで覚えて貰いたいのが、いわゆる「5倍法則」です 。（10倍法則という人もいます。あくまでも参考程度で。）
正確な測定を行うために必要とされるオシロスコープの周波数帯域は、「測定信号に含まれる最も高い周波数成分の5倍以上」である必要があると言われています。そうすることで通常のアプリケーションでは誤差なく測定できるということですね。
例えば、帯域幅20MHzのオシロスコープでは、4MHzの波形までしか正確に見ることができないという考え方です。100MHzの帯域幅があって、ようやく20MHzの波形が見れる、と思った方が良いということですね。特に矩形波には高調波が含まれるため、矩形波の立ち上がりを再現するには、更に高い周波数帯域幅が必要となります。
なぜこうなるのか、簡単な例として1kHzの矩形波を作成するステップを次章で説明します。LTspiceを使った例になっていますので、ぜひ自分自身で実際にシミュレーションを組んで、自分の目で確認してみてください。そのほうが面白いし、理論が身に付きやすいと思います。
「矩形波」は正弦波の積み重ね
デジタル信号などでよく見る「矩形波（四角い波）」を綺麗に表示するには、その基本周波数よりもずっと高い周波数帯域が必要になります。
なぜなら、一見単純に見える矩形波も、実は多数の正弦波が積み重なってできているからです。
これの説明には「フーリエ級数展開」というものを使います。本当は複雑な導出の過程がありますが、導出の詳細は省略して、イメージだけを説明します。（今後気が向いたら、がっつり解説記事を作成するかも）
まず、基本となる周波数の正弦波があります（基本波）。
そこに、周波数が3倍、5倍、7倍...の正弦波（高調波）をどんどん足し算していきます。
高調波を足せば足すほど、波の「角」が鋭くなり、理想的な四角い形に近づいていきます。
振幅$${±1V}$$の矩形波は、フーリエ級数で概ね次の形になります。基本波に対し、奇数倍の高調波が含まれていることがわかります。
$$
\begin{aligned}
f(x) &= \frac{4}{\pi} \left( \sin x + \frac{1}{3}\sin 3x + \frac{1}{5}\sin 5x + \cdots \right)
\end{aligned}
$$
LTspiceを使って、波形を合成してみましょう。
以下のように、基本波(fundamental)と高調波(harmonic)を電圧源で作成します。（左側）
基本波は振幅1Vで周波数1kHzです。これを振幅を1/3、周波数を3倍にしたもの（3次高調波）、さらに1/5と5倍・・・と順番に9次高調波調波までを作成します。
この電圧源をビヘイビア電源で合成してその波形を観察します。（右側）
フーリエ級数展開の式の通り、$${4/\pi}$$をかけています。
まずは、基本波と3次高調波、その合成波形を見てみましょう。
基本波（緑）と3次高調波（赤）の各波形が上側、下側が合成波形（青）です。緑と赤の波形を合成したら青になるのがなんとなくわかると思います。この調子で、5次、7次、9次と、どんどん足していきます。
9次高調波の合成ともなると、パッと見ではどのように合成されているかがわかりにくくなってしまいますが、順を追ってみていくことでなんとなく矩形波に近づいていく雰囲気がわかるかと思います。
この図のように、綺麗な矩形波（四角い波）を見るためには、その土台となる基本波だけでなく、高調波成分までオシロスコープが捉えられる必要があります。
もし帯域が足りないと、高次の成分が削ぎ落とされてしまい、四角い波が丸まって表示されてしまいます。
より厳密に見るなら：立ち上がり時間
もう1つ、デジタル信号の「見え方」を左右する重要な目安があります。周波数ではなく、波形の立ち上がり時間に着目する方法です。
オシロスコープの立ち上がり時間 $${t_r}$$ と周波数帯域$${BW}$$の関係は、ざっくり次で見積もれます。
$$
BW\approx\frac{0.35}{t_r}
$$
ここで、$${BW}$$ は周波数帯域 (Bandwidth)、$${t_r}$$は立ち上がり時間 (Rise Time) を表します。たとえば $${t_r = 1ns}$$ という非常に高速な立ち上がりを見たいなら、$${BW=350MHz}$$ が目安になります。
これもLTspiceで実際の動作を確認してみましょう。先ほどのフーリエ級数展開とは逆に、高速フーリエ変換(FFT)を使って実際の波形から周波数成分の解析をしてみましょう。もちろん、FFTについての詳しい解説はすっ飛ばします。
まずは、パルス波形を準備します。立ち上がりと立下り時間を1nsに設定して、下記のようにシミュレーションを組みます。立ち上がりの部分だけ表示したいので、シミュレーション時間は20nsにしています。
この波形をFFTで表示すると下記のようになります。
このグラフの見方をざっくり解説していきますね。
0.35GHzは350MHzです。150MHz、250MHz、350MHzにピークが立っていますね。立ち上がり1nsのステップ応答波形にはこれらの周波数成分が含まれているということになります。
ここがポイントで、通信速度（周波数）が遅くても、エッジが鋭い（立ち上がりが速い）波形を正確に見るには、広い帯域が必要になります。
つまり、立ち上がりと立ち下がりの時間が0になるような、理想的な矩形波をオシロスコープで観測するには実質無限大の周波数帯域が必要なわけですね。
もちろん、そんな物は存在しないので、目的の周波数に合わせた実用的な範囲で出来るだけ高い周波数帯域を持ったものが選択肢になります。それが、一般的には測定対象周波数の5倍まで、人によっては10倍、用途によってはそれ以上、となるわけです。
3. 実用的な用途から見る、オシロスコープのスペック選び
ここからは、電子工作でよく使われる信号の種類とその周波数や特性を紹介します。どの程度のスペックがあればどこまで観察できるのか、掘り下げていきましょう。
デジタル信号の場合
シリアル通信などでデバイス間の情報やり取りやコマンド送出を確認する用途ではデジタル信号、つまり先ほど説明した矩形波が使われます。オシロスコープでこの矩形波を観測して、通信回路のトラブルシューティング、信号が出ているか、レスポンス速度の測定などを行うことになります。
UART
2本の信号で送受信するシリアル通信。一般的にシリアル通信といえばこれを指します。
マイコン同士の通信やPCとの通信などでよく使われます。
ArduinoIDEでよく使うシリアルモニタでの送受信はこれを使っています。USBシリアル変換モジュールを使ってPCと接続しています。RS232CやRS485などもUARTの一種です。
ボーレートは9,600bps〜115,200bpsが一般的に使われます。
矩形波に直すと、周波数は4.8~57.6kHzとなります。
I2C
2本の信号線を使う比較的低速な通信。マルチデバイスにも対応していて、UARTと並んでよく使われています。
Arduinoで対応しているQwiicコネクタなどで使っています。
温度センサや加速度センサ、RTCなど、様々なセンサ類がI2Cで通信していることが多いです。クロック周波数は1MHzあたりがよく使われています。矩形波の基本周波数で考えると、周波数はおよそ500kHzほどです。
SPI
SDカードの通信とかに使ってたりします。だいたい回路やボードに組み込まれていて、個人のDIYでは、I2CやUARTほど頻繁にオシロで観測しないかもしれません。
4本の信号線を使う高速通信。1MHz〜20MHzまでが一般的に使われます。
矩形波に直すと、周波数は0.5MHz〜10MHz。
信号線が4本必要なので、オシロスコープのチャンネル数が4ch以上あると便利です。
ちょっとしたDIY程度では10MHz以上の周波数帯域を使うことはあまりありませんが、プロフェッショナル用途で高速な通信が必要な場合には、100MHz以上でも使われます。周波数が高いとそれだけ、配線のインピーダンスマッチングやノイズ対策が重要になるので検証が難しくなります。
PWM
PWM（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）は、デジタル信号のオン時間とオフ時間の比率を変化させることで、信号を伝達する技術です。信号の周波数は一定に保ちながら、パルスの幅（デューティ比）を変化させることで、平均的な電圧や電力を制御します。
モーター速度制御、LED調光、スイッチング電源など、幅広い用途で使用されています。
特に周波数は決まっておらず、用途によって様々です。ホビー用途でよく使うLED調光やモータ速度制御では、20kHzまでに留めることが多いです。
スイッチング電源用途では数MHzの信号を扱いますが、スイッチング電源の回路は難易度が高いので、上級者向けです。ほとんどの人は、出来上がったものを使うことになると思うので、あまり関係ないかもしれません。
これらの信号を正確に観測するためには、5倍法則に従うと以下のようになります。
UART: 57.6kHz × 5 = 約290kHz
I2C: 500kHz × 5 = 約2.5MHz
SPI: 0.5〜10MHz × 5 = 約2.5〜50MHz
PWM: 20kHz x 5 = 約100kHz
こうやってみると、たいていの用途では10MHzの周波数帯域で十分といえますね。
SPIでの高速通信やスイッチング電源の設計に挑戦する人には、100MHz程の帯域幅があった方が安心でしょうか。
注意点として、デジタル信号の「どこまで正確に見たいか」は、通信速度だけでなく立ち上がり時間にも依存します。前述の通り、鋭い立ち上がりを正確に観測するには、より広い帯域が必要になります。
アナログ信号
アンプなどのオーディオ回路の確認や、センサの信号観察など、アナログ信号を扱う場合について解説します。
オーディオ信号の場合、人間の可聴域は20Hz〜20kHzと言われています。したがって、通常のオーディオ信号を観察するためには、20kHzの5倍である100kHz程度の周波数帯域があれば十分です。
多くのエントリーモデルのオシロスコープは数10MHzの帯域を持っているため、オーディオ信号の観察には問題ありません。
超音波センサや圧電素子など、より高い周波数を扱う場合でも、数MHz程度です。
しかし、波形の正確な形状、いわゆる歪みまで観察しようとすると話が変わってきます。
可聴域と「ひずみ」の関係
正弦波よりも、ピークがなまっていたり、波形の形が変わっている 状態のことを波形が歪んでいると表現します。
波形を観測する際に、より踏み込んで「音の歪み（ひずみ）」を確認したい場合は、それに見合ったオシロスコープが必要になります。
アンプのボリュームを上げすぎて音が割れたり、エフェクターで意図的に音を歪ませたりする場合、波形は正弦波から変形します。これを周波数成分で見ると、基本の音（基本波）よりも高い周波数成分が混ざってきている状態と言えます。
以下に、簡単な例を示します。LTspiceで正弦波にtanh(ハイパボリックタンジェント)関数をかけて歪みを加えた波形を作成し、スペクトラム解析を行いました。
tanh関数は、入力が大きくなると出力が飽和する特性を持つため、歪みを加えた波形を再現するのに適しています。
また、スペクトラム解析はFFT（高速フーリエ変換）を用いて行い、波形に含まれる周波数成分を可視化しています。
こうやってみると、波形を歪ませることは矩形波に近づけるような高調波成分を増やす操作とほぼ同じだということがわかりますね。これをFFTにかけて、スペクトラム解析をすると下記のようになります。
青がtanhで歪ませた波形です。スペクトラム解析の結果を見ると、基本波（1kHz）に加えて、3kHz、5kHz、7kHzなどの高調波成分が含まれていることがわかります。これらの高調波成分が、音の歪みを引き起こす要因となります。
このように、オーディオ信号の歪みを正確に観察するためには、基本波の周波数成分だけでなく、高調波成分も捉えられるオシロスコープが必要です。
エフェクターやシンセサイザーの設計をしたいと考えている方は、このあたりのスペックも考慮に入れると良いでしょう。
4. 「普段着」としてのオシロスコープ
特定の用途がない方や、とりあえずオシロスコープがどんなものかを知りたい、という人に対しては、まず手頃な価格のエントリーモデル（例：OWONの20MHz/2chモデルなど）を推奨します。
「最初から高性能なものを買った方が、買い替えのムダがなくて安上がりでは？」と思うかもしれません。しかし、私の経験上、そうはなりません。なぜなら、高価なハイスペック機は「壊したらどうしよう」という不安がつきまとい、実験的な回路に気軽に使うことができなくなるからです。普段から机の上に置いたりせず、大切にしまっておく事が多いんじゃないでしょうか。工作机の上は何かと散らかっていたり、工具やはんだごてなどもあるので、高い計測器は常設するのには躊躇すると思います。そのため、高価な機種は、ここぞという時にしか着ない「高級な服」のようになりがちです。
対して、安価なモデルは、多少の汚れや傷を気にせず着倒せる「普段着」のような存在です。机の上に置きっぱなしにして、ふと思ったときにすぐに測定できるようにしておけます。ちょっとくらい汚れたり傷ついたりしても、あまり気にならないんじゃないでしょうか。
「壊れても予備がある」という安心感があれば、積極的にオシロスコープを使うようになります。その結果ミスに早く気付いて時短になったり、測定技術が早く向上すると思います。
5. まとめ
オシロスコープの選択で失敗しないための第一歩は、自分の立ち位置（用途）を明確にすることです。
用途別おすすめスペック早見「リスト」
【オーディオ・低速センサ観測】
想定信号：オーディオ信号、温度・圧力センサなど
目安帯域幅：5〜20 MHz クラス
チャンネル数：2 ch 以上
コメント：可聴域 20 kHz の 5 倍で 100 kHz 程度あれば十分だが、市販エントリ機は数十 MHz あるので余裕。
【低速シリアル通信のデバッグ】
想定信号：UART（〜115,200 bps）、I2C（〜1 MHz）
目安帯域幅：10〜20 MHz クラス
チャンネル数：2 ch 以上
コメント：UART/I2C の 5 倍帯域でも数 MHz 程度なので、10 MHz クラスで多くの用途をカバー可能。
【SPI など中速〜高速デジタル信号】
想定信号：SPI（〜10 MHz 程度）、簡単なバス解析
目安帯域幅：50〜100 MHz クラス
チャンネル数：4 ch 以上
コメント：クロックと複数データ線を同時観測したいので 4 ch あると便利。5倍法則を考えると 50 MHz 以上欲しい。
【立ち上がり時間も含めた波形解析】
想定信号：数 ns オーダのエッジ、リンギング観測
目安帯域幅：100 MHz 以上（例：350 MHz など）
チャンネル数：4 ch 以上
コメント：BW≈0.35/trBW≈0.35/tr より、1 ns の立ち上がりを見るなら 350 MHz が目安。
【スイッチング電源・RF に挑戦したい場合】
想定信号：数 MHz〜の PWM、スイッチング波形
目安帯域幅：100 MHz 以上
チャンネル数：2〜4 ch
コメント：波形の正確な再現やノイズ解析を重視するなら、このクラス以上の専用機を検討。
最後まで読んでいただきありがとうございました！
オシロスコープの性能は、周波数帯域、立ち上がり時間、チャンネル数以外にも、サンプリングレートやトリガー機能、メモリ長など様々な要素で評価されます。
本記事では、その中でも購入時に迷いがちな「帯域」に絞って解説してきました。この記事を参考にして自分の作りたいもの、見たい信号に合わせて、最適な一台を見つけてください。
このブログでは、現役エンジニアの目線から『技術的に気づいたこと』や『実際に触ってみて楽しかったこと』を混ぜながら発信していきます。
初心者の方にはヒントになれば嬉しいですし、経験者の方からのツッコミやアドバイスも大歓迎です。
次回も『技術的なおもしろさ』と『純粋にワクワクする電子工作』の両方をお届けできればと思っていますので、ぜひまた覗いてみてくださいね。
