オシロスコープとロジックアナライザ入門

電子工作をやっていると、欲しくなるアイテムであるオシロスコープとロジックアナライザについて調べてみた。

スペックについて

基本的には何本の信号線を測定できるのチェンネル数と、どの周波数までを測定できるかで決まる。(あとは内部のメモリ量もたぶん重要)

チェンネル数

オシロスコープは通常2で、4もある。それ以上は非常に高いのでホビーユースでは使わない。

ロジックアナライザは通常8で、16もある。車用のだと32チェンネルとかもある。

周波数

卓上型のオシロスコープだと20MHzから100MHzぐらいが基本みたいです。小型のハンディータイプですと200KHzから2MHzぐらいが一般的です。

ロジックアナライザでは安いものが24MHzで、100MHzぐらいまでがホビーユースです。

一般的な選び方

いろいろなサイトをみたのですが、測定したいものに対して2倍から10倍の周波数を持つ、適切な機種を選んでねって書いてあって、まったく初心者にはわかりません。

そこで、電子工作で利用する通信プロトコルなどを選んで、実際にどれぐらいの周波数が必要なのかをわかりやすくしてみました。

用途別周波数、チャンネル数一覧

プロトコル周波数チャンネル
PS/215KHz2
UART(MIDI)31.25Kbps2
UART(RS-232C)1.2Kbps~115.2Kbps2
PWM1.2Kbps~312.5Kbps1
I2C100KHz~400KHz2
CAN10Kbps~1Mbps2
PCM64kbps~2.048Mbps4
LPT10MHz17
USB 1.112Mbps2
AC9712.288MHz5
SPI1MHz~24MHz4
Compact Flash 4.133MHz26
SD2.0/SDIO52MHz6
USB 2.01.5Mbps~480Mbps2

ざっくりと電子工作で利用しそうなものを列挙してみました。SPIとか機材が対応していれば周波数上限がないものはESP32とかで安定動作するであろう周波数を入れています。

チェンネル数的にプリンタのLPTとかが多いですが、いまどきパラレルケーブルで接続なんてしないですよね?

実際のところ、I2CとUARTを測定するのであれば、できれば1MHz以上の機種。標準速の4MHzのSPIを測定するんであれば10MHz以上の機種になると思います。高速のSPIを測定するのには100MHz、USB2.0を測定するのには1GHz以上の機種になります。

機種別おすすめ

Arduino 簡易オシロスコープ

九州工業大学情報工学部にて公開している、簡易オシロスコープです。

Arduinoに抵抗とコンデンサを接続して使う簡易オシロスコープです。2チェンネルで50KHzぐらいまで計測が可能です。

実際のところ、実用というよりは実験的なものになりますが非常に安価で試すことが可能です。

小型オシロスコープ DSO138 2CH 1Mbps

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組み立て式のオシロスコープです。組み立て済みのものと、自分で組み立てるDIYキットがあります。ケースの付属などで値段が違っていますが、中身の設計は基本的には同じです。

DSO138以外にも似たようなオシロスコープがありますので、予算に応じて選ぶことができます。

1MHzで2chですのでI2CとUARTの信号をみることはできるとは思いますが、実際のところロジックアナライザで確認したほうが楽なので、ちょっと便利なテスターみたいな使い方になると思います。

据え置き型オシロスコープ 2ch, 4ch 100MHz

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どうせ買うのであれば100Mhz対応のオシロスコープがいいと思います。ただ使いこなせるかといわれると、かなり難しいです。

I2CとUARTの信号は2chで問題ありませんが、SPIの信号を見るためには4ch必要です。

USB接続小型ロジックアナライザ 8CH 24MHz

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ロジックアナライザ機能は、コアボードを介して対応するファームウェアで実装できます。

パソコンに接続して使うロジックアナライザです。スペック上は変わらないのですが、左型の小型のは非常に当たり外れがあるみたいで、開発ボードのEZ-USBの方がおすすめです。

この商品にはソフトが付いてきませんので、無料で使えるsigrokを入れて使います。ちょっとドライバーとかのセットアップが複雑なので、その点はちょっとマイナスです。

SPIの計測は低速に設定すれば問題ないと思いますが、速度を上げると安定しない可能性があります。

USB接続ロジックアナライザ 16CH 100MHz

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LA1010は、コストパフォーマンスの高いロジックアナライザ製品です。 それは16の入力チャンネルを持ち、サンプルレートは最高100MHzです。 PCソフトウェアKingstVISとともに、16チャンネルのデジタル信号を同時にサンプリングし、デジタル波形に変換してPC画面に表示することができます。
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PC接続 16ch 100MHz コンパクトUSBロジックアナライザ(16ch使用時の最大サンプリング・レートは16MHz)

この機種以外にもありますが100MHz機種の紹介です。ただしこの機種は3チャンネルまで100MHzで計測できますが、6チャンネルで50MHz、9チャンネルで32MHz、16チャンネルで16MHzと周波数が変わります。

SPIは4チャンネル必要なので、50MHzでの測定になります。24MHzのSPIを測定できるぎりぎりですが、もう少し速度を落としたほうがいいのかもしれません。

Mixed-Signal Oscilloscope(MSO)

MSOとはアナログのオシロスコープに、デジタルのロジックアナライザを搭載した機種です。2chのオシロスコープと16chのロジックアナライザみたいな構成が多いです。

まとめ

本当は国産とか、海外の定番品が一番安全ですが、ちょっと高いんですよね。趣味で使うんだったら安めのロジックアナライザぐらいで十分な気がします。

オーディオとか、アナログ回路をやるんだったら、オシロスコープが必須ですよね。あとノイズとかの調査とか?

https://www.denshi.club/pc/measure/adalm10001.html
オーディオ帯域の波形を見る手軽なツール ADALM1000 (1) | 電子工作の環境向上

上記だとオーディオの場合1MHzぐらいまでなので、5MHz以上の帯域があればよいので一般的に販売されている20MHzの機種がおすすめ。ただ、発振などを調べるのには50MHz以上が必要と書いてあります。20MHzまでであればUSB接続で1万円以下の機種もありますが、そもそも必要なかったか、もっと上位機種に買い替えそうな予感がします。

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