電子計測―基礎から計測システムまで (理工学講座)

電 子 計 測 基 礎 か ら計 測 シス テ ム まで

小滝

國雄

 島 田

和信

 共著

東京電機 大学 出版局

本 書 の全 部 また は一 部 を無 断で 複 写複 製(コ ピ ー)す る こ とは,著 作権 法 上 で の例 外 を 除 き,禁 じ られ て い ます 。 小局 は,著 者 か ら複 写 に係 る 権 利 の管 理 につ き委託 を受 けて い ます ので,本 書 か らの複 写 を希 望 され る場合 は,必 ず 小局(03‐5280‐3422)宛 ご連 絡 くだ さ い。

は し が き

  電 子 計 測 は,電 子 的手 段 を利 用 して物 理 的 な量 を 「は か る」 こ と を 目 的 と し て い る。 「はか る」 とい う言 葉 は 「は か ど り」,す なわ ち,仕 事 や 物 事 の進 み 具 合 を表 す 「は か 」 を動 詞 化 した もの だ とい う。 捗 る,計

る,量 る,は 本 来 同 じ

意 味 と され て い る。 電 子 計 測 は今 日の産 業 社 会 の 中 で,電 子 的 な 「もの さ し」 を提 供 す る と同 時 に,製 品 の 生 産 効 率 や 品 質 の 向上 に深 くか か わ っ て い る。   現 代 の電 子 技 術 の 中 心 に は,コ

ン ピ ュー タ の存 在 が あ る。 計 測 技 術 も従 来 の

ア ナ ロ グ 的 手 法 か らデ ィ ジ タ ル 的 手 法 に変 貌 しつ つ あ る。 もち ろ ん 計 測 の 基 本 的 な原 理 ・原則 は変 らな い が,デ

ィ ジ タ ル技 法 を使 用 す る こ とに よ り,よ

り柔

軟 性 に富 ん だ計 測 制 御 環 境 を実 現 で き る し,自 動 化 が 容 易 にな る の で 高 速,高 精 度,高

能 率 を達 成 で き,さ

ら に人 為 的 な誤 りを 排 除 で き る。

  計 測 技 術 の 発 展 に よ り,工 業 製 品 は 客 観 的 な評 価 基 準 を与 え られ,さ な用 途 の もの が 開 発 され る。 また,あ な性 能 が規 定 され る た め,新

る材 料,部

まざ ま

品,シ ス テ ム に つ い て 多 面 的

しい 用 途 が 開 け る。 この よ う に して,先 端 技 術 は

計 測 技 術 と表 裏 一 体 の連 携 を保 ち な が ら,よ

り一 層 の 高度 化 が 行 わ れ る。

  来 るべ き21世 紀 を展 望 す る と,計 測 技 術 は制 御 技 術 と よ り密 接 な 関 係 を も ち,人 間 の 筋 肉労 働 や 危 険 を と もな う作 業 を肩 代 わ りす る ロ ボ ッ トの発 達 を 主 導 す る。ま た コ ン ピ ュ ー タ や ネ ッ トワー ク と一 体 化 し て空 間 的 な制 約 を克 服 し, 遠 隔 計 測 や 遠 隔 制 御 の 一 層 の発 展 に貢 献 で き る。   コ ン ピ ュー タ と人 間 との の マ ン ・マ シ ン ・イ ン タ フ ェー ス に は,情 報 変 換 効 率 の 観 点 か ら も現 状 で は 問 題 点 が 多 い が,こ

れ に対 す る解 答 も計 測 制 御 技 術 に

よ っ て 与 え られ るで あ ろ う。 手 書 き文 字 の 認 識,音 現 実 感(virtual

reality)な

声 情 報 の 発 生 と認 識 ,人 工

ど,将 来 の 高 度 情 報 化 社 会 を支 え る基 盤 技 術 も多 く

は計 測 技 術 に よっ て もた ら され る で あ ろ う。   本 書 は,大 学 や 高 専 の教 科 書 や 参 考 書 と して,ま た 専 門 技 術 者 に とっ て も基 礎 か ら最 近 の計 測 技 術 を展 望 で きる よ う に記 述 した 。 主 に1,3,お 小 滝 が,2,4お

よ び6章

よ び5章

を

を島 田 が,そ れ ぞ れ分 担 して執 筆 した 。

  本 書 が 世 に 出 る に は,東 京 電 機 大 学 工 学 部 ・金 田 輝 男 教 授 と同 大 学 出版 局 ・ 岩 下 行 徳 課 長 の 御 尽 力 に よ る と こ ろが 多 い。 横 河 電 機(株)お よび 日本 ヒュ ー レ ッ ト ・パ ッ カ ー ド(株)に は資 料 の提 供 を頂 い た。 こ こに 厚 く御 礼 を 申 し上 げ る 次 第 で あ る。 1996年6月

小 滝 國 雄 島 田 和 信

目

1. 

計 測 の 基 礎 的 事 項  計 測 シ ス テ ム の進 歩 

1

 1・2 

単 位 系 の 構 成 

4

 1・3 

電 気 の 標 準 

6

 1・4 

測 定 方 式 

7

 問

トレー サ ビ リテ ィ 

9

題 

11

基本測 定

 12

  2・1 

電気量 の測定

  2・2 

表示方式

  2・3 

電 圧 計(電 圧 の 測 定) 

16

  2・4 

電 流 計 と検 流 計(電

26

  2・5 

電 力 計(電

力 の 測 定) 

31

  2・6 

抵 抗 計(抵 抗 の 測 定) 

35

  2・7 

イ ン ピー ダ ンス 計(イ

44

  2・8 

オ シ ロス コ ー プ とオ シ ロ グ ラ フ(波 形 の 観 測 と記 録) 

  2・9 

周 波 数 計 お よ び 周 波 数/時 間 標 準

 問

3. 

1

 1・1 

 1・5 

2. 

次

 12   15

流 の測 定) 

ン ピ ー ダ ン ス の 測 定) 

題

48   56  61

デ ィジ タル 測 定

  63

  3・1 

デ ィジタル計測技術

  63

  3・2 

デ ィジタルマル チメー タ

  65

  3・3   

3・4 

 

問

4. 

デ ィジ タル オ シ ロ ス コー プ とサ ン プ リ ン グオ シ ロス コー プ  任意波形 発生器

77   91

題

  97

測 定 デ ー タの 記 録

  100

  4・1 

ア ナ ロ グ量 の 記 録

  100

  4・2 

デ ィジタル量の記録

  105

 問

5. 

題

  107

高 周 波 お よ び マ イ ク ロ波 の 測 定

  108

  5・1 

高 周 波 とマ イ ク ロ波

 108

  5・2 

信 号発生器

 109

  5・3 

ス ぺ ク トル 分 析 器

 114

  5・4 

ネ ッ トワー ク分 析 器

 122

 問

6. 

題

 131

計 測 自動 化 シ ス テ ム   6・1 

実時間計測評価

  6・2 

コ ン ピ ュ ー タ援 用 計 測 シス テ ム

  6・3 

電 子 計 測 自動 化 の 将 来 展 望

 問

  132  132   136  139

題

  141

参考 文献

 

143

索

 

145

引

1、 計測の基礎的事項

1・1 

計 測 システム の進歩

 [1] 

計 測 シス テ ム

  あ る シ ス テ ム を特 徴 づ け る属 性 の 量 を測 る こ とは,あ

らゆ る技 術 や 工 学 に お

い て,ま た あ る と き に は商 取 引 に お いて も,第 一 歩 とな る基 本 的 な事 項 で あ る 。 シ ス テ ム を客 観 的 に評 価 す る に は,対 象 とな る シス テ ム の定 量 的 な 把 握 が必 要 に な る。   計 測 に か か わ る シ ス テ ム は,最

も単 純 に は図1・1(a)の

よ う に理 解 さ れ る で

あ ろ う。 あ る物 理 シ ス テ ム の あ る物 理 変 数S(t)は 時 間 の 関 数 と し て 変 化 す る が,測 定 器 は これ に測 定 条 件c(t)を

与 えて 必 要 な情 報 変 数i(t)を 得 る。

  これ を計 測 シ ス テ ム と して,現 実 の 姿 に近 づ け て 表 現 す る と図1・1(b)の う に な る。 計 測 対 象 シ ス テ ム が もつ物 理 量 は信 号 と して 発 生 す るが,こ

(a)基 本 的 な計 測 シ ステ ム

(b)マ

ン ・マ シ ン を 考 慮 し た 計 測 シ ス テ ム 図1・1 

計 測 シ ステ ムの 概 念

よ

れはま

た計 測 が 行 わ れ る環 境(温

度,湿 度,振 動,衝 撃,地 磁 気 な ど)に 影 響 され る。

計 測 シ ス テ ム は先 ず計 測 対 象 か らデ ー タ を収 集 し,処 理 し,記 録 な い しは記 憶 す る。 次 に そ の デ ー タ を表 示 し,計 測 を行 う人 間 に対 して 提 示 し,人 間 は 自 分 の欲 し い デ ー タ を操 作 に よ り選 択 取 得 す る。 つ ま り,こ の シ ス テ ム の 出 力 端 は マ ン ・マ シ ン ・イ ン タ フ ェー ス と して機 能 す る。   さ ら に,計 測 者 な い し は観 測 者 で あ る人 間 は提 示 さ れ た デー タ な り情 報 を認 識 し,一 定 の判 定 を下 す こ とが で き る。   計 測 方 法 な い し は シ ス テ ム に は,ア ナ ロ グ計 測 とデ ィジ タル 計 測 の 二 つ が あ る。 前 者 で は得 られ る デ ー タ は連 続 的 な量 で あ り,後 者 で は不 連 続 的 な 量 で あ る。 近 年,デ

ィ ジ タル 技 術 の 進 歩 に と もな っ て,処 理,表 示,記

録 な どの 面 で

能 率 の よい デ ィ ジ タル 計 測 が 広 く利 用 さ れ る よ う に な っ て きて い る。  [2] 

自動計 測 シ ス テ ム

  人 間 は 多 くの異 な る仕 事 を処 理 す る融 通 性 を備 え て い る反 面,反

復 す る仕 事

を速 く正 確 に処 理 す る能 力 に は欠 け る。 工 場 な ど生 産 現 場 で は,生 産 性 や信 頼 性 を向 上 させ,製

品 の 品 質 管 理 を徹 底 す る必 要 か ら,コ ン ピュ ー タ な い しは マ

イ ク ロ プ ロ セ ッ サ を利 用 した 自動 計 測 を採 用 して い く傾 向 に あ る。   物 理 シ ス テ ム か ら 自動 的 な い しは半 自動 的 に 計 測 情 報 を得 る一 般 的 な方 法 と して,図1・2(a)の

よ う な 図式 が 説 明 に便 利 で あ ろ う。物 理 シ ス テ ム,す なわ ち

計 測 対 象 か ら の 信 号 エ ネ ル ギ ー は セ ン サ(sensor)ま (transducer),例

た は トラ ン ス ジ ュ ー サ

え ば サ ー ミス タ,熱 電 対,圧 力 セ ン サ な どに よ っ て検 知 され,

他 の形 式 の信 号 に変 換 さ れ,信 号 前 処 理(増 幅,フ

ィル タ リ ング,リ ミテ ィ ン グ

な ど)を 経 て 信 号 処 理 され,望 ま しい信 号 形 式 で,入 出 力 イ ン タ フ ェ ー ス で 必 要 に応 じて 表 示,プ

リン ト,プ ロ ッ テ ィ ン グ され る。 シ ス テ ム に対 して は キ ー ボ

ー ドな ど入 力 装 置 に よ り操 作 され る。 信 号 処 理 や 入 出 力 に は マ イ ク ロ プ ロセ ッ サ と記 憶 装 置 が 介 在 し,シ ス テ ム 全 体 を 目 的 に応 じて制 御 す る。   計 測 機 器 とコ ン ピ ュー タ と,こ れ ら を結 ぶ イ ンタ フ ェ ー ス とバ ス(多 くは標 準 化 され たRS‐232‐CやGP‐IB,す

な わ ちIEEE488規

格 が 使 用 され る),ソ フ ト

ウ ェ ア と周 辺 機 器 な ど を統 合 す る こ と に よ っ て,自 動 計 測 シ ス テ ム が 構 成 され

(a)マ

(b)ネ

イ ク ロ プ ロ セ ッサ を べ ー ス と し た 計 測 シ ス テ ム

ッ トワ ー ク を 通 じ て 広 域 化 す る 計 測 シ ス テ ム 図1・2 

計 測 シ ステ ムの 展 開

る 。 さ ら に,コ

ン ピ ュ ー タ の 利 用 を 推 し進 め る こ と に よ っ て,デ

処 理,解

測,試

析,予

GP‐IB(General

験 成 績 書 の 作 成,デ

Purpose

Interface

Bus)に

ー タの整理 と

ー タベ ー ス の一 元 管 理 が 図 られ る。 つ い て は 第6章

に詳 述 した 。

  自 動 計 測 を 行 う 複 数 の シ ス テ ム を 統 合 化 し てLAN(Local やWAN(Wide 製 造,試

Area 験,検

Network)な

Network)

ど の ネ ッ ト ワ ー ク で 結 ぶ こ と に よ り,設 計,

査 な ど の 工 程 が 統 合 さ れ,一

こ の よ う な 方 向 はCAD(Computer‐Aided Manufacturing)と

Area

元 化 で き る こ と に な る 。 す な わ ち, Design)やCAM(Computer‐Aided

い っ た 設 計 ・製 造 の 自 動 化 と も 密 接 な 関 連 を も っ て い る 。 ネ

ッ ト ワ ー ク を 通 じ て 広 域 化 す る 計 測 シ ス テ ム の 構 成 例 を 図1・2(b)に

1・2 

示 す。

単 位 系 の 構 成

  単 位 系 に は 過 去 に い ろ い ろ な 経 緯 が あ っ た が,現 在 はSI(International of

Units)単

  SI単 位 は,7つ

System

位 系 が 国 際 的 に 広 く使 用 さ れ て い る 。 の 基 本 単 位,2つ

の と組 立 名 の も の が あ る),さ

の 補 助 単 位 お よ び 組 立 単 位(固 有 名 を も つ も

ら に単 位 の 大 き さ を 表 す 接 頭 語 か ら成 っ て い る。

  物 理 量 を 根 元 的 な も の に 整 理 し て い く と,い

表1・1  SI基

ち お う 表1・1の

本単位

よ う な7つ

の基

本 単 位 に還 元 され る。しか し,物 質 量 の モ ル(mol)は 物 質 に よ り異 な る質 量 で あ り,光 度 の カ ン デ ラ(cd)は あ る方 向 に 指 向 され る電 力 で あ るか ら,基 本 的 に独 立 した 単 位 と し て は5つ   補 助 単 位 は,ほ

の 単位 に整 理 さ れ る。

か の 組 立 単 位 を構 成 す る た め に用 い られ,次

位 で あ る。 これ を表1・2に 示 す 。 表1・2  SI補 助 単 位

表1・3  SI組

立単 位 の例

元 を もた な い単

  組 立 単 位 は基 本 単 位 や 補 助 単 位 を使 っ て代 数 的 に組 み 合 わ せ て 導 か れ る。 多 数 あ る組 立 単 位 に は,表1・3に す に は,表1・4の

示 す よ うな 例 が あ る。 また,10の

整 数 乗 倍 を表

よ うな 接 頭 語 を

付 加 す る 。 接 頭 語 は,例

表1・4  SI接 頭 語

え ば μμ

(マ イ ク ロ マ イ ク ロ)は 使 用 せ ず, p(ピ

コ)を 使 用 す る よ う に,二

つ

以 上 並 べ て使 用 して は い け な い こ とに な っ て い る。   さ ら に,SI単

位 と併 用 して よい

単 位 と し て,時

間 ：分(min),時

(h),日(d);平

面 角 ：度(°),分

('),秒(");体

積 ： リ ッ トル(lま

た はL);質

量 ： ト ン(t)が 使 用 さ

れ る 。 ま た,特

殊 な 分 野 に 限 り,

エ ネ ル ギ ー と し て 電 子 ボ ル ト (eV)な

ど も使 用 して よ い こ と に

な っ て い る。

1・3  電 気 の 標 準   SI基 本 単 位 の 定 義 に つ い て は,す で に 表1・1に 掲 げ た とお りで あ る が,現 場 で の 測 定 に使 用 で き る よ うな 内容 で は な い 。標 準(standard)は,実 え な い精 度 で,し

か も誰 で も同 じ数 値 が 得 られ る,つ

用 上,差

支

ま り再 現 性 の よ い原 理 ・

現 象 を利 用 した 方 法 で あ る こ とが 望 ま し い。   こ の よ うな 目的 で 設 定 され た標 準 の 例 を ま とめ て表1・5に 示 す。 新 し い物 理 現 象 の 発 見 に よ って,標 準 の 精 度 は 年 々 向 上 して い て,す で に基 本 単 位 の 精 度 を超 え る もの も見 られ る よ う に な っ て きて い る 。   質 量 はSI単 位 系 の 中 で も異 質 の 存 在 で あ り,国 際 キ ロ グ ラ ム 原 器 の 質 量 を もっ て1キ

ロ グ ラム とす る,と い う自然 法 則 とは無 縁 の定 義 で あ る。 また,他

表1・5  原 理的 に精 度 の 高 い標 準 の 例

の 単 位 との間 に相 互 関 連 もな く,精 度 も悪 い。 しか し,こ れ も超 伝 導磁 気 浮 上 を利 用 し て,磁 束 量 子 の 絶 対 測 定 を行 う こ とに よ り解 決 さ れ る可 能 性 が で て き て い る。精 度 は お よ そ10-9が 期 待 され,従 来 の 原 器 に よ る方 法 に く らべ て1桁 くらい 改 善 さ れ る。

1・4 

測 定方式

  測 定 す る量(測 定 量)は,基

準 とな る量(基 準 量)と 測 定 した 値(測 定 値)の 積 に

よ り求 め られ る。 例 え ば,金 額 を求 め る場 合,1円 (10円 の と き は10倍,100円

の と きは100倍)に

な り,こ れ らの積 が 測 定 量,す

を基 準 量 と して,そ

の倍数

相 当 す る硬 貨 や紙 幣 が 測 定 値 に

なわ ち合 計 金 額 にな る。

  基 準 量 とし て は 基 本 単 位 な い し は標 準 が使 用 され る の が 筋 で あ るが,も

っと

も身 近 に は 「国 家 標 準 」 か ら導 か れ る 「産 業 計 測 標 準 」 が利 用 さ れ る のが 普 通 で あ る。 した が っ て,産 業 計 測 標 準 は国 家 標 準 に 対 して生 産 現 場 に必 要 な精 度 を保 っ て い く必 要 が あ り,こ れ を 「トレー サ ビ リテ ィ」(traceability)と い う。   測 定 方 法 を大 き く分 け る と,直 接 測 定(Direct Measurement)と Measurement)と

間 接 測 定(Indirect

が あ る。直 接 測 定 は,測 定 量 と同 じ種 類 の量 を表 す尺

度 また は次 元 で 測 定 す る方 法 で,電 圧 計 で電 圧 を計 測 す る場 合 が これ に 当 た る。

間 接 測 定 は,測 定 量 と一 定 の 関 係 を もつ 複 数 の量 につ い て測 定 し,こ れ ら の量 を ま とめ て 関 係 式 に 従 い計 算 に よ り求 め る方 法 で,電 力 を知 るた め に電 圧 と電 流 を別 々 に 測 っ て積 を 求 め る場 合 が これ に当 た る。   計 測 器 また は測 定 器 に は い ろ い ろ な方 式 が あ る が,古

くか ら指 針 に よ る 装 置

が 多 く利 用 され て き た。 指 針 の 指 示 方 式 に よ り,測 定 は 次 の4方 式 に 大 別 で き る。  [1] 

偏 位 法(Deflection

  図1・3(a)に

Method)

示 す よ う に,指 針 の 振 れ に よ り直 接 測 定 量 を読 み と る方 式 で あ

る。 直 接 に測 定 が行 わ れ る の で,直 動 式 と もい わ れ る。 測 定 器 に内 部 で は,測 定 を行 うた め に必 要 な 測 定 量 の信 号 変 換 機 能 を も って い る。 この 方 式 で は,前 も って 基 準 量 が 設 定 され て い て,目 盛 りが 決 め られ て い る。 最 も簡 単 に は ア ナ ロ グ 表 示 に な るが,こ

の ア ナ ロ グ量 をA-D変

換 して デ ィ ジ タ ル表 示 とす る こ

と もで き る。  [2] 

零 位 法(Null

  図1・3(b)に 節 さ れ,釣

Method)

示 す よ う に,測 定 量 は比 較 器 で 可 変 の基 準 量 と平 衡 す る よ う調

り合 っ た 基 準 量 の値 に よ り測 定 され る 。 こ の動 作 原 理 か ら平 衡 方 式

(a)偏

(c)補

(b)零 位 法

位法

償法 (d)置

図1・3 

各種 測定 方 式

換法

と も い わ れ る。 この 変 形 と して,比 較 器 が平 衡 す る まで サ ー ボモ ー タ に よ り基 準 量 を調 節 す る 自 動 制 御 系 に よ り,手 間 を省 く方 法 もあ る。  [3] 

補 償 法(Compensation

Method)

  偏 位 法 と零 位 法 の 中 間 的 な 方 式 で あ る。図1・3(c)に

示 す よ う に,測 定 量 か ら

そ の値 に ほ ぼ 等 しい 基 準 量 の差 を と り,そ こで現 れ る小 差 を測 定 して 測 定 量 を 求 め る方 式 で あ る。 測 定 器 は この小 さい 差 だ け を測 定 す れ ば よ い の で,比 較 的 高 精 度 を得 る こ とが で き る。  [4] 

置 換 法(Substitution

Method)

  補 償 法 に よ く似 た 方式 で あ るが,測 定 量 と基 準 量 とを置 き換 え て,時 間 的 に 異 な る2度

の測 定 結 果 か ら測 定 量 を 求 め る 方 法 で あ る。 図1・3(d)に

示す よう

に 時間t1に 基 準 量 を測 定 し,測 定 量1を 得 る。次 に時 間t2で 測 定 対 象 を測 定 し 測 定 量2を

得 る。 測 定 量1と2が

一 定 の 小 さ い差 が あ る場 合 に は

等 しい場 合 に は,基 準 量 は測 定 量 に等 し く, ,こ れ を基 準 量 に加 減 して 測 定 量 を得 る こ とが

で き る。   この 方 式 は測 定 に 際 し て時 間 的 な ず れ が あ るの で,こ しな い よ う に注 意 しな けれ ば な らな い 。 その 反 面,基 一 また は小 差 の 測 定 値 を得 れ ば よい の で

の間 に測定条件が変化

準 量 と測 定 量 につ い て 同

,測 定 器 は精 度 や 測 定 範 囲 の 面 で 多 く

を要 求 され る こ とが な く,性 能 は さ ほ ど高 くな くて もよ い と い う利 点 が あ る。

1・5 

ト レー サ ビ リ テ ィ

  計 測 器 は常 に 正 確 で高 精 度 を保 つ こ とが 要 求 さ れ る。 と く に製 造 業 の 工 場 で は,製 品 の 品 質 を高 め均 一 化 す る た め に,組 織 的 な計 測 器 管 理 が 品 質 保 証 の 上 か ら必 要 と され る。   計 測 器 を 組 織 的 に 管 理 す る に は,計 測 器 の校 正 に必 要 な標 準 器 や 校 正 装 置 を 整 備 し,校 正 を行 うた め の規 格,作

業 手 順,周

囲 条 件(環 境),す

なわ ち校 正 シ

ス テ ム を制 度 と して確 立 す る こ とが 要 点 に な る。   計 測 器 の精 度 を保 証 す るた め に は,適 正 な時 間 間 隔 ご と に校 正 を実 施 す る こ とが 必 要 で あ る。 電 気 計 測 器 の校 正 は,国 際 的 に 認 め られ た 国 際 度 量衡 局 な ど

図1・4 

トレ ー サ ビ リ テ ィに よ る 基 本 的 校 正 シ ス テ ム

の 原 器 と照 合 した 日本 の国 家 標 準 が 通 産 省 工 業 技 術 院 ・電 子 技 術 総 合 研 究 所 や 計 量 研 究 所 な どに備 え られ て い る。 これ か ら,さ

ら に校 正 を実 施 す る公 共 標 準

機 関 と して,日 本 電 気 計 器 検 定 所 や 日本 品 質 保 証 機 構 が あ る。 ま た,こ れ ら は 地 方 試 験 所 や 都 県 に 工 業 試 験 所 な ど を 出先 機 関 と して もっ て い る。   企 業 は 自 社 の計 測 器 管 理 を行 うに 当 た っ て,こ 標 準 器 や 校 正 装 置 を校 正 し て も らい,こ

れ らの 出先 機 関 に 自社 保 有 の

れ を 社 内 標 準 と して使 用 して い る計 測

器 を定 期 的 に校 正 す る体 制 を取 っ て い る。 生 産 現 場 で使 用 さ れ る計 測 器 は,定 め られ た 使 用 時 間 ご とに,定

め られ た社 内標 準 に基 づ い て 校 正 され,そ

の記 録

が 保 存 され る。   この よ う に,一 般 に使 用 され る計 測 器 の 精 度 が,国

が保 証 して い る国 家 標 準

に対 応 して 明 確 な経 路 で つ な が り,校 正 され 管 理 され て い る状 態 を トレー サ ビ リテ ィ(traceability)と い い,図1・4の

問

よ うな 階 層 構 成 に な っ て い る。

題

1‐1 計 測 シス テム にお ける コン ピュー タの利 用法 に つい て述 べ よ。 1‐2 計 測 システ ム にお けるマ ン ・マ シ ン ・システ ム につ いて述 べ よ。 1‐3 SI単 位 系 の特 長 と目的 を述 べ よ。 1‐4 SI単 位 系 に おい て,長 さ(メ ー トル)の 定 義 と して,最 も身 近 な物差 しや巻 き尺 を使 用 しない の はなぜか。 1‐5 SI単 位 系 にお いて,時 間 の定義 に地 球 の 自転 な ど天 体観 測 デー タが使 用 され な い の はなぜ か。 1‐6 計測 器 の精度 に影 響 を与 え る環境 条件 に は どうい う もの が あ るか。 また,そ れ らの影 響 か ら計測器 を防護 す る方法 を述 べ よ。 1‐7 トレーサ ビ リテ ィは,か な り複 雑 で面倒 な制 度 で あ るが,こ れ を行 わ な い場 合 の不 具 合 な点 を述 べ よ。 1‐8 トレー サ ビ リテ ィの原 点 は国家標 準 に な ってい るが,こ れ を私 的 な機 関が 実施  

す る とな る と,ど の よ うな問題点 が挙 げ られ るか 。

1‐9 原 器 を使 用 す るメ リッ トとデ メ リッ トにつ いて論 述せ よ。

2、 基本測定 2・1 

電 気量の 測定

  電 気 量 の 測 定 に は い ろ い ろ な 方 式 が あ るが,基 本 的 に は第1章

の と お りで あ

る。 実 際 の例 を次 に 述 べ る。   [1] 

偏位法

  偏 位 法 の代 表 的 な もの は 図2・1の パ ネ ル 形 メ ー タで あ る。 こ の 方 法 は指 針 を 動 か す の に エ ネ ル ギ ー を消 費 し,測 定 対 象 物 に影 響 を与 え るた め精 密 な測 定 は 期 待 で きな いが,簡

便 な測 定 法 と して 広 く用 い られ て い る。

図2・1 

 [2] 

偏 位 法 の例

零位法

 零 位 法 の 例 を 図2・2に示 す 。 同 図(a)の

電 位 差 計 で は,可 変 抵 抗 器RSを

スラ

(a)電 位差 計

(b)ホ

イ ー トス ト ン ブ リ ッ ジ

(c)自 動 平 衡 形電 位 差 計 図2・2  零 位法 の例

イ ド さ せ て 検 流 計Gの くな る 。 同 図(b)の

左 右 の 電 位 がeO=EXと

等 し く な っ た と き,Gは

ホ イ ー トス トン ブ リ ッ ジ(Wheatstone

振れ な

Bridge)では,

(2・1)

の と き平 衡 し,Gに 電 流 が 流 れ な くな る。同 図(c)の の 変 形 で,ExとEOと

自動 平 衡 形 電 位 差 計 は(a)

の 差 εが ゼ ロ に な る まで サ ー ボ モ ー タMがRSを

動か

し,平 衡 を得 る。   これ は(a)の

電 位 差 計 の 平 衡 を取 る作 業 を 自動 的 に行 う もの で,さ

ら にオ ー

トメー シ ョ ンや 自動 制 御 へ と発 展 す る。   この 方 法 は被 測 定 物 か らエ ネ ル ギ ー を とる こ と は な く,被 測 定 物 に測 定 器 に よ る外 乱 を与 え な い ので,精

密 な測 定 に は よ く用 い られ る。

  [3] 

補償法

  周 波 数 を補 償 法 で 測 定 す る例 を図2・3に 示 す 。図 で 標 準 周 波 数fSと 被 測 定 周 波 数fxと の 差 の 周 波 数￨fx-fs￨が

ミク サ(mixer)で

取 り出 さ れ る。fXを 求 め

る に は そ の差 を測 りfSに 加 え れ ば よ い。   こ の方 法 は 基 準 量 が 正 確 で あ れ ば全 体 と して 高 精 度 の 測 定 が で き る。

図2・3  補償 法 の 例

  [4] 

置換 法

  図2・4に 置 換 法 の 例 を示 す 。図 で は ま ず ス イ ッ チSWを1に む。次 にSWを2に

倒 し,値 の わ か っ た 可 変 抵 抗 器RSを1と

う調 整 す る。 この と き,Rx=RSと 側 に倒 し,RSを る),E1=ESと

な る。 同 図(b)の

同 じ電 流 に な る よ

場 合 は,初 め にSWをES

動 か して 平 衡 を とれ ば(検 流 計Gに な る。 次 い でSWをEx側

倒 し電 流 計 を読

電 流が 流れ な い ようにす

に して,RSに

よ りE2=Exで

平衡 を

とる と,Exは, (2・2) で 求 め られ る。

(a)抵 抗 の測 定

(b)電 圧 測定 の 例 図2・4  置 換法 の例

  こ の 方 法 は被 測 定 量 に ほ ぼ等 しい 基 準 量 を用 い れ ば,精 度 の 高 い 測 定 が で き る。

2・2 

表 示方式

  [1] 

ア ナ ログ 表 示

  指 示 計 器 の 指 針 や ペ ン レ コー ダ の記 録 紙 な どか ら,連 続 した 量 で 表 示 させ る 方 法 で あ る。 この 方 法 は連 続 した 測 定 にお い て,変 化 量 の監 視 は しや す い が, 読 取 り誤 差 や 精 度 の 点 で 限 界 が あ る。   [2] 

デ ィジ タ ル表 示

  測 定 した 値 が そ の ま ま数 字 で表 示 さ れ る方 法 で あ る。 この 方 法 は表 示 桁 数 を上 げ る こ と に よ っ て,高 精 度,高 分 解 能 が 得 られ,読 取 り誤 差 も な く コ ン ピュ ー タ処 理 に も適 す る。   図2・5に ア ナ ロ グ表 示 とデ ィ ジ タル 表 示 の例 を示 す。   この章 で は ア ナ ログ 式 に つ い て述 べ,デ

図2・5 

ハ イ ブ リ ッ ド表 示 の メ ー タ

ィ ジ タル 式 に つ い て は次 章 に述

べ る。

 [3]  指 示 電 気 計器 の精 度   日本 工 業 規 格JIS

C

1102で は 電 圧 計,電 流 計 お よび 電 力 計 に つ い て,精 度 に

よ り5段 階 の 階級 を設 け て い る。 これ は最 大 目盛(定 度 を表 す もの で,表2・1の

とお りで あ る。 表2・1  指示 電 気 計器 の階 級

格 値)に

対 す る誤 差 の 限

2・3 

電 圧 計(電

圧 の 測 定)

  電 気 量 の計 測 の 中 で,最   [1] 

も測 定 頻 度 の高 い電 圧 の 測 定 に つ い て 述 べ る 。

直流電圧の測定

  (1)  偏 位 法 に よ る測 定   a)  指 示 電 気 計 器 形 電 圧 計   代 表 的 な もの は可 動 コ イ ル 形 電 流 計(2・4節 参 照)を 電 流 計 に 倍 率 器(multiplier)と

用 い,図2・6の

い わ れ る直 列 抵 抗RSを

もの で あ る。 この 図 で電 流 計 の 内部 抵 抗 をRmと

よ うに

入 れ て 電 圧 計 とす る

す れ ば, (2・3)

とな り,IはVに

比 例 す る の で,電 流 値 か ら電 圧 を求 め る こ とが で き る 。

  こ に式 か ら倍 率 器 の抵 抗 値 は, (2・4)

と して 求 め られ る。   例 え ば,内 部 抵 抗10Ω

の1mA電

率 器 と し てR=10/0.001=10000Ω(厳 き9990Ω)の

流 計 を用 い て10Vの

電 圧 計 とす る に は倍

密 に は電 流 計 の 内 部 抵 抗10Ω

を差 し引

抵 抗 器 を直 列 に 接 続 すれ ば よい 。

  この 方 法 は た い へ ん簡 便 で あ るの で,い わ ゆ る 「回 路 テ ス タ」 な ど,さ

ほど

精 密 さ を必 要 と しな い測 定 器 に広 く用 い ら れ て い る。

図2・6  直流 電圧 計

 b)  直 流 電 子 電 圧 計  上 述 の 電 圧 計 に 直 流 増 幅 器 を組 み合 わ せ た もの で あ る。 この 方 法 は簡 便 で あ

る と同 時 に,入 力 イ ン ピー ダ ン ス を 非 常 に高 く取 れ る の で,電 子 回路 の電 圧 測 定 な ど,電 圧 計 を 接 続 す る こ とに よ って 生 じ る外 乱 や 影 響 を最 小 に した い場 合 に広 く用 い られ て い る。

図2・7  直流 電 子電 圧 計

  (2)  零 位 法 に よ る測 定   a)  電 位 差 計 法   直 流 電 圧(起

電 力)を

非 常 に 正 確 か つ精 密 に測 定 す る に は,電 位 差 計 が 用 い

られ る。 図2・8に そ の例 を示 す。 い ず れ の場 合 も検 流 計Gに

流 れ る電 流 が ゼ ロ

に な っ た と きの 滑 り抵 抗 器 の値 か ら求 め る値 を知 る こ とが で き る。 図 の(a)は 測 定 原 理 を 示 す もの で,ESに の 電 圧Exを

は値 の わ か っ た 極 め て安 定 な電 源 を 用 い る 。未 知

測 定 端 子 に 接 続 し,検 流 計Gに

流 れ る電 流 が ゼ ロ に な る よ う に滑

り抵 抗 器 の ブ ラ シ を動 か した と き, (2・5)

と な り,ブ ラ シ の位 置 か ら電 圧 を求 め る こ とが で き る。  図 の(b)は

実 際 の電 位 差 計 の構 成 図 で,滑

(a)電 位 差 計 の基 本 形

り抵 抗 器 に は十 分 に安 定 な補 助 電

(b)精 密 級電 位差 計 の構 成 図2・8  直 流 電位 差 計 の 原理

源 か ら電 流 を流 し,ま ず 標 準 電 池(20℃ の 値(図

の(c)の

位 置)で,Gに

り抵 抗 器 を動 か してdの

・Rbcお よ びEx=I・Rbdで

測 定 し,そ の 電 圧 目盛

流 れ る電 流 が ゼ ロ に な る よ う に電 流 加 減 抵 抗

器 を調 整 す る。 この と きの 電 流 値 をIと し,滑

で1.0186V)を

す る。次 に ス イ ッチSWをEx側

位 置 でGの

に倒

値 が ゼ ロ に な っ た とす る と,ES=I

あ るか ら, (2・6)

とな る。 す な わ ち,滑

り抵 抗 器 の値(目

盛)か

ら求 め る電 圧 が わ か る。

  この 方 法 は置 換 法 と呼 ばれ て い るが,注 意 を 要 す る の はEXを

測 る と き とE

Sを測 る と き に,Iの 値 が 変 わ ら な い こ とで あ る。この た め補 助 電 流 電 源 に は十 分 に安 定 度 の 高 い もの を使 用 す る必 要 が あ る。 電 位 差 計 に は後 述 す る熱 起 電 力 の 影 響 を 少 な くす るた め に,入 力 端 子 に 金 メ ッ キ を施 す な どの対 策 が な され て い る。   電 位 差 計 は,① 被 測 定 回路 か ら電 流 を と らな い の で,そ

の 内 部 抵 抗 に は関 係

が な く,ま た リー ド線 の 抵 抗 や ブ ラ シ の接 触 抵 抗 も測 定 結 果 に は影 響 が な い, ② 可 変 抵 抗 器 に は精 密 な デ ィケ ー ド抵 抗 器(decade

resistor)が 用 い られ るの

で,測 定 の有 効 桁 数 も多 く とれ る,と い っ た特 徴 が あ り,精 密 な 電 圧 測 定 に適 して い る。   b)  差 動 電 圧 計   図2・9の よ うな 平 衡 指 示 用 検 流 計 を内 蔵 した 可 変 形 標 準 電 圧 発 生 器 を差 動 電 圧 計(differential

voltmeter)と

変 化 させ れ ば,EX=ESと

い い,検 出 器 が ゼ ロ を示 す よ うに 発 生 電 圧 を

な り,標 準 電 圧 発 生 器 の 精 度 で 電 圧 の 測 定 が で き る。

図2・9  差 動電 位 計 の原 理

  [2] 

直流 電 圧 測 定 時 の 注 意

  (1)  入 力抵 抗 の 影 響(負

荷 効 果)

  電 圧 計 を接 続 した と きに 被 測 定 回 路 に与 え る影 響 を最 小 限 にす るた め に,被 測 定 回 路 に比 べ て 十 分 に 高 い入 力 抵 抗 の電 圧 計 を使 用 す る必 要 が あ る。   図2・10に お い て,内 部 抵 抗ROの 抗Rmの

回 路 の 電 圧VOを

測 定 し よ う と し て入 力 抵

電 圧 計 を接 続 す る と, (2・7)

とな り,電 圧 計 に 流 れ る電 流 に よ って 測 定 さ れ る電 圧Vmは

実 際 の 電 圧VOよ

り小 さ くな っ て し ま う。 これ を電 圧 計 の 負 荷 効 果 とい う。   内部 抵 抗5kΩ

の 回 路 に入 力 抵 抗100kΩ

果 は100/(5+100)=0.952と

の電圧 計 を接続 した ときの負 荷効

な り実 際 の電 圧 よ り4.8%も

低 く測 られ る。

図2・10  電 圧 計 の 負荷 効 果

  (2)  熱 起 電 力 の 影 響   mV程

度 の 直 流 の微 小 電 圧Exを

測 定 し よ う とす る とき に 注 意 す る こ と は,

図2・11に 示 す よ う に 測 定 ル ー プ の 一 部 に異 種 金 属 が あ り,し か も 両 接 点T1 − T2間 に 温 度 差 が あ る と き は ゼ ー ベ ッ ク効 果(Seebeck

図2・11 

熱起 電 力 に よ る誤差

effect)に

よ る熱 起

電 力ΔEが

発 生 し,こ れ が 測 定 誤 差 とな る こ とで あ る。

  この 影 響 を除 去 す るた め に は,熱 起 電 力 の 少 な い リー ド線 を選 び,ま た 測 定 回 路 との 温 度 差 を な くす な どの注 意 が 必 要 で あ る。   [3] 

交流電圧の測定

  (1)  偏 位 法 に よ る測 定   a)  指 示 計 器 形 交 流 電 圧 計   交 流 に よ り作 動 す る指 示 計 器 に は,動 作 原 理 に よ り可 動 鉄 片 形,電 流 力 計 形, 整 流 形,熱 電 対 形,静 電 形,振 動 片 形 な どに分 類 さ れ,JIS規

格(JIS

C

1102)

で規 定 さ れ て い る。 表2・2に 直 流 用 を含 め そ の 一 覧 を示 す 。 これ らは商 用 周 波

表2・2 動 作 原 理 に よ る指 示計 器 の 分 類

数 で は まだ用 い られ て い るが,音

声 周 波 数 以 上 の 領 域 で は,次

に述 べ る よ うな

交直 変 換 器 ・増 幅 器 と組 み 合 わ せ て,直 流 に変 換 され た値 を可 動 コ イ ル 形 指 示 計 器 で 読 み取 る方 式 が 多 く使 わ れ て い る。   b)  交 流 電 子 電 圧 計   こ の方 式 の 電 圧 計 は交 直 変 換 器 ・増 幅 器 と直 流 指 示 計 器 と を組 み 合 わ せ た も の で あ る。図2・12に 示 す よ うに,測 定 電 圧 を 交 流 増 幅 器 で増 幅 した後 に直 流 に 変 換 し計 器 で 表 示 す る もの と,ま ず 直 流 に変 換 した もの を直 流 増 幅 器 で 増 幅 し て計 器 に表 示 す る もの とが あ る。   交 流 を直 流 に変 換 す る方 法 に よ っ て計 器 の 指 示 値 が,入 力 波 形 の 平 均 値 に比 例 す る平 均 値 指 示 形,波

高 値 を 示 す 波 高 値 指 示 形,実 効 値 を示 す実 効 値 指 示 形

な どが あ る 。図2・12の 電 子 式 電 圧 計 の 回 路 方 式 の特 長 を ま とめ る と,表2・3の 表2・3  電 子 電圧 計 の 基本 形

*  1015Ω の もの(静

電 容 量 偏 位 形)も

あ る

(a)直 流増 幅 形

(b)交 流 高感 度 形 図2・12 (1)電

子 電圧 計 の 回路構 成

(c)ダ

イ オ ー ド整 流 形

(d)熱 電対 形 図2・12(2)  電 子 電圧 計 の 回路 構 成

よ う に な る。  電 子 電 圧 計 は 指 示 計 器 形 に比 べ,次

の よ う な特 長 が あ る。

 ①  入 力 イ ン ピー ダ ン ス を 高 く取 れ る の で,電 圧 計 を つ な ぐこ とに よ る被 測 定 回 路 に与 え る影 響(負 荷 効 果)を 非 常 に少 な くで き る。  ②  電 圧 測 定 範 囲 が 広 い。(数 μV∼ 数100Vの  ③  周 波 数 範 囲 も広 い。(数GHzま

測 定 が 可 能)

で 測 れ る もの もあ る)

 ④  電 流 測 定 や 抵 抗 測 定 な ど に も応 用 で き る。   (2)  零 位 法 に よ る測 定(交

流 電 位 差 計)

 交 流 電 位 差 計 の 原 理 は直 流 と基 本 的 に は同 じ で あ るが,交 け で な く,周 波 数,位 相,波

流 の 場 合 は電 圧 だ

形 な どの影 響 の た め,平 衡 状 態 を得 る の は難 し い

こ と,直 流 の場 合 の標 準 電 池 の よ うな起 電 力 の標 準 が 交 流 で は得 が た い こ とな ど の た め,あ

ま り使 わ れ て い な い。

  [4] 

交流電圧測定時の注意

  (1)  入 力 イ ン ピー ダ ンス の 影 響   直 流 の 場 合 と同様 に,電 圧 計 の 入 力 イ ン ピー ダ ンス は被 測 定 回路 の イ ン ピー ダ ン ス よ り十 分 に高 い もの を選 ぶ 。   (2)  測 定 波 形 に よ る影 響   電 圧 計 は整 流 方 式 に よ って,平 均 値,波

高 値,実 効 値 に比 例 し た 指 示 が 得 ら

れ る が,目 盛 りは入 力 波 形 が 正 弦 波 で あ る と して,そ の実 効 値 で 目盛 っ て あ る。   表2・4は,各

種 の 波 形 を整 流 方 式 の 異 な る電 圧 計 に 指 示 さ せ た と きの 値 を示

した もの で あ る。   電 子 回 路,デ

ィ ジ タル 回路 に お い て は,各 部 の波 形 は必 ず し も正 弦 波 で は な

く,ひ ず み(distortion)の

大 きい 波 形 で あ る場 合 が 多 い 。 こ う した 波形 の 電 圧

を測 定 す る場 合 は,使 用 す る電 圧 計 に よ って,そ

の誤 差 が どの 位 で あ るか 知 っ

て お く必 要 が あ る。 表2・4  特 別 な波 形 を測 定 した ときの雷 圧 計指 示

*  いず れ も正 弦 波 の 実効 値 で 目盛校 正 を した場 合 の値

  (3)  微 小 電 圧 測 定 時 の 注 意   交 流 電 圧 の 測 定 に際 して 問 題 とな る の は各 種 の雑 音(noise)で

あ る。雑 音 源

に は,配 電 線 や 交 流 電 源 か らの商 用 電 源 周 波 数 お よび そ の 高 調 波,放

送電 波や

電 子 機 器 か らの 漏 洩 電 波 な どが あ る。  ①  静 電 結 合 対 策:測

定 器 と測 定 回 路 を接 続 す る リー ド線 に 静 電 シー ル ド線

を用 い,誘 導 源 か らで き る だ け離 す 。(図2・13参 照)

図2・13  静 電 結 合

 ②  電 磁 誘 導 対 策:誘

導源 か ら離 す,雑 音 源 や 信 号 源 に電 磁 シ ー ル ドを施 す,

リー ド線 を よ り合 わ せ る こ とな どの 方 法 が効 果 的 で あ る。 また 電 磁 シー ル ドを施 した シー ル ドル ー ム の 中 で 測 定 を行 う こ とが 必 要 な場 合 もあ る。

図2・14 

電磁誘導

 ③  コ モ ン モ ー ド雑 音 対 策:図2・15(a)の 位Ecを

よ う に被 測 定 信 号 源 に は 対 地 電

持 つ こ とが 多 く,計 測 器 の 入 力 端 子 に は, (2・8)

の大 き さ の雑 音 が 加 わ り測 定 誤 差 とな る。 この対 策 と して は,図2・15(b)

(a)コ

モ ン モ ー ド雑 音 図2・15 

(b)ガ コ モ ン モ ー ド雑 音 の 除 去

ー ドに よ る 除 去 法

の よ う に測 定 器 全 体 を シー ル ドす る ガ ー ド端 子Gを 音Enの

設 け,コ モ ン モ ー ド雑

影 響 を除 去 す る方 法 が あ る。

 ④  接 地 方 法 の 注 意:他 が あ る。(図2・16参

の電 子 機 器 と と もに で き る だ け一 点 接 地 を行 う必 要

照)

図2・16 

一 点接 地 法

  (4)  高 電 圧 の 測 定   商 用 周 波 数 の 交 流 の 高 圧 測 定 に は,直 接 測 定 法 と し て静 電 電 圧 計 を用 い る 方 法 と,図2・17や 図2・18に 示 す よ う な コ ンデ ンサ 分 圧 器 や 計 器 用 変 圧 器(PT: Potential

Transformer)を

は巻 線 比n2/n1を

用 い る方 法 が あ る。 電 圧 計 の読 み に分 圧 比nま

乗 じて,高 電 圧 を計 算 で 求 め る。

図2・17  コ ンデ ンサ 分圧 器

図2・18  計 器 用 変圧 器 の 原理

た

2・4    [1] 

電 流 計 と 検 流 計(電

流 の 測 定)

直 流 電 流 の測 定

  (1)  指 示 計 器 形 直 流 電 流 計   直 流 電 流 計 の代 表 的 な もの は可 動 コイ ル 形 で あ る。 これ は永 久 磁 石 の 中 に置 か れ た 可 動 コイ ル に電 流 を流 して 回転 トル ク を発 生 させ,制 御 ばね とバ ラ ン ス して 停 止 した指 針 の 振 れ 角(変 位)か

ら電 流 値 を読 み 取 る もの で あ る。

  図2・19に そ の動 作 原 理 を示 す。図 の よ う に,永 久 磁 石 の つ くる磁 束 密 度Bの 磁 界 の 中 に置 か れ た 可 動 コイ ル に測 ろ う とす る電 流Iを 部 分 に はIの 大 き さ に比 例 した電 磁 力Fが 密 度Bの

磁 界 中 に微 小 電 荷dqが

流 す と,コ イ ル の 垂 直

発 生 し,コ イ ル を回 転 させ る。磁 束

速 度υ でdSの

距 離 を運 動 す る と き,電 荷 に

は た ら く力dFは,

図2・19  可 動 コイ ル形 指 示計 器 の動 作 原 理

(2・9)

 し た が っ て,Fは

コ イ ル の 縦 の 寸 法 をaと

す る と,

(2・10)

  コイ ル の 巻 数 をn,そ

の横 の 寸 法 をbと

す る と,コ イ ル に はた ら く駆 動 トル

クTDは, (2・11)

  そ して コ イ ル に取 り付 け られ た制 御 用 バ ネ の 制 御 トル クTcと

バ ラ ンス す る

角 度 まで 回 転 して 止 ま る。制 動 装 置 の うず 巻 ば ね の制 御 トル ク は τを制 御 トル ク係 数,θ

を可 動 コイ ル の 回転 角 とす る と, (2・12)

で あ る 。 し た が っ て,Tc=TDか

ら,

(2・13)

とな り,コ イ ル の 角 度 θは電 流Iに 比 例 す る の で,コ イ ル に取 付 けた 指 針 の指 す 目盛 りを読 め ば よ い。   可 動 コ イ ル の 支 持 方 式 に は ピ ボ ッ ト(pivot)形

と トー トバ ン ド(toteband

)形 が あ る。 精 密 級 の もの は トー トバ ン ド形 が 用 い られ る。   可 動 コ イ ル 形 は交 流 用 も含 め,他 の トラ ン ス ジ ュー サ や 増 幅 器 な ど と組 み 合 わ せ て,測 定 値 の ア ナ ロ グ表 示器 と し て最 も多 く用 い られ て い る。   (2)  内 部 抵 抗 の 影 響   図2・20(a)に に 内部 抵 抗Rmの

示 す よ うな 回路 にお い て端 子 間 の 導線 を は ず し,(b)図

の よう

電 流 計 を接 続 し た とす れ ば, (2・14)

で あ る か ら,IOとImの

関 係 は,

(2・15)

(a)

(b)

図2・20  内部 抵 抗 の 負荷効 果

と な り,ImはIOよ

り小 さ く測 られ る。 これ を電 流 計 の 負荷 効 果 とい う。

  例 え ば 電 源 の 内部 抵 抗100Ω

の 回 路 に10Ω の 抵 抗 を もつ 電 流 計 を 接 続 す る

と,Im/IOは100/(100+10)=0.91と

な り接 続 前 の電 流 よ り9%も

少 な く測 定 さ

れ る。   電 流 計 の 内 部 抵 抗 は 挿 入 す る回 路 の 内 部 抵 抗 に比 して 十 分 に小 さ くす る こ と が 望 ま しい 。 交 流 の場 合 で も同様 で あ る。   (3)  大 電 流 の 測 定   50mA位

まで の 電 流 計 で は 直 接 コ イ ル に電 流 を流 す が,そ

の よ うな分 流 器(shunt)を

れ 以 上 は 図2・21

用 い る 。図 に お い て電 流 計 の 内 部 抵 抗 をRmと

すれ

ば 分 流 器 の 抵 抗RSは,

から (2・16)

が 得 られ る。   例 え ば 内部 抵 抗5Ω

の10mA電

流 計 で1Aを

図2・21 

分 流器 の 原理

測定す るための分流 器 は

Im=10mA,Is=(1000-10)mAで

あ るか らRS=(10/990)×5=0.0505Ω

とな

る。   [2] 

交 流 電流 の測 定

  (1)  指 示 計 器 形 交 流 電 流 計   指 示 計 器 形 交 流 電 流 計 に は電 圧 計 と同様 に 動 作 原 理 に よ り,可 動 鉄 片 形,電 流 力 計 形,整 1102)で

流計,熱

電 形,静 電 形,誘 導 形,な

ど に分 類 されJIS規

格(JIS

C

規 定 され て い る 。 そ の 一 覧 を 表2・2に 示 す 。

  (2)  大 電 流 の 測 定   数Aか

ら数 万Aの

交 流 の 大 電 流 の 測 定 に は,分

用 変 流 器(CT:Current

Transformer)が

流 器 で は な く主 と し て計 器

使 わ れ る。 図2・22の よ う に測 定 し

よ う とす る電 流 を一 次側 に流 し二 次側 に交 流 電 流 計 を接 続 す る。 電 流 計 に は 定 格5A程

度 の もの が 用 い られ る。 一 次 側 の 電 流 値 は 変 流 器 の巻 線 比n1/n2と

電

流 計 の 読 み か ら求 め られ る。 使 用 上 の 注 意 と して は,電 流 計 を接 続 し な い と き 二 次 側 端 子 は 短 絡 し て お く(絶 対 に 開路 に して は い け な い)こ

とで あ る。

図2・22  計 器 用 変 流器 の 原理

  [3] 

微 小電 流 の測 定

  (1)  検 流 計(galvanometer)  電 位 差 計 の ゼ ロ点 検 出 用 な ど,超 微 小 電 流 の 検 出 に 用 い る検 流計 に は直 流 用 と して は可 動 コ イ ル形,可

動 鉄 片 形 な ど,ま た 交 流 用 と し て は振 動 検 流 計 な ど

が あ るが,指

示計 器 同様 に可 動 コ イ ル形 が 最 もよ く使 わ れ て い る。 可 動 コ イ ル

形 計 器 の 指 針 の 代 わ りに 軽 くて小 さ な反 射 鏡 を つ け,別 の 光 源 か らの 光 の反 射 を見 て微 小 電 流 を検 出 す る もの を反 照 形 検 流 計 とい い,1nA程

度 の 電 流 を検 出

で き る。 光 源 か ら 目盛 に 当 た る 角 度 は反 射 鏡 の 振 れ 角 度 の2倍

と な り,精 度 が

向 上 す る。図2・23に そ の 構 造 を示 す 。 この構 造 は電 磁 オ シ ロ グ ラ フ の 振 動 子 に も用 い られ て い る。 検 出感 度 を減 らす に は 分 流 器 を用 い る。

図2・23  反照 形 検 流計 の構 造

  (2)  電 子 検 流 計   高 入 力 イ ン ピー ダ ンス の増 幅 器 と指 示 計 器 とを組 み 合 わ せ た もの で,高 感 度 で 取 扱 い も簡 単 な た め 広 く使 用 さ れ る よ う に な り,最 近 は検 流 計 の 主 流 に な っ て い る。 そ の 構 成 を 図2・24に 示 す 。

図2・24  電 子検 流 計の 構 成

  (3)  電 子 電 圧 計 に よ る電 流 測 定   一 般 に電 流 を測 る た め に は回 路 を切 断 しそ こ に電 流計 を挿 入 す るが,電

流計

の代 わ りに値 の わ か っ た抵 抗 を挿 入 し,そ の 両 端 の 電圧 を測 っ て も よ い。   図2・25で 回路 に流 れ る電 流 がIの VはV=I・RSと

な る か ら,I＝V/RSで

準 抵 抗 の 電 圧 降 下 を測 り10mVで

と き,挿 入 した標 準 抵 抗RSの

両 端 の電 圧

電 流 値 が 求 め られ る。例 えば1Ω

の標

あ る とす る と,求 め る電 流 値 は10 mAで

あ

る こ とが わ か る。 標 準 抵 抗 と電 子 電 圧 計 の組 み 合 わ せ は,実 際 に しば し ば行 わ れ て い る。

図2・25  電 子電 圧 計 に よる電 流 測定

  図2・20か ら もわ か る よ う に,挿 入 す る標 準 抵 抗 は被 測 定 回路 の 内 部 抵 抗 た比 べ 十 分 に 低 い値 で あ る こ とが望 ま し い。 直 流 の場 合 も同 様 で あ る。

2・5 

電 力 計(電

  [1] 

力 の 測 定)

直流 電 力の 測 定

  (1)  電 流 力 計 形 電 力 計 に よ る電 力 の 直接 測 定   計 器 の 内 部 抵 抗 に よ る誤 差 を減 らす た め に,一 般 に可 動 コ イ ル は,高 電 圧 低 電 流 の 場 合 は負 荷 側,低

電 圧 高 電 流 の 場 合 は電 源 側 に接 続 す る。

  (2)  電 圧 計 と電 流 計 に よ る電 力 の 間 接 測 定   電 圧 計 ・電 流 計 の接 続 は,そ の 内部 抵 抗 の 影 響 を考 慮 し,負 荷 抵 抗 の 大 き さ に よ り図2・26の よ う に行 う と よい 。   図(a)に

お い て,Raを

電 流 計 の 内部 抵 抗 値 とす る と,電 力Pは, (2・17)

(b)負 荷 抵抗 が 低 い とき の接 続 法

(a)負 荷 抵 抗 が 高 い と きの接 続 法

図2・26  電 圧 計 ・電 流計 に よ る直 流電 力 の 測定 と な る 。 ま た,図(b)で

は,Rυ

を 電 圧 計 の 内 部 抵 抗 値 とす る と, (2・18)

で あ る。   [2] 

交流 電 力 の測 定

  こ こ で は音 声 周 波 数 以 下(主 述 べ,力 率,無

に商 用 周 波 数)の 単 相 交 流 の電 力 測 定 につ い て

効 電 力 の 測 定 お よ び多 相 交 流 につ い て は省 略 す る。

  (1)  誘 導 形 電 力 量 計   電 力 量 の測 定 に は誘 導 形 電 力 量 計 を 用 い る。 これ は 交 流 用 電 力 量 計 の う ち最 も一 般 的 な形 式 で,家 庭 用 に も多 く用 い られ て い る。   構 造 的 に は上 下 一 対 の 鉄 心 コ イ ル と そ の 中 間 に水 平 に置 か れ た ア ル ミ 円板 と,そ の横 に 置 か れ 円板 を くぐ らせ た 永 久磁 石 か らな って い る。 上 部 の 鉄 心 コ イ ル は電 圧 巻 線,下

部 の 鉄 心 コ イ ル は電 流 巻線,そ

の 中 間 に 円板 を く ぐらせ た

馬 て い形 の永 久 磁 石 は 円 板 の制 動 装 置 に な っ て い る。   電 圧 巻 線 と電 流 巻 線 の 間 に は移 動 磁 界 が 発 生 し,誘 導電 動 機 の 原 理 に よ りア ル ミ板 は トル ク を受 け,駆 動 され る。 電 圧 巻 線 の電 圧 をV,電 I,磁 石 の磁 束 をΦ,力

流巻線 の電流 を

率 角 を φ とす る と,円 板 の 回転 角 速 度 ω は, (2・19)

と な る 。 こ こ にkは

定 数 で あ り,ω

は 有 効 電 力VIcosφ

に比 例 す る 。

  (2)  直 流 と同 様 に電 流 力 計 形 電 力 計 で 直接,交   (3)  3電 圧 計 法,3電

流 電 力 を測 定 す る

流計法

 図2・27の よ う に3つ の 電圧 計 また は電 流 計 を用 い て 電 力 の測 定 が で き る。図 (a)に 示 す 三 電 流 計 法 の 場 合,Rpを

既 知 とす る と,電 力Pは, (2・20)

図(b)の

三 電圧 計 法 の場 合,RSを

既 知 とす る と,電 力Pは, (2・21)

で あ る。

(a)三 電 流 計法

(b)三 電 圧 計法

図2・27  3個 の 電 流計 また は 電圧 計 に よ る交 流電 力の 測定

  (4)  電 子 電 力 計   a)  ホ ー ル効 果 電 力 計   これ は半 導体 の ホ ー ル効 果 を利 用 した もの で,そ   図2・28(a)に

お い て,磁 束 密 度Bの

の半 導 体 の 薄 板 に電 流Iを

磁 界 の中 に置かれ たゲ ルマ ニ ウム な ど

流 す と,a‐b間 にBとIの

生 す る。 これ が ホ ー ル 効 果 で,こ

の 原 理 を 図2・28に 示 す 。

積 に比 例 した 起 電 力 が 発

の現 象 を利 用 して磁 束,電 圧,電

流,電

力な

ど の測 定 が で き,ま た 二 乗 回 路 ・開平 回 路 もで き る。 構 造 も簡 単 な の で 用 途 は 広 い。

(b)電 力 測 定 回路

(a)ホ ー ル素 子 利用 基 本 回 路 図2・28 

  図 の(b)は

ホ ー ル効 果電 力計

電 力 測 定 の 原 理 で,電 流 成 分 で励 磁 し電 圧 成 分 で電 流 を流 す と,

a‐b間 に電 力 の実 効 値 に比 例 した直 流 成 分 が 得 られ るの で,そ み取 れ ば 電 力 計 と な る 。 この 方式 で10kHz位   b)  デ ィ ジ タ ル 精 密 電 力 計(時   これ は 時 分 割 掛 算 器(電

れ をメー タで読

まで の 電 力 測 定 が で き る。

分 割 掛 算 器 を用 いた 電 力 計)

気 的 パ ル ス 列 の 面 積 が パ ル ス 幅 とパ ル ス の高 さの 積

で あ る こ とを用 い た 掛 算機)と

デ ィ ジ タル 電 圧 計 と を組 み 合 わ せ た もの で,交

流 電 力 の 精 密 測 定 に適 して い る。 図2・29に その 原 理 を示 す 。   図(a)に

お い て 入 力Xは

パ ル ス幅 変 調 され て次 の よ う に な る。 (2・22)

一方

,S1と

連 動 し たS2で−Yと+Yを

切 り換 え る と,そ

の平均値 は (2・23)

とな る。 この 両 式 か ら (2・24)

した が っ てXYの

掛 算 が お こな わ れ た こ とに な り,Xに

電 圧 成 分,Yに

電流 成

(b)各 部 の波 形 の 関係

(a)回 路 構 成 図2・29  時 分割 掛 算器 に よる電 力 測定

分 を入 れ れ ば,EOは

電 力 を示 す こ と に な る。

  こ の 方 式 は高 精 度 が 得 られ るの で,EOの

値 を ア ナ ロ グ計 器 で 読 む よ りは デ ィ

ジ タル 電 圧 計 で 表 示 させ る ほ うが よ い。 この タ イ プ の もの は実 効 値 測 定 に な る の で,低 力 率 の ひ ず み 波 の 電 力 測 定 に 向 い て い る。 また 力 率 の 影 響 も少 な い の で 電 力 測 定 の 実 用 標 準 と し て も使 用 で きる。

2・6 

抵 抗 計(抵

  一 般 に1Ω ∼1MΩ

抗 の 測 定) の 抵 抗 を中 抵 抗 とい い,そ れ 以 下 を低 抵 抗,そ れ 以 上 を 高

抵 抗 あ る い は絶 縁 抵 抗 とい っ て い る。

  [1] 

直 流 抵抗 の 測定

  (1)  中 抵 抗 の測 定   a)  ホ イ ー トス トン ブ リ ッ ジ に よ る測 定   直 流 に対 す る抵 抗 の 値 を零 位 法 で 正 確 に測 定 す る の に ブ リ ッ ジ法 が あ る が, そ の 基 本 形 が 図2・30に 示 す ホ イ ー トス トン ブ リ ッ ジで あ る。図 に お い て抵 抗 値 の わ か っ た 他 の3辺

の 抵 抗R1,R2,R3を

加 減 し,検 流 計Gに

態 とす る。 これ を平 衡 状 態 とい い,a点

電 流 が 流 れ な い状

とb点 の電 位 は等 し い。 この と き は (2・25)

で あ る。 こ の両 式 か ら (2・26)

と な り,未 知 の 抵 抗 値 は (2・27)

で 求 め られ る。   Rxを

求 め る に は,R3を

変 化 させ て

ブ リ ッ ジ の 平 衡 を と り,そ R1/R2の

の 値 に

比 を 掛 け れ ば よ い 。R1/R2は

比 例 辺 と呼 ば れ,実

そ の 比 の 値 は1,10,100,あ 呼 ば れ るR3も

図2・30 

ホ イ ー トス ト ン ブ リ ッ ジ

際 の ブ リ ッジ で は

る い は0.1,0.01に

作 られ て い る。 また 測 定 辺 と

使 い や す い よ う に4桁 程 度 の ダ イ ヤ ル 式 デ ィケ ー ド抵 抗 と な っ

て お り,電 源 と検 流 計 も内 蔵 され て い る。   b)  回 路 計(テ

ス タ)に

よ る抵 抗 測 定

  テ ス タ は 内蔵 の 電 池 と電 流 計 に よ る簡 易 測 定 と して,中 抵 抗 の 測 定 あ る い は 導 通 試 験 な どに よ く用 い られ る。図2・31に その 原 理 を示 す。図 に お い て,ま ず 測 定 端 子 を破 線 の よ う に短 絡 し,零 調 整 の つ まみRSを

加 減 し,メ ー タ の 指 針 を

フル ス ケ ー ル に合 わ せ る。 次 に測 定 す る抵 抗 を接 続 し指 針 の振 れ か ら抵 抗 値 を 読 取 る。零 調 時 の 電 流 をIO,測 定 時 の電 流 をIrと れ ば,

しメ ー タの 内部 抵 抗 を無 視 す

(a)零

図2・31 

調整

回 路 計(テ

(b)測

ス タ)に

定

よ る抵 抗測 定

(2・28) で あ る か ら, (2・29)

とな り,RxはIO/Irに の半 分 の 時 はRx=RSと

比 例 して 求 ま る が,目 盛 りは逆 数 目盛 り とな る。IrがIO な り,こ れ が 目盛 りの 中 央 値 とな る 。測 定 時 に は指 針 の

振 れ が 中 央 目盛 り以 上 に な る よ うな レ ン ジ を選 ぶ と よ い。   c)  デ ィジ タ ル 抵 抗 計 に よ る 中抵 抗 の測 定   デ ィ ジ タ ル抵 抗 計 は図2・32の よ う に内 蔵 の 定 電 流 電 源 とデ ィ ジ タル 電 圧 計 を組 み合 わ せ た構 造 とな っ て い る。 測 定端 子 に被 測 定 抵 抗 を接 続 し電 源 部 か ら 供 給 さ れ る定 電 流 に よ る抵 抗 の 電 圧 降 下 を,デ ィ ジ タ ル 電 圧 計 で 読 み取 る よ う に し た もの で あ る。 中 抵 抗 の 測 定 で は二 端 子 法 で もよ い 。 図2・32に お い てRx に 流 す 一 定 電 流Iが1mA,電 1kΩ

圧 計 の 読 み が1Vの

場 合Rx=1/1×10-3=

とな る。

図2・32  デ ィ ジ タル抵 抗 計に よる抵 抗 の測 定

  こ の 方 法 は測 定 レ ン ジ に よ って 電 流 が 決 ま っ て い る の で,ダ

イ オ ー ドや サ ー

ミス タ な ど の よ う な,流 れ る電 流 の大 き さ に よ っ て 抵 抗 値 が 変 化 す る もの(非 直線 抵 抗)を

測 定 す る と きに は,レ ン ジ の 選 択 に 注意 す る必 要 が あ る。

  (2)  低 抵 抗 の測 定   a)  ダ ブ ル ブ リ ッ ジ に よ る測 定  mΩ 台 の低 抵 抗 を 測 定 す る に は,接 触 抵 抗 や リー ド線 の 抵 抗 な どの 影 響 に つ い て 考 慮 しな け れ ば な ら な い。 ダ ブル ブ リ ッ ジ は これ らの 影 響 を除 去 す る もの で,0.1mΩ

∼100Ω を0.03%程

度 の 正 確 さで 測 定 で き る。 図2・33に そ の原 理

を示 す 。

図2・33 

  図 に お い て,そ P1,P2,C1,C2で

れ ぞ れRSは 示 す),Rxは

の 和 と す る と,R1/R3=R2/R4の

ダ ブル ブ リッ ジ

標 準 抵 抗(そ

の 電 圧 端 子,電

測 ろ う と す る 低 抵 抗,rを と き,平

流端 子 をそれ ぞれ

リ ー ド抵 抗 や 接 触 抵 抗

衡 条 件 は, (2・30)

で あ る。   b)  デ ィ ジ タ ル 抵 抗 計 に よ る低 抵 抗 の 測 定   低 抵 抗 を測 定 す る に は,被 測 定 物 を測 定 器 に接 続 す る際 に,接 触 抵 抗 や リー

ド線 の 抵 抗 に よ る誤 差 を な くす た め に,図2・34に 示 す よ うな4端 子 法 に よ り測 定 す る。この 方 法 は 接 続 す る際 の接 触 抵 抗 や リー ド線 の抵 抗r1,r2に は電 流 が 流 れ な い た め に電 圧 降 下 は な く,そ れ に よ る誤 差 は 除 去 され る。   また,接 触 点 にお け る 熱 起 電 力 や 接 触 電 位 差 に よ る誤 差 を除 去 す る に は,電 流 の 方 向 を反 転 させ て二 回 測 定 して 平 均 を とる と よい 。

図2・34  デ ィジ タル 抵抗 計 に よる4端 子 抵 抗 測定

  (3)  高 抵 抗 や 絶 縁 抵 抗 の 測 定   a)  絶 縁 抵 抗 計 に よ る測 定   古 くは メ ガ ー(megger)と れ た もの で,発 電 機 式(JIS

呼ば

と電 池 式(JIS

C 1302)が

C 1301) あ る。 代

表 的 な も の は 測 定 電 圧500Vで100 MΩ

まで の絶 縁 抵 抗 が 測 れ る もの

で,電 気 機 器,電

気 配 線,電

気部 品

な どの絶 縁 試 験 に 広 く用 い られ て い る。図2・35に そ の外 観 を示 す。デ ィ ジ タ ル 表 示 の もの も あ る 。

図2・35 

メ ガー

  b)  超 絶 縁 抵 抗 計 に よ る測 定   これ は直 流 電 圧 を被 測 定 物 に か け,そ れ と直 列 に 入 れ た値 の わ か っ た抵 抗 器 に生 じ る微 小 電 圧 を増 幅 指 示 させ る こ とに よ り,超 高抵 抗 を測 定 す る もの で あ る。 図2・36(a)に

そ の 原 理 を示 す。 図 に お い て,抵 抗Rxの

定 電 圧 を印 加 し,そ こに流 れ る微 小 電 流 を高 抵 抗RSで 入 力 抵 抗 の 電 圧 計 で 読 む。RSがRxとrlに り,ESを 測 れ ばES≒iSRS,is≒EO/Rxか

受 け,そ の電 圧 降 下 を高

対 し十 分 に 小 さ け れ ば,is≒ixと

な

ら被 測 定 抵 抗 値RxはRx≒EORS/ESで

求 ま る。ア ナ ロ グ 指 示 計 器 の場 合 は逆 数 目盛 とな るが,CPUを を して デ ィ ジ タ ル表 示 とした もの も あ る。 図2・36(b)に 法 で 印 加 電 圧1000Vの

絶 縁 物 に直 流 の一

内 蔵 し逆 数 計 算

そ の例 を示 す。 この 方

場 合,1016Ω の 程 度 の超 高 抵 抗 が 測 れ る の で,絶 縁 材 料

な どの 絶 縁 抵 抗 の測 定 に 用 い られ る 。

(a)測 定 原 理 図

(b)製 品例 図2・36  超絶 縁 抵 抗計

  さ ら に 高 抵 抗 を測 るた め,図 のRSを

さ らに 高 抵 抗 と し電 圧 計 も さ らに 高 入

力 抵 抗 の振 動 容 量 電 位 計 を 用 い て1018Ω まで 測 れ る もの も あ る。  超 高 抵 抗 の 測 定 に は次 の よ うな 注 意 が必 要 で あ る。  ①  板 状 試 料 の体 積 抵 抗 や ケ ー ブル の絶 縁 抵 抗 を測 定 す る場 合 に は,図2・37 の よ う に,ガ ー ド端 子 を 用 い て 表 面 漏 れ電 流 の 影 響 を除 去 す る。  ②  接 続 ケ ー ブ ル に は低 雑 音 ケ ー ブ ル を 用 い て 摩 擦 電 気 の 影 響 を少 な くす る。  ③  被 測 定 物 に並 列 容 量 が あ る と充 電 電 流 に よ る誤 差 が 生 じ るの で,並 列 容 量 を十 分 充 電 して か ら測 定 をす る。

(a)板 状 の 体 積 固有 抵 抗値 の 測定 図2・37 

  [2] 

(b)電 線 の絶 縁 抵 抗 測定 ガ ー ド端 子 の 使 用 例

交 流 抵 抗 の 測定

  (1)  中 抵 抗 の 測 定  前 述 の ホ イ ー トス トン ブ リ ッジ は,測 定 精 度 に影 響 の な い範 囲 で交 流 ブ リ ッ ジ と して も使 う こ とが で き る。図2・30の 各 抵 抗 器 は純 粋 な抵 抗 器 で は な くイ ン ダ ク タ ン スや 分 布 容 量 が あ るた め,こ れ らの 影 響 に よ る誤 差 が 発 生 して 高 周 波 で は使 え な い。 交 流 用 ホ イ ー トス トンブ リッ ジ は交 流 で も使 え る よ うに 各 素 子

の構 造 に工 夫 を こ ら した もの で 通 常1kHz付 か に標 準 コ ンデ ンサ も内 蔵 しLCRブ

近 で使 わ れ て い る。標 準 抵 抗 の ほ

リ ッ ジ,万 能 ブ リ ッ ジ と呼 ば れ て い る も

の もあ る。   (2)  低 抵 抗 の 測 定   リ レー,ス イ ッチ,コ ネ ク タ な どの 接 触 抵 抗 の測 定 に は,図2・38の 点 抵 抗 計 が 用 い られ る。 これ は熱 起 電 力 の影 響 を除 去 す るた め,1kHzの

よ うな 接 交流

で 測 定 す る。 直 流 の 場 合 と同様 に低 抵 抗 の測 定 は リー ド線 の 抵 抗 の影 響 を 除 く た め4端 子 法 で の 測 定 が 必 要 で,接 続 が 容 易 な よ うな ク リ ップ付 きの もの あ る。 図 に お い て,被 測 定 物 に 一 定 電 流iを はRX=υ/iと

流 し そ の電 圧 降 下υ を測 定 す れ ば抵 抗 値

して 求 め られ る。測 定 電 流 を流 す こ とに よ る接 点 の状 態 を変 化 さ

せ な い た め に,測 定 電 圧 は50mVp‐p以

下,電 流 は1A以

計 さ れ て い る。 また,交 流 測 定 で あ るた め,例 木 製 の 台 な どで10cm以

下 で 測 定 す る よ う に設

え ば金 属 板 上 で 測 定 す る と き は

上 金 属 板 か ら離 す な ど,回 路 の イ ンダ ク タ ンス の 影 響

に も注 意 を要 す る。

(a)接 点 抵 抗 計 の 原理

(b)接 点 抵 抗計 の 例 図2・38  接 点 抵抗 計

  (3)  特 殊 な 抵 抗 の測 定   a)  液 体 抵 抗 の 測 定   液 体 抵 抗 は 普 通,図2・39に (Kohlrausch

bridge)を

示 す よ うな 回 路 の コー ル ラ ウ シ ュ ブ リ ッジ

用 い,液 体 を電 極 に入 れ て1kHz位(可

聴 周 波 数)の

交 流 電 圧 で 測 定 す る。 これ は 直 流 で 測 定 す る と分 極 作 用 を 生 じる た め で あ る。 また,イ

ヤ ホ ン を使 い聴 覚 に よ りゼ ロ点 を 知 り平 衡 条 件 を判 定 で き る。 液体 抵

抗 は 温 度 係 数 が 大 き いた め測 定 時 の 室 温 を 記 録 して お く と よい 。  平 衡 条 件 の も とで は, (2・31)

図2・39 

コ ー ル ラ ウ シ ュ ブ リッ ジ に よ る 液 体 抵 抗 の 測 定

  b)  接 地 抵 抗 の 測 定   変 圧 器 な ど の電 気 機 器 は接 地 が 必 要 で,接

地 抵 抗 は あ る値 以 下 に す る よ う定

め られ て い る。図2・40に 示 す よ うに 接 地 抵 抗 計 は接 地 線 の 接 地 抵 抗 を測 る もの で あ るが,2本 の 補 助 接 地棒 を直 線 上 に5∼10mの

間 隔 で 打 ち 込 み,大 地 で生 じ

る分 極 作 用 を除 くた め 交 流 で 測 定 す る。 接 地 抵 抗 計 の規 格 はJIS 定 さ れ て い る。 い ま抵 抗RSを る よ う平 衡 を とれ ば,Vx=RSnIと

C 1304で 規

調 節 して 交 流 電 流 計 ま た は検 流 計Gが

ゼ ロ とな

な る の で,接 地 抵 抗Rxは, (2・32)

と な り,RSの

値 か ら直 読 で き る。

(a)接 地 抵 抗 計 の 回路

(b)接 地 抵 抗 計 の 外 観 図2・40  接地 抵 抗 計

2・7 

イ ン ピ ー ダ ン ス 計(イ

ン ピ ー ダ ン ス の 測 定)

  イ ン ピー ダ ン ス は,交 流 に対 す る純 抵 抗,イ シ タ ン ス(コ

ン デ ンサ)の3要

抗 の測 定 は2.6節[2]に   [1] 

ンダ ク タ ン ス(コ

イ ル),キ

ャパ

素 が あ り,通 常 は そ の 組 み 合 わ せ で あ る。 純 抵

述 べ た の で,こ

こで は省 略 す る。

交流 ブ リ ッジ に よ る測 定

  交 流 ブ リッ ジ に は 数 十 種 あ るが,実

際 に測 定 器 と し て使 わ れ て い る の は わ ず

か で あ る。図2・30に そ の 代 表 例 を示 す 。交 流 電 源 に1kHz位

の可聴周 波 を用い

る と,検 出 器 は イ ヤ ホ ン で人 間 の 聴 覚 に よ り,音 量 ゼ ロで 平 衡 を検 知 で き る。   交 流 ブ リッ ジ の使 用 に 当 た っ て は 次 の よ う な 注意 が 必 要 で あ る。   (1)  接 地 の 問 題   ①  測 定 端 子(ブ

リ ッジ の 未 知 辺)は

アー ス か ら浮 い て い るか,片

線接地 か

を調 べ る。 一 般 に は浮 い て い る ほ うが 望 ま しい 。   ②  被 測 定 物 は ア ー ス か ら浮 い て い るか,ま

た 浮 か せ られ るか を知 る。 測 定

端 子 が 浮 い て い る とき に は 片 線 接 地 の もの を接続 で き な い が,浮 て い れ ば測 定 で き る。

か せ られ

(a)直

列 抵 抗 ブ リッ ジ (Cとtanδ

(c)マ

(b)シ

の 一 般 測 定 用)

クス ウェ ル ブ リッジ (L-C) (LxとRxの

ェ ー リン グブ リ ッ ジ (Cとtanδ

の 精 密 測 定 用)

(d)Lxと ρxの 等 価 回 路 で あ らわ され る とき

直 列 等 価 回 路)

図2・41 

 ③  発 振 器(OSC),検

ブ リッジの 代 表例

出器(DET)を

含 め一 点 接 地 を す る。

 (2)  そ の 他 の 誤 差 要 因 へ の 対 策  ①  電 磁 誘 導 に対 して は,配 線 の ル ー プ を な くす,ト

ラ ンス の シ ー ル ドを厳

重 にす る,な

ど を考 慮 す る。

  ②  直 接 容 量 結 合 に対 して は,シ ー ル ド線,シー

ル ド板 の 使 用 な ど を考 慮 す

る。   [2] 

変 成器 ブ リッジ

  変 成 器 ブ リッ ジ は 交 流 ブ リッ ジ の 中 で は,構 造 が簡 単 で,対 地 イ ン ピー ダ ン ス の影 響 もな い,バ

ラ ン ス が 取 りや す い,高 精 度 の ものが 得 や す い,測 定 範 囲

が 広 く取 れ る,測 定 の 自動 化 が しや す い,な

どの 特 長 が あ り,最 近 見 直 され て

きた 。   従 来 は微 小 容 量 の 測 定 な ど に用 い られ て い た が,回 路 をわ ず か に 変 更 す れ ば イ ン ダ ク タ ンス の測 定 も同様 にで き る。 図2・42に そ の動 作 原 理 を,図2・43に 自動 平 衡 式 の 変 成 器 ブ リ ッジ の 回 路 と外 観 を示 す 。図 に お い て,E1とE2と 整 し て(ト

ラ ンス の 巻 線 比 を 変 化 さ せ て)ブ

を調

リ ッジ の平 衡 を と る と,次 式 が成

立 しCx,ρxが 求 ま る。 (2・33)

図2・42 

変成 器 ブ リッ ジの 原理

(a)回 路 説明 図

(b)製

品例

図2・43  自動 平衡 式 変 成器 ブ リッ ジの 例

  [3] 

LCRメ

ー タ,イ

ン ピ ー ダ ン ス メ ー タ に よ る測 定

  これ らの 計 器 を用 い て行 う測 定 は,ブ 動 化 し,平 衡 条 件 か らZ,L,C,Rな りZ,L,C,Rを

リ ッジ測 定 法 で の平 衡 を取 る作 業 を 自

ど を求 め る か,あ る い は,電 圧 電 流 計 法 に よ

求 め る もの で あ る。デ ィジ タル 電 圧 計 を 内蔵 し,高 精 度 の測 定 が

で き る。 図2・43も そ の 一 例 で あ る。

  [4]    Qメ

Qメ

ー タ に よ る測 定

ー タ はMHz帯

で の 電 子 部 品 の特 性 をQ(Q=ωL/Rま

た は1/ωCR)の

値 で測 定 す る もの で,簡 便 な測 定 器 で あ る が精 度 はあ ま り高 く はで き な い(Q の正 確 な 標 準 器 が な い た め)。 しか し それ に代 わ る良 い測 定 器 もな い の で,よ く 使 わ れ て きた 。   そ の 原 理 を 図2・44に 示 す 。図 にお い て,測 定 し よ う とす る コ イ ル を測 定 端 子 に接 続 し,発 振 器 を所 望 の 周 波 数 に設 定 し,抵 抗rに と きrに

は電 圧eが

発 生 す る),Cを

e/Rxの 電 流 が 流 れ る(こ の と きrが 端 の電 圧 をEcと

一 定 電 流iを

流 し(こ の

回 し て 同 調 を取 る と共 振 回 路 に はI= 十 分 に小 さ くeは

一 定 とす る)。Cの

両

す る と, (2・34)

とな る。 コイ ル の 良 さ は

と定 義 され る か ら (2・35)

と な りEcを

測 る こ と に よ っ てQを

図2・44 

求 め る こ とが で き る。

Qメ ー タ の 原 理

2・8  オ シ ロ ス コ ー プ と オ シ ロ グ ラ フ(波

形 の 観 測 と 記 録)

 電気量 の時 間的変化(波 形)を 観測 ・記録 す るた めに,低 周 波用 に はペ ン書

き オ シ ロ グ ラ フ(oscillograph),電 (Braun

tube)オ

磁 オ シ ロ グ ラ フ,高

シ ロ ス コ ー プ(oscilloscope)等

測 ・記 録 装 置 に つ い て は 表2・5に

周 波 用 に は ブ ラ ウ ン管

が 用 い られ る。 各 種 波 形 観

ま とめ て い る。

表2・5  波 形 の 観 測 ・記 録 装 置一 覧

  [1] 

ペ ン書 きオ シ ロ グ ラ フ

  代 表 的 な もの は,可 動 コ イ ル形 指 示 計 器 の 指 針 の 先 端 に取 り付 け ら れ た ペ ン で,記 録 紙 上 に電 気 信 号 を記 録 す る形 式 の もの で あ る。 入 力 レ ン ジ切 換 器,増 幅 器 と,ペ ン の駆 動 部 に十 分 な トル ク を 得 る た め に 強 力 な磁 石 を使 用 した ペ ン モ ー タ部 で 構 成 さ れ て い る もの が 多 く,数mV∼

数10V,DC∼100 

Hz程

度の

電 気 信 号 の 観 測 と記 録 が で き る。   ペ ン書 き オ シ ロ グ ラ フ は電 磁 オ シ ロ グ ラ フ に比 べ 応 答 速 度 が遅 いが 記 録 紙 は

安 価 な もの が 多 い の で,低 速 現 象 の長 時 間 記 録 に 向 い て い る。1チ ャネ ル 当 た り の 記 録 幅 は狭 い の で 多 チ ャネ ル 化 が容 易 で あ り,多 現 象 を 同 一 記 録 紙 上 に並 列 に記 録 す る方 式 が 多 い。   記 録 方 式 に は カ ー トリ ッ ジ式 パ イ プ ペ ン,デ ィ ス ポ ー ザ ブ ル フ ェ ル トペ ン な どの ほ か,感 熱 式,放   [2] 

電 式,イ

ン ク ジ ェ ッ ト式 と多様 で あ る。

電 磁 オ シ ログ ラ フ

  (1)  電 磁 オ シ ログ ラ フの 概 要   これ は振 動 子 と よ ばれ る可 動 コ イル 形 検 流計 に取 付 けた 反 射 鏡 に水 銀 灯 か ら の光 を 当 て,電 気 信 号 に応 じた 反 射 光 の振 れ を感 光 紙 に照 射 して 波 形 を記 録 す る方 式 で あ る。振 動 子 は 高感 度 で 小 形 化 が 可 能 な た め 多 チ ャ ネ ル の もの も多 く, 応 答 周 波 数 もペ ンモ ー タ に比 べ 高 い(数kHzま

で 可 能)の

で,高

速現 象 の波

形 の 観 測 ・記 録 が で き る。   図2・45に 示 す よ う に 電 磁 オ シ ロ グ ラ フ の 原 理 は 可 動 コ イ ル 形 検 流 計 の 応 用 で あ る。 図 に お い て磁 界 中 お か れ た 可 動 コ イル(検 し可 動 部 と一 体 に な っ た 反 射 鏡 に光 を当 て,そ

測定信 号電流 を流

の光 点 の動 き を感 光 紙 に記 録 す

る。 多 チ ャ ネ ル で あ っ て も光 は交 差 で き る ので,記

図2・45 

流 計)に

録 紙 の幅 い っ ぱ い に振 らせ

電磁 オ シロ グ ラフの 原 理

記 録 す る こ とが 可 能 で あ る。この 検 流 計 は振 動 子 と呼 ばれ,3.3μA/mmの 度(た

だ し100Hz程

mA/mm)ま

度 ま で)の

も の か ら3500Hzの

高 周 波 用(た

高感 だ し2.8

で 各 種 あ る の で 目的 に合 っ た もの を選 ぶ 。感 光 紙 は 高 価 な の で ラ

ン ニ ン グ コ ス トは 高 い。   (2)  使 用 上 の 注 意   ①  振 動 子(ガ

ル バ ノ メ ー タ)の 選 択 に は入 力 信 号 の レベ ル,周 波 数,波 形

を 考 慮 して適 切 な もの を選 ぶ こ と。 方 形 波 や 過 渡 現 象 を記 録 す る時 に は 測 定 周 波 数 の5∼10倍

高 い 応 答 周 波 数 の もの を選 ぶ と よ い。

  ②  記 録 紙 は紫 外 線 感 光 紙 が 多 く使 わ れ て い る。 これ は特 に 現 像 の必 要 は な い が 長 期 保 管 の た め に は定 着 処 理 を した 方 が よい 。   [3] 

感熱 式 オ シ ログ ラ フ

  これ は入 力 信 号 波 形 をA-D変

換 し,内 蔵 コ ン ピ ュ ー タ で 処 理,サ ー マ ル ラ イ

ン ヘ ッ ドを加 熱 し,記 録 用 感 熱 紙 を熱 して 波 形 を記 録 す る もの で あ る 。 こ の 方 式 は,周 波 数 特 性,操

作 性,整

備 性 に優 れ て い る の で,ペ

ン書 きや 電 磁 オ シ ロ

ス コ ー プ に とっ て代 わ り,低 周 波 信 号 の 記 録 器 の 主 流 と な りつ つ あ る 。   そ の外 観 を図2.46に

示 す。

図2・46 

  [4] 

オ シ ロ ス コ ー プ(ブ

感 熱式 オシ ロ グラ フの 例

ラ ウ ン 管 オ シ ロ ス コ ー プ)

  これ は電 子 計 測 の基 本 的 な 測 定 器 の一 つ で,入 力 信 号 波 形 を ブ ラ ウ ン管 あ る い は陰 極 線 管(CRT:Cathode-Ray

Tube)上

で 観 測 す る も の で,非 常 に広 い

周 波 数 範 囲 で使 用 さ れ て い る。 そ の 回路 構 成 を 図2・47に 示 す 。

図2・47 

  (1) 

トリガ 掃 引 オ シ ロス コー プ

  シ ン ク ロ ス コー プ(商 標 名)と 幅 器,掃

オ シ ロス コー プ の 回路 構 成

引 発 信 器,ト

も呼 ば れ,CRTを

中 心 に水 平 増 幅 器,垂 直 増

リガ 回 路 で構 成 され て い る。

  波 形 観 測 の 原 理 を 図2・48に 示 す 。垂 直 軸 に は 入 力 信 号 を入 れ,増 幅 器 を通 し て垂 直 偏 向版 に印 加 す る。 同 時 に,入 力 信 号 の立 上 り部 分 で トリガパ ル ス を作 り,そ の パ ル ス で 掃 引 発 信 器 を作 動 さ せ,水 平 軸 に の こ ぎ り波 を加 え る とCRT 上 に 波 形 が 表 示 され る。CRTに MHz位

は機 械 的 な 可 動 部 分 が 全 くな い た め,DC∼500

まで の非 常 に広 い周 波 数 範 囲 で使 用 で きる 。

図2・48  トリガ同期 方 式 の 原理

  (2)  オ シ ロス コ ー プ の 用 途   オ シ ロ ス コ ー プ は波 形 観 測 の ほ か 電 圧,周

波 数,時 間(例

え ば パ ル ス波 形 の

立 上 り時 間),位 相,雑 音,単 発 現 象 の観 測 な どに用 い られ る 。この 機 能 に よ り, 電 圧 に換 算 され れ ば,い

ろい ろ な物 理 現 象 の 波 形 が観 測 で き る。

  (3)  オ シ ロス コ ー プ 使 用 上 の 主 な 注 意   a)  パ ル ス波 な ど高 次 の 高 調 波 を 多 く含 ん で い る 波 形 の観 測 に は,十 分 に 広 い周 波 数 帯 域 幅 を も った もの を選 ぶ 。 オ シ ロ ス コ ー プ の 仕 様 に 定 め られ て い る 周 波 数 帯 域 とは 図2・49の よ う に増 幅度 が3dB下 以 上 の 周 波 数 の 電 圧 を測 定 す る と30%以 外(例

が る周 波 数 の 幅 をい う。 これ

上 の誤 差 が 出 る。した が っ て正 弦 波 以

え ばパ ル ス 波 な ど)の 測 定 に は,そ れ に 含 まれ る 高 調 波 成 分 を考 慮 す る

必 要 が あ る。

図2・49 

オ シロ ス コー プの 周 波数 帯 域

図2・50 

オ シ ロ ス コー プ の 立 上 り 時 間

  b)  パ ル ス の立 上 り時 間 の 測 定 に は,観 測 波 形 の立 上 り時 間 の1/3∼1/4以 下 の立 上 が り時 間 の オ シ ロス コ ー プ を用 い る。   オ シロ ス コー プ に 方 形 波 を加 え た と き,CRT上 立 上 りの遅 れ た 波 形 と な る 。図2・50のTrを の オ シ ロ ス コー プ で 立 上 り時 間Tsの 上 り時 間Ttは

に観 測 され る波 形 は これ よ り

立 上 り時 間 とい う。立 上 り時 間Tr

波 形 を観 測 す る とCRT上

の見 か けの立

次 の よ う に な る。 (2・36)

  した が っ て 観 測 す る パ ル ス 波 形 の 立 上 りよ り3∼4倍 ロ ス コー プ で あ れ ば数%以

以 上 早 い 立 上 りの オ シ

下 の誤 差 で 立 上 り時 間 を測 定 で き る。

 オ シ ロ ス コー プ の立 上 り時 間Trと

周 波 数 帯 域Frの

間 に は次 の 関 係 が あ る。 (2・37)

  C)  オ シ ロ ス コ ー プ を接 続 す る こ とに よ る負 荷 効 果 を最 小 限 にす る た め,入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス に は 十 分 な注 意 を払 う。   一 般 の電 圧 測 定 と同様 に,オ

シ ロ ス コ ー プ を接 続 す る こ とに よ っ て 回路 に 負

荷 効 果 を与 え る と,正 確 な測 定 が で き な くな る。 そ こで オ シ ロス コー プ の 入 力 イ ン ピー ダ ン ス を 高 め る 方 法 と して 図2・51の よ う な プ ロ ー ブ(probe)を

使

用 す る。

(a)接

続図

(b)等 価 回路 図2・51 

  図 に お い て10:1の

オ シ ロ ス コ ー プ 用 プ ロー ブ

プ ロ ー ブ と す る に はR1=9Ro,C1=(1/9)Coと

れ に よ り見 か け上 の10倍

の 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス と な る(た

す る。 こ だ し感 度 は1/10に

な る)。使 用 に 際 し て は オ シ ロ ス コ ー プ 内 蔵 の 校 正 用 方 形 波 電 圧 を プ ロ ー ブ に 加 え,観

測 波 形 が 方 形 波 に な る よ う(Co:C1が9:1に

コ ン デ ンサ を調 整 す る。

な る よ う に)プ

ロー ブ の

  プ ロ ー ブ の 入 力 波 形 が オ シ ロ ス コ ー プ で 忠 実 に測 定(再 は,等 価 回 路 でZ1とZoの した が っ て,Ciが

比(分

現)さ

れ るた め に

圧 比)が 純 抵 抗 性 とな る こ とが必 要 で あ る。

無 視 で きれ ば, (2・38)

で あ る。  入 力 信 号 の 周 波 数 が 高 くな る と,図 のC1な

どの 並 列 容 量 の た め に入 力 イ ン

ピー ダ ンス が 下 が る の で 注 意 を要 す る。   (4)  サ ンプ リン グ オ シ ロス コー プ   数 百MHz以

上 の繰 返 し波 形 観 測 に は,サ

ン プ リ ン グ 変 換 に よ り周 波 数 を

下 げ て観 測 を行 うサ ン プ リ ン グオ シ ロ ス コー プ が 用 い られ る。   サ ン プ リ ン グ オ シ ロ ス コー プ は図2・52の よ う に連 続 した 繰 り返 し入 力 波 形 1の 各 点 を ト リガ パ ル ス2を 基 準 に,わ ず か(Δt)ず つ 位 相 をず ら し な が らサ ン プ リ ン グパ ル ス3の

タ イ ミ ング に よ っ て サ ン プ リ ン グヘ ッ ドで サ ン プ ル ホ ー ル

ドして 入 力 波 形1に 相 似 の低 周 波 の波 形4に 変 換 し,そ れ をCRT上 る もの で あ る 。 この 変 換 に よ り10数GHzま

図2・52 

での観測 がで きる。

サ ンプ リン グ回路 の動 作 原理

  入 力信 号 は サ ン プ リ ン グ ダ イ オ ー ドブ リッ ジ に加 え られ るが,こ 最 大2V位

で観測 す

の耐電圧 は

で あ る の で,過 大 入 力 は も ち ろ ん静 電 気 に よ る破 壊 に も十 分 気 を配

り,ダ イ オ ー ドを保 護 す る よ う注 意 しな けれ ば な らな い。   最 近 の サ ン プ リン グ オ シ ロ ス コ ー プ はア ナ ロ グ式 の もの か ら デ ィ ジ タ ル 方 式 の オ シロ ス コ ー プ に とっ て 代 わ られ つ つ あ る。

  (5)  ス トレー ジ オ シ ロ ス コ ー プ   単 発 現 象 や低 速 現 象 を観 測 す る に は ス トレー ジ 機 能 を もっ た 特 殊 なCRTを 利 用 した ス トレー ジオ シ ロ ス コー プ(strage   ス ト レー ジCRTに

oscilloscope)が

は メ ッ シ ュ ス トレー ジCRTと

用 い られ る。

蛍 光 体 ス トレ ー ジCRT

の2種 類 が あ る。蓄 積 時 間 は メ ッ シ ュ形 で1時 間 か ら1週 間 位,蛍 光 体 形 で1時 間 程 度 で あ る。 記 録 で き る周 波 数 は仕 様 に定 め られ て い る書 き込 み速 度 で 決 ま る(例

え ば100cm/μs)。

  ス トレー ジCRTの

メ ッ シ ュ や 蛍 光 体 は 電 子 の衝 突 に よ っ て焼 損 しや す い の

で,輝 度 を上 げ過 ぎ な い よ う注 意 しな け れ ば な らな い。   この 分 野 も最 近 は現 象 を メ モ リに蓄 積 し て表 示 す る デ ィジ タ ル オ シ ロ ス コー プ が 主 役 に な っ て き て い る。 これ に つ い て は第3章

2・9    [1] 

周 波 数 計 お よ び 周 波 数/時

で 述 べ る。

間標 準

周 波 数 の測 定

  (1)  指 示 電 気 計 器 に よ る周 波 数 の 測 定   商 用 周 波 数 の付 近 で は表2・1に あ る よ う な振 動 片 形 計 器 や トラ ン ス ジ ュ ー サ 付 きの 可 動 コ イ ル形 計 器 が 用 い られ る。   (2)  オ シ ロス コ ー プ に よ る測 定   ブ ラ ウ ン管 オ シ ロ ス コ ー プ の水 平 垂 直 両 軸 に別 々 の 正 弦 波 電 圧 を加 え,管 面 の 図 形 か ら周 波 数 や 位 相 差 を知 る方 法 で あ る。   片 方 を既 知,他 方 を未 知 とす れ ば,両 者 の 比 が整 数 の と き,図2・53の リサ ジ ュー 図 形(Lissajous

pattern)が

ような

得 られ る 。 この 方 法 は 操 作 が や や 面 倒

で あ る た め 今 日で は あ ま り使 わ れ な い。   (3)  エ レク トロニ ッ ク カ ウ ン タ に よ る 測 定   被 測 定 信 号 をパ ル ス に変 え,内 蔵 の水 晶 発 信 器 を基 準 に して 正 確 な一 定 時 間 (例 え ば1秒 間)を 作 り,そ の 間 に 入 っ た パ ル ス を 数 え て周 波 数 を計 る もの で あ る。 周 波 数 と時 間 は 表 裏 一 体 で あ り,1台 りで な く周 期,時

の カ ウ ンタ(counter)で

周 波 数 ばか

間,イ ベ ン トカ ウ ン ト,測 定 値 の 演 算 処 理 まで も行 う多 機 能

図2・53 

形(ユ

ニ バ ー サ ル)カ

リサ ジ ュ ー 図 形

ウ ンタ も あ る。 この 方 法 は時 間 の 基 準 に水 晶 振 動 子 を利

用 す る の で,非 常 に正 確 な測 定 が簡 単 に で きる 。 こ の た め 現 在 で は周 波 数 測 定 の 主 流 に な っ て い る。   図2・54に お い て,周 波 数 を測 定 す る に は入 力 信 号 をパ ル ス に変 換 し,水 晶 発

(a)周 波数 の測 定 図2・54 

(b)周 期(時 間 間 隔)の 測定 カ ウ ンタに よる周 波数 と時 間 の測 定

振 器 の よ う な正 確 な基 準 発 振 器 に よ って 作 られ た 一 定 時 間 で ゲ ー トを 開 閉 し, そ の 間 にゲ ー トを通 過 す るパ ル ス の 数 を カ ウ ン トし て表 示 させ る。   周 期(ま

た は 時 間)を 測 定 す る に は,そ の逆 に,入 力 信 号 で ゲ ー トを 開 閉 し,

パ ル ス に変 換 され た 基 準 発 振 器 か らの 通 過 パ ル ス 数 を数 え表 示 させ る 。   この 二 つ の 方 法 を組 み合 わ せ る と,二 つ の信 号 の 周 波 数 比 が 測 定 で き る。 カ ウ ン タの 回路 構 成 と各 部 の 波 形 を 図2・55(a),(b)に

示す。

(a)周 波 数 測定 の 場 合

(b)周 期測 定 の場 合 図2・55  カ ウ ン タの 回路 構 成 と各部 の 波 形

 (4)  カ ウ ン タ使 用 上 の 注 意  ①  測 定 周 波 数 と基 準 時 間 の ゲ ー トの 関 係 で ±1カ ウ ン トの 誤 差 が 出 る。 低

周 波 の 測 定 で は,こ

の影 響 を無 視 で き な い場 合 が あ る 。

  図2・56で は 同 じ信 号 を カ ウ ン トし て もゲ ー トの 開 くタ イ ミ ン グ に よ っ て,3カ ウ ン トまた は4カ

ウ ン トに な る。低 い周 波 数 で は この 影 響 を 少 な く

す る た め に周 期 測 定 と し,周 波 数 は 周 期 の逆 数 と して 算 出 した ほ うが よ い。

図2・56  ±1カ

ウ ン ト誤 差

 ②  ト リガ レベ ル を適 切 に設 定 す る こ と。  

図2・57の よ うな 波 形 の場 合 は正 し くカ ウ ン トで き る よ う にAの に 設 定 す る。Bの

レベ ル に設 定 した 時 に は正 し くカ ウ ン トされ な い 。

図2・57 

ト リ ガ レベ ル の 調 整

  ③  入 力 モ ー ドの切 り替 え(AC,   

レベ ル

入 力 信 号 にDCバ

DC)を

使 い 分 け る こ と。

イ ア スが あ る 時 は入 力 モ ー ドをACに

設 定 す る。

  ④  周 波 数 の精 密 測 定 に は,内 蔵 発 振 器 の 周 波 数 が安 定 す る まで1時

間以 上

予 熱 して お く こ と。   [2] 

周 波 数(お

よ び 時 間)の

標準

  (1)  周 波 数 の 一 次 標 準   一 次 標 準 は 他 に基 準 を要 せ ず 自分 自身 で 校 正 され る もの で,セ 標 準 や 水 素 メ ー ザ 標 準 な どが あ る。(第1章

参 照)

シ ウム ビー ム

  現 在,周

波 数 と時 間 の 一 次 標 準 と して 世 界 の多 くの 国 で セ シ ウム 標 準 器 が 使

用 され て い る。   (2)  周 波 数 の 二 次 標 準   a)  ル ビ ジ ウ ム ・ガ ス標 準   ル ビ ジ ウ ム 周 波 数 標 準 器 は小 型 で 周 波 数 の 短 期 安 定 度,長

期 安 定 度 と も非 常

に高 い とい う特 長 が あ る。 若 干 の 経 時 変 化 が あ る の で,正 確 さ を保 つ た め に は 定期 的 な校 正 が 必 要 で あ る。   b)  水 晶 発 振 器   水 晶 は カ ッ トの 仕 方 に よ っ て 温 度 係 数 が10-6/℃ 以 下 の 振 動 子 が 比 較 的 廉 価 に得 られ る の で,こ れ を 用 い た 水 晶 発 信 器 は腕 時 計 な どに広 く使 わ れ て い る。 これ を恒 温 槽 に 入 れ 周 波 数 安 定 度(エ た もの が,周

ー ジ ン グ レ ー ト)を10-8∼10-10/日

とし

波数 の 二 次 標 準 器 と して 用 い られ て い る。 これ も経 時 変 化 が あ る

の で定 期 的 な校 正 が 必 要 で あ る。   (3)  周 波 数,時

間 お よび 時 刻 の 簡 易 校 正 法

  こ こで は上 述 の標 準 器 を用 い て直 接 校 正 す る以 外 の 方 法 に つ い て述 べ る。   a)  標 準 電 波 に よ る方 法   標 準 電 波 は搬 送 波 の 周 波 数 が きわ め て 正 確 な電 波 で,原 子 時 計 を も と に作 ら れ,放 送 され て い る。 標 準 周 波 数 を一 般 利 用 者 に提 供 す るた め,正 確 な 時 間 と 時 刻 を示 す報 時 信 号 や,標 準 音 声 周 波 数 を変 調 して い る。近 距 離 で は40kHzの LF(Low

Frequency:長

15MHzのHF(High

波)が

使 用 され るが,そ れ 以 外 で は2.5,5,8,10,

Frequency:短

波)が 使 用 され,JJYの

局 符 号 で放 送 さ

れ る。   発 射 電 波 の 周 波 数 偏 差 はLFで る。HFで

平 均10-11/日 程 度 で と び ぬ け て 高 精 度 で あ

も10-7/日 な い し10-8/日 で あ る。HFの

に 頼 る た め,電

場 合,遠 距 離 で は 電 離 層 伝 搬

離 層 の 変 動 に よ る マ ル チ パ ス や ド ッ プ ラ ー 効 果(Doppler

effect)に 基 づ く周 波 数 変 動 が あ る。これ を避 け る た め に は,受 信 周 波 数 の時 間 平 均 を と り,変 動 の 影 響 を軽 減 す る。   時 刻 の 精 度 と し て はLF,HFと

も1ms程

度 で あ る。 近 年,JJYを

自動 的 に

受 信 して 時 間 校 正 す る置 時 計 や 腕 時 計 が 発 売 され て い る。  

b)  人 工 衛 星 を 利 用 す る 方 法

  航 法 衛 星GPS(Global

Positioning

星GMS(Geostationary

Meteorological

の 標 準 を も ち,校

正 信 号 を 出 し て い る の で,こ

受 信 機 で 受 信 で き る。 そ の 精 度 は,周

System)や

「ひ ま わ り」 の よ う な 気 象 衛

Satellite)は

周 波 数 と時 刻 に つ い て

れ を安 定 な ク ロ ッ ク源 を も っ た

波 数 で10-13程

度,時

刻 で10ns程

度 で あ

る。   c)  テ レ ビ 電 波 を 利 用 す る 方 法   TV(television)信

号 の 伝 搬 領 域 内 でTV放

を 校 正 で き る 。 そ の 精 度 は 周 波 数 で5×10-12程   d)  NTT時

送 波 を 受 信 し て,周

波 数 と時 刻

度,時

度 で あ る。

刻 で0.1μs程

報 サ ー ビス を利 用 す る方 法

  電 話 番 号117を

ダ イ ヤ ル す る こ と に よ り10秒

ご と の 時 報 を 受 信 で き る 。腕 時

計 や ス ト ッ プ ウ オ ッ チ の 秒 レ ベ ル で の 簡 易 校 正 に よ く使 わ れ る 。

問

題

2‐1 測 定 方 式 に は どの よ う な も の が あ る か,説 2‐2 零 位 法 の 長 所,短

明 せ よ。

所 を述 べ よ 。

2‐3 測 定 結 果 の 表 示 方 法 に は どの よ う な もの が あ る か,説

明 せ よ。

2‐4  ア ナ ロ グ表 示 とデ ィ ジ タ ル 表 示 に つ い て 述 べ よ 。 2‐5 図2・6に

お い て定 格 電 流0 .1mA,内

部 抵 抗1kΩ

の 電 流 計 を用 い て,100Vの

電 圧 計 とす る た め の 倍 率 器 の 値 を 求 め よ 。 

(答  999kΩ)

2‐6 電 位 差 計 の 原 理 と特 長 を 述 べ よ。 2‐7  図2・10に お い てVo=100V,Ro=500kΩ

回 路 に 内部 抵 抗1MΩ

続 し た と きの 負 荷 効 果 を 求 め よ。 

の 電 圧 計 を接 (答  66.7V)

2‐8 直 流 の 微 小 電 圧 を測 定 す る時 の 注 意 事 項 を 挙 げ よ。 2‐9  電 子 式 電 圧 計 で ひ ず み 波 形 の 電 圧 を 測 定 す る と きの 注 意 点 を述 べ よ 。 2‐10  コ モ ン モ ー ドノ イ ズ と,そ の 除 去 方 法 に つ い て 述 べ よ。

2‐11  図2・21に お い て 定 格 電 流10mA,内

部 抵 抗50Ω

の 電 流 計 で10Aを

た めの分流 器 の値 を求 め よ。  (答

測定 す る

  50.05mΩ)

2‐12  ホ ー ル効 果 電 力 計 の 原 理 と特 長 を述 べ よ 。 2‐13  図2・30に

お い てR1=1000Ω

れ た ときRxを

,R2=10Ω,R3=500Ω

で ブ リ ッジ の 平 衡 が と

求 め よ。 

(答  50kΩ)

2‐14  低 抵 抗 を 測 定 す る と きの 問 題 点 と,そ れ を 解 決 す る 方 法 を 述 べ よ。 2‐15  絶 縁 抵 抗 を測 定 す る と き の 問 題 点 と,そ れ を解 決 す る方 法 を述 べ よ 。 2‐16  交 流 ブ リ ッ ジ の 平 衡 を と る の が 面 倒 な 理 由 を述 べ よ。 2‐17  交 流 ブ リ ッ ジ の 誤 差 の 原 因 とな る もの は 何 か,そ れ を 解 決 す る 方 法 を 述 べ よ 。 2‐18  図2・41(c)に

お い て,Cs=1μF,R1=1000Ω,R3=10000Ω,R4=500Ω

衡 が とれ た 。Lx及 2‐19 立 上 り時 間10nsの 時,ブ

びRxを

求 め よ。

 

波 形 を 周 波 数 帯 域50MHzの

で平

(答  Lx=500mH,Rx=50 

Ω)

オ シ ロス コー プ で観 測 す る

ラ ウ ン管 上 に 観 測 さ れ る立 上 り時 間 を求 め よ。 

2‐20 周 波 数 カ ウ ン タ の ±1カ ウ ン ト誤 差 に つ い て 述 べ よ。

(答  12.2ns)

3、 デ ィジタル測定 3・1 

デ ィジ タ ル 計 測 技 術

  デ ィジ タ ル 技 術 の 展 開 は め ざ ま し く,電 子 技 術 の あ ら ゆ る面 で従 来 の ア ナ ロ グ技 術 を刷 新 しつ つ あ るが,計 測 の 世 界 で も そ の例 に もれ な い。 デ ィ ジ タ ル 計 測 器 は単 体 と し て多 種 多様 な もの が 出 現 した が,こ れ ら を統 合 して デ ィ ジ タ ル 計 測 シ ス テ ム に ま と め上 げ,全 体 と して は シ ナ ジー(synergy)効

果 を ね らっ

た 形 態 が 多 く見 られ る よ う に な っ て きた 。   計 測 の 現 場 で,最

も労 力 と時 間 を必 要 とす るの は,計 測 シス テム の セ ッ トア

ップ と計 測 デ ー タの 読 取 り,収 集,記

録 お よ び 処 理 で あ る。 デ ィ ジ タ ル 計 測 シ

ス テ ム で は,い っ た ん汎 用 的 に全 器 材 を接 続 して お け ば,あ め,プ

と は計 測 環 境 を決

ロ グ ラ ム を 設 定 し て走 らせ ば,測 定 デ ー タ は 自動 的 に収 集 ・処 理 され る 。

  デ ィ ジ タル 計 測 シス テ ム で は測 定 の 過 程 は簡 単 で あ るが,そ

の反 面,セ

ット

ア ップ や ソ フ トウ ェ ア の 作 成 に労 力 が 必 要 に な る。 した が って,製 造 現 場 な ど で 同 じよ うな 測 定 を繰 り返 す 場 合 な ど に適 して い る。   OS(基

本 ソ フ トウ ェ ア)に はMS‐DOS,

WINDOWS,

処 理 言 語 と して はC/C++,(VISUAL)BASICな 接 続 す るLAN(Local

Area

使 用 され,

どが 主 用 され る。各 機 器 を

Network)で

して は一 般 にTCP/IP(Transmission

UNIXが

はEthernetが,ま

Control

た プ ロ トコル と

Protocol/Interface

Protocol)

が 使 用 され る。 そ の ほか,計 測 器 メー カ ー で 独 自に 開 発 し,専 用 して い る ソ フ トウ ェア も多 い。   デ ィジ タ ル 計 測 シス テ ム の セ ッ トア ップ は 目的 に応 じて 千 差 万 別 で あ る が, 典 型 的 な構 成 例 を示 す と図3・1の よ う に な る。

図3・1 

デ ィ ジタル 計測 シス テム の 構 成

  デ ィジ タル 計 測 シ ス テ ム の 一 つ の 変 形 で あ るが,例 1機 分 の 航 法,通

信,制

ATE(Automatic

え ば,計 測 対 象 を航 空 機

御 機 器 に 限 定 して 計 測 業 務 を 自動 化 し て 統 合 化 し た

Test Equipment)が

あ る。 これ は機 内 の デ ー タバ ス に接 続

され,試 験 信 号 を送 出 して 各 搭 載 機 器 の 応 答 信 号 を点 検 し,こ れ ら機 器 の 良 否 を判 定 す る。ATEは

今 日 で は 多 くの場 面 で 使 用 さ れ て い て,産 業 を支 え るイ ン

フ ラ ス トラ クチ ュ ア と な っ て い る。

3・2 

デ ィジタル マルチ メー タ

  [1] 

デ ィジ タル マ ル チ メー タの 特 長

  デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ(DMM:Digital

Multimeter)は,基

本 的 に は直 流

お よび 交 流 の電 圧 ・電 流 お よ び 抵 抗 を測 定 す る五 つ の機 能 を満 た す が,そ

のほ

か に周 波 数 や温 度 な ど,い ろ い ろな 機 能 を付 加 で き る柔 軟 性 を も っ て い る。   従 来 の 指 示 計 器 や ア ナ ロ グ式 の テ ス タ な い し は マ ル チ メ ー タ に く らべ て,デ ィ ジタ ル マ ル チ メ ー タ の特 長 は 次 の とお りで あ る。   ①  電 子 回路 やA‐D変

換 器 に よ り測 定 範 囲 を拡 張 す る こ とが で き,精 度 が

高 く分 解 能 が 高 い。   ②  A‐D変 換 器 に よ り デ ィ ジ タ ル 値 で 表 示 さ れ る の で,読

み 取 り誤 差 が な

い｡

  ③  入 力 抵 抗 が直 流 電 圧 で10MΩ 象(被

測 定 物)に

以 上,交 流 電 圧 で約1MΩ

と高 く,測 定 対

電 圧 降 下 な どの影 響 を与 え な い 。

  ④  測 定 入 力 は電 源 や 出 力 と絶 縁 され て い る の で,電 圧 の加 わ っ た 箇 所 を 測 定 して も安 全 か つ 高 精 度 に 測 定 で き る。   ⑤  保 護 回路 が 何 重 に も付 加 され て い るた め,過 大 入 力 や 誤 使 用 に 対 して安 全 性が高 い。   デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ に は 図3・2に 示 す よ う に,携 帯 用 と卓 上 用 とが あ る。   携 帯 用 は 従 来 の 回 路 試 験 器(テ 31/2な

い し41/2桁

ス タ)に

代 わ る も の で あ り,表 示 桁 数 は

で液 晶 表 示,電 池 駆 動,小 型 軽 量 で あ る。 ま た,感 電 防 止 や

短 絡 事 故 防 止 の た め,樹 脂 カ バ ー の つ い た入 力 プ ラ グや 測 定 リー ド線 の先 端 に

(a)携

帯用

(b)卓 上 用 図3・2 

鍔(つ

ば)の

デ ィ ジ タ ル マ ル チ メー タ の 外 観

つ い た もの が使 用 さ れ る 。

  卓 上 用 は 自動 計 測 装 置 な ど に連 接 して使 用 さ れ る こ とが 多 い。 した が っ て, GP‐IBイ

ン タ フ ェー ス を経 由 して の 遠 隔 制 御,コ ン ピ ュ ー タ へ の測 定 デ ー タ の

転 送 が 行 わ れ る た め,高 速,高 精 度,高 分 解 能 な測 定 が 可 能 で あ る。 表 示桁 数 は41/2か   [2] 

ら61/2桁

の もの が 多 い 。

デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タの 動 作 原 理 と構 成

  図3・3に デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ の 系 統 図 を 示 す。 左 側 のLo端 (接地)端 子 で あ り,Hi端

子 は 交 直 流 の電 圧 と抵 抗 の 入 力 端 子,Aは

の入 力 端 子 で あ る。 こ こに挙 げ た の は机 上 用 で,GP‐IBな

子 は共 通 交直流電 流

どの イ ンタ フ ェ ー ス

で コ ン ピ ュー タ と接 続 す る と各 機 器 で 接 地 電 位 が 共 通 とな り,測 定 値 に 影 響 し た り,短 絡 す る な どの 問 題 が 出 る。 こ の た め,イ

ンタ フ ェ ー ス を もつ デ ィ ジ タ

ル マ ル チ メ ー タ で は,デ ィ ジ タ ル部 と測 定 回路 部 と を フ ォ トカ プ ラ な どで絶 縁 して い る。   携 帯 用 の構 成 は,基 本 的 に卓 上 用 と同 じで あ るが,電 あ る の で,ア

ナ ロ グ部 や ロ ジ ッ ク部 をICの1∼2チ

池駆 動 で 絶 縁 が 不 要 で

ップ に集 積 して 小 型 化,低

消 費 電 力 化 して い る。   図 中右 側 の デ ィ ジ タル 部 はマ イ ク ロ プ ロ セ ッサ を 中 心 とす る ロ ジ ック 回 路 で

図3・3 

デ ィ ジ タ ル ・マ ル チ メ ー タ の 系 統 図

構 成 され,表 示 制 御,測 定 タ イ ミ ング の 制 御,イ

ン タ フ ェ ー ス の 制 御 な どを行

っ て い る。   [3] 

A‐D変

換器

  デ ィジ タ ル マ ル チ メ ー タ の 心 臓 部 はA‐D変

換 器 で あ る が,こ

A‐D変 換 器 に 属 す る 帰 還 形PWM(Pulse‐Width 調)方

式 とデ ュア ル ス ロー プ(dual

slope)方

こ で は積 分 形

Modulation:パ

ル ス幅 変

式 に つ い て 述 べ る。

  (1)  帰 還 形 パ ル ス 幅 変 調 方 式   帰 還 形PWM方 圧 ±ECと

式 の原 理 を 図3・4に 示 す 。入 力 電 圧EXは

比 較 器 出 力 に よ り交 互 に 切 換 え られ る基 準 電 圧ESと

に加 え られ る。比 較 器 は 積 分 器 出 力EOを +ESが,ま

方 形 波 ク ロ ック電

たEO＜0の

にス イ ッチSを

と も に積 分 器

零 レベ ル と比 較 し,EO＞0の

と き に は−ESが,そ

駆 動 す る。ス イ ッチ が+ES側

ときには

れ ぞ れ 積 分 器 に負 帰 還 さ れ る よ う また は−ES側

に接 して い る期 間

は 入 力 電 圧 の大 き さ に よ っ て変 化 し,そ の1周 期 に わ た る平 均 値 が ち ょ う ど入 力 電 圧 と打 ち消 し あ う と こ ろで 平 衡 状 態 に な る。

図3・4  帰 還 形パ ル ス幅変 調 方 式

  ク ロ ッ ク電 圧 ±ECは,こ で,1周

り返 し周 期Tを

定 め るもの

期 の 平 均 電 圧 は零 に な る よ う に設 定 し て あ る。ス イ ッチ が+ES側

して い る期 間 をT1,−ES側 =R2と

の 回 路 を動 作 させ,繰

に接 して い る期 間 をT2と

に接

す れ ば,平 衡 状 態 で はR1

して 次 式 が成 り立 つ 。

(3・1)

  こ こで,T=T1+T2は ス 幅 の 差,T2−T1に ば,Exを

ク ロ ック信 号 の 周 期 で あ り,入 力 電 圧ExはESの 比 例 す る の で,T2−T1の

パル

時 間 を計 数 回 路 で カ ウ ン トす れ

デ ィ ジ タ ル 的 に表 示 で き る。

  この 方 式 の 信頼 性 は高 い。 その 理 由 は,こ の 方式 に よ る 回路 が 積 分 器 定 数, ク ロ ッ ク電 圧,OPア

ン プ(operational

amplifier:演

算 増 幅 器)の

増幅度 な ど

の影 響 を受 け ず,さ

らに 負帰 還 に よ っ て パ ル ス幅 変 調 が 高 精 度 化,高

安定 化 さ

れ る た め,比 較 器 の 不 感 帯 電 圧 も影 響 を 与 え な い こ とに よ る。 入 力 電 圧 を積 分 して い る の で,雑 音 の 影 響 を受 け に くい とい う利 点 が あ る。   高速 化 したPWM方 速 くす るた め にA‐D変

式 で は,原 理 的 に は上 述 の 方 式 と同 じで あ るが,応 答 を 換 器 の 基 本 ク ロ ッ ク周 波 数 を約10倍

方 法 は表 示 桁 数 に対 応 して,計 数 サ イ ク ル 数nが

と して い る。 計 数

決 め られ て い る。

測 定 結 果 は 式(3・1)に

対 し て, (3・2)

とな る。   (2)  デ ュ ア ル ス ロー プ 方 式   デ ュ アル ス ロー プ 方 式 の 系 統 図 を図3・5に 示 す 。 測 定 され る電 圧Exが 場 合,ま ずS1が

一 定 時 間TSだ

け 閉 じ る。OPア

ン プAは

そ の利 得 が き わ め て

大 きい の で,入 力 電 圧 が 常 に ほ ぼ ゼ ロ に な る よ う に コ ン デ ン サCを 還 され る。 した が っ て,抵 抗Rに

負の

通 して 負 帰

流 れ る電 流Iは, (3・3)

と な る。

図3・5 

 増 幅 器Aの

デ ュア ル ス ロー プ方 式

入 力 抵 抗 は きわ め て 大 き い の で,増

は無 視 で き,電 流Iは

す べ て コ ン デ ンサCに

され た と きの コ ン デ ンサ の両 端 の 電 圧 をEOと

幅 器Aの

入 力 に流 れ る電 流

充 電 さ れ る。あ る時 間TSだ す る と,EOは

け充 電

次 式 で 表 さ れ る。

(3・4)

式(3・3)を

式(3・4)に

代 入 す る と, (3・5)

と な る。  次 にS2を 閉 じ,測 定 され る電 圧 と逆 極 性 の 標 準 電 圧ESに と,出 力 電 圧EOは

入 力 を 切 り換 え る

次 式 の よ う に な る。 (3・6)

 こ こで 出力 電 圧EOが

零 に な る まで の 時 間 をTxと

す る と,次 式 が 得 られ る 。 (3・7)

  し たが っ て,積 分 時 間TS,基 は,S2が し,デ

準 電 圧ESが

一 定 で あ れ ば,測 定 され る電 圧Ex

閉 じて か ら出 力 電 圧 が 零 に な る ま で の 時 間Txを

計 数 回路 で カ ウ ン ト

ィジ タ ル 表 示 す る。

  この 方 式 の利 点 と して は,次 C,R,お

の2点 が 挙 げ られ る。 第 一 は原 理 上,積

分定 数

よび ク ロ ック 周 波 数 の ド リフ トが誤 差 に な らな い こ と,第 二 は入 力Ex

を常 に周 期TSの

間 にわ た り積 分 して い る の で,こ のTSを

商 用周波数周 期 の整

数 倍 に選 べ ば,後 述 す る ノ ー マ ル モ ー ド雑 音 を 除 去 で きる。   [4] 

入 力 増 幅,直

流電圧測定部

  入 力 増 幅 器 は最 高 分 解 能 で の 安 定 度 を決 定 す るた め,高 感 度 で 低 雑 音 で あ る こ とが 要 求 さ れ る。 オ ー トゼ ロ方 式 の もの で はFET(Field

Effect

Transistor:

電 界 効 果 トラ ン ジ ス タ)直 結 形 の 直 流増 幅 器 が使 用 され る。さ らに 高 精 度 を要 求 す る機 種 で は,半 導 体 チ ョ ッパ ス タ ビラ イ ズ 形 増 幅 器 を使 用 して,超 低 雑 音,超

低 ド リフ トを実 現 して い る。

  デ ィ ジ タル マ ル チ メ ー タ で は,零 点 の安 定 度 を保 持 す る こ と は重 要 な性 能 の 一 つ で あ るが ,プ

リア ン プ やA‐D変

換 器 の 温 度 や 経 年 変 化 に よ る ド リ フ トを

補 償 す るた め に は,オ ー トゼ ロ 方 式 が 採 用 され る。 これ は プ リア ン プ の 入 力 に FETス にFETの

イ ッ チ を設 けて,ま ずFETス

イ ッチ の 入 力 側 をオ ン に して 測 定 し,次

コ モ ン側 をオ ン に して 測 定 し,二 つ の デ ー タ の差 を演 算 して ド リ フ

トを打 ち 消 す 方 法 で あ る。   [5] 

抵抗測定部

  直 流 抵 抗 の 測 定 は,図3・6(a)の

よ う に測 定 抵 抗 に一 定 の 電 流 を流 し,そ の 電

圧 降 下 か ら抵 抗 の 値 を求 め る方 法 と,同 図(b)の よ う に基 準 抵 抗RSと

測定抵抗

Rxを 直 列 に し,そ れ ぞれ の電 圧 降 下 の比 を 演 算 して 抵 抗 値 を 求 め る方 法 とが あ る。

(a)

(b) 図3・6  抵 抗 測定 回 路

  抵 抗 比 を測 る(b)の 方 法 は,(a)と

は異 な り定 電 流 源 を必 要 と しな い が,測 定

電 流 が 抵 抗 値 に よ っ て変 化 す る た め,測 定 抵 抗 が 非 線 形 特 性(Rx≠(Ex/ES)RS) を もつ場 合 に は 誤 差 を生 じ る。   抵 抗 器 の 抵 抗 値 を測 定 す る と き,接 続 線 の 抵 抗 値 が 十 分 小 さ い場 合 に は 二 端 子 で測 定 す る。 測 定 前 に は接 続 線 の 両 端 を短 絡 し て,零 点 調 整 を行 う。   低 抵 抗 を測 定 す る時 に は,測 定 抵 抗 器 ま で の 接 続 線 の 抵 抗 が 無 視 で きな い こ とが あ る。 こ の場 合 に は,図3・7の

よ うに 電 流 端

子 か ら測 定 電 流 を 流 し,電 圧 端 子 で その 電 圧 降 下 を測 定 す る と,接 続 線 の抵 抗 をほ と

図3・7  抵抗 の四 端子 測 定 法

ん ど受 けず に抵 抗 を測 定 で き る 。   [6] 

交流測定

  交 流 を測 定 す る場 合,交

流 用 前 置 増 幅 器 や分 流 器 抵 抗 で正 規 化 した 信 号 を交

流-直 流 変換 回 路 を利 用 して,入 力 信 号 レベ ル に比 例 した 直 流 電 圧 に変 換 す る 。   こ の変 換 回 路 と して は,平 式)が

均 値 整 流 方 式 と対 数 変 換 方 式(Log‐Antilog方

あ る。

  平 均 値 整 流 方式 は交 流 信 号 を整 流 した 後,平

滑化 して平 均 値 を得 て,正 弦 波

表3・1  代 表 的 な 周期 波 形 の実 効値,平 均 値,波 形率 お よび波 高率

注:実

効 値(Root‐Mean‐Square

 

あ る波 形の 瞬 時 値 の 二 乗 を1周

Value) 期 間 で平 均 し た 値 の 平 方 根 。 英 語 名 称 の 頭 文 字 を と っ てRMS値

と もい う。

波 形 に 含 まれ る 力や 熱 な ど の エ ネ ル ギー に 結 び つ い た 量 を 示 す 。 平 均値(Mean

Value)

  あ る波 形 の 半 周 期 間 の 瞬 時値 の 平 均 。

波形率(Form

Factor)

 ある波形の実効値の平均値 に対す る比。 波形率=実 効値/平 均値

波 高 率(Crest

Factor)

  あ る波 形の 最 大 振 幅 の 実効 値 に 対 す る 比 。 波 高 率=最

大 振 幅/実

効値

の 波 形 率1.11を

乗 じて 実効 値 と して表 示 す る。表3・1に 示 す よ う に,正 弦 波 で

は,波 形 率 は1.11で

あ り,波 形 率=実 効 値/平 均 値,で

あ る。 この 方 式 は安 価

で あ る が,正 弦 波 以 外 の 波 形 で は誤 差 を と もな う の で 注 意 を要 す る。   交 流 電 圧 波 形 に お い て は,最 大 値,平

均 値,お

よ び 実効 値 が 定 義 され,こ

れ

らか らさ ら に波 高 率 と波 形 率 が 求 め られ る。 波 形 が わ か って い る と きに は,測 定 値 と計 算値 との 関連 を これ らのパ ラ メー タ か ら求 め る こ とが で き る。 波 形 が わ か っ て い な い場 合 に は,ス ペ ク トル 分 析 器 また は 高 速 フー リエ 変 換(FFT: Fast Fourier Transform)を

行 い,ス ペ ク トル を表 示 さ せ て 図 的 解 析 を行 う。

また 同 時 に,ひ ず み率 計 を利 用 して,基 本 波 と高 調 波 の成 分 比 を知 る こ とが 必 要 で あ る。   [7] 

実効値変換

  入 力 した電 圧 を実 効 値 に変 換 す る方 式 と して,Log‐Antilog方

式 が 用 い られ

る。 図3・8に 系 統 図 で示 す よ う に,入 力 信 号 は まず 絶 対 値 回路 で 正 の極 性 に 変 換 され,ト ラ ン ジ ス タの 増 幅 度 の対 数 特 性 を利 用 して ア ナ ロ グ的 に対 数 を求 め, さ ら に逆 対 数 変 換 を行 い,開 平 し て実 効 値 を 出 力 とし て得 る。 この よ うに入 力 した 信 号 を実 効 値 と して 出 力 す る と,小 さ な電 圧 か ら大 き な電 圧 まで 広 い測 定 範 囲 を カバ ー す る こ とが で き る。

図3・8 

  [8] 

Log‐Antilog

方 式に よる実 効 値 変換

電 流測 定

  電 流 測 定 に あ た っ て は分 流 器(shunt)に 値 を求 め る。

電 流 を流 し,そ の 電 圧 降下 か ら電 流

  [9] 

デ ィジ タル マ ル チ メ ー タの 性 能

  (1)  測 定 確 度   デ ィ ジ タル マ ル チ メ ー タ の 基 本 確 度 は標 準 状 態 に お け る 測 定 値 と真 値 の 差 で,一 般 に 次 式 の よ う に表 され る。 ±[(読 み ×%)＋(桁

数)] 

(3・8)

ま た は, ±[(読 み ×ppm)+(桁

  これ ら二 つ の 式 で,第1項

数)] 

(3・9)

は読 み値(reading)に

さ に比 例 し,単 位 は%ま た はppm(parts る。 第2項

対 す る誤 差 で,入 力 の 大 き

per million:百

万 分 の1)で

は入 力 に よ らな い一 定 値 の誤 差 で あ り,表 示 の桁(digit)数

表 され により

決 ま る。   例 え ば61/2桁(1999999)表 確 度 は ±(0.003%の

示 で の0.1μV分

読 み値+15桁)と

解 能 のDMMで

は,  DC基

本

な っ て い る。

  (2)  デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タの 測 定 範 囲   代 表 的 な 測 定 範 囲 は次 の とお りで あ る 。   直 流 電 圧:10nV∼1000 

V

  交 流 電 圧:1μV∼700V   直 流 電 流:10nA∼10A   交 流 電 流:10nA∼10A  抵

抗:100μ Ω∼200MΩ

  測 定 範 囲 の上 限 は,そ の 機 種 の 最 大 レ ンジ の フル ス ケ ー ル で 測 定 で き る最 大 の値 で あ る。 下 限 は最 小 分 解 能(感

度)と 呼 ば れ,表 示 で き る最 小 の 値 で,デ

ィ ジタ ル マ ル チ メー タ の 機 種 が 決 ま る と,そ の 最 小 レ ン ジ の 分 解 能(1デ

ィジ

ッ ト)で あ る。 直 流 電 圧 で は,微 小 電圧 に対 す る雑 音 や 測 定 器 の 安 定 度 の 目安 とな る。現 在 は100nV∼10μVの

もの が 多 く,高 確 度,高 分 解 能 形 で は10nVの

分 解 能 を もつ もの も あ る 。   (3)  入 力 イ ン ピー ダ ン ス   測 定 器 の 入 力 イ ン ピー ダ ンス が 低 い と,測 定 対 象 か ら電 流 が 流 れ 込 み,電 圧

低 下 や イ ン ピー ダ ンス の 不 整 合 が 起 こ る。 した が っ て,入 力 イ ン ピー ダ ン ス は 高 けれ ば 高 い ほ ど よ い。   デ ィ ジ タル マ ル チ メー タ の 入 力 イ ン ピー ダ ン ス は,直 流 電 圧 レ ン ジ で20V/ 200V/1000Vレ

ン ジ の よ う に分 圧 器 を通 る場 合 に は約10MΩ,プ

直 接 増 幅 で き る場 合 に は1000MΩ

リア ン プ で

以 上 と な っ て い る。

  (4)  雑 音 除 去 デ ィジ タル マ ル チ メ ー タ は い ろ い ろ な雑 音 環 境 で 使 用 さ れ る。 入 力 端 子 のHi‐Lo 端 子 に 入 る 信 号 に 重 畳 す る 雑 音 を ノ ー マ ル モ ー ド雑 音(normal noise)と

呼 ぶ 。 デ ィ ジ タ ル マ ル チ メー タ で は こ の雑 音 をA‐D変

mode

換 器 や フ ィル

タ で 除 去 す るが,こ の 雑 音 を 除 去 す る比 率 を ノ ー マ ル モ ー ド雑 音 除 去 比(Normal Mode

Noise

Rejection

Ratio:NMRR)と

  電 源 か ら混 入 す る低 周 波 数 雑 音(ハ で,A‐D変

い う。

ム)の 除 去 は 測 定 に つ き も の で あ る の

換 器 の 積 分 時 間 を電 源 電 圧 の 周 期 の 整 数 倍 に選 び,図3・9に

示すよ

うに平 均 を とっ て 除 去 す る 。

図3・9  積 分 形A‐D変 換 器 の雑 音 除 去

  入 力 端 子H‐Lに mode

noise)と

共 通 に 加 え ら れ る 雑 音 を コ モ ン モ ー ド 雑 音(common

い う。 こ の 雑 音 は デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ の 内 部 シ ー ル ドや ノ

ー マ ル モ ー ド雑 音 除 去 効 果 に よ り

,軽

除 去 比(Common

Mode

Noise

減 さ れ る 。 こ の 比 率 を コ モ ン モ ー ド雑 音

Rejection

Ratio:CMRR)と

い う。

  [10]  そ の 他 の 機 能   (1)  測 定 条 件 の 設 定   使 用 目的 に応 じ て積 分 時 間 や測 定 周 期 な どの測 定 諸 元 を 設 定 で き る機 能 が あ る。積 分 時 間 を長 く設 定 す る と,よ り高 い分 解 能 で,よ

り安 定 した 測 定 が で き,

また積 分 時 間 を電 源 の 周 期 よ り も短 く設 定 す れ ば,高 速 測 定 が で き る。例 え ば, 最 高 速 測 定 は約300回/秒,測

定 周 期 は3msか

ら60分 に 設 定 で き る。

  (2)  ゼ ロ点 調 節(null)   電 圧 の ゼ ロ点 の 補 正 や,抵 抗 測 定 時 の リー ド線 抵 抗 を補 正 す る機 能 で あ る 。 このnull操 作 を 行 う と,そ の と きの 表 示 され た値 を記 憶 し,そ れ 以 降 の 測 定 で は記 憶 した 値 を差 し引 い て 表 示 す る。   (3)  ア ベ レー ジ ン グ(averaging)   信 号 に 乗 っ て い る雑 音 や 測 定 時 の不 安 定(ふ 定 さ れ た 数(周 期)の

らつ き)を 除 去 す る た め に,設

測 定 値 の 平 均 を と り,そ れ を 時 間 的 に 移 動 さ せ なが ら表

示 す る。   (4)  演算 機 能   ス ケ ー リン グ演 算,コ

ンパ レー タ,デ

シベ ル 計 算 な どが あ り,内 蔵 され た マ

イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ に よ り測 定 値 か ら計 算 処 理 され る。   (5)  デ ー タ メ モ リ   高 速 で サ ン プ リ ン グ す る と き,い っ た ん 測 定 デ ー タ を メ モ リに蓄 積 し て コ ン ピ ュ ー タ に転 送 す る こ とに よ り,デ ー タ転 送 速 度 に制 約 さ れ ず 高 速 で 測 定 で き る。   さ らにICメ

モ リカ ー ドを使 用 す る と,約500な

い し8000の

測 定 デ ー タ を測

定 条 件 と と も に保 存 し た り,測 定 プ ロ グ ラム の 設 定 が で き る 。 これ に また レ コ ー ダ を付 加 し て使 用 す る と,測 定 デ ー タ の再 生,記 録 が で き る。   (6)  イ ン タ フ ェー ス   GP‐IBま

た はRS‐232‐Cの

イ ン タ フ ェ ー ス を経 由 して パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ

ー タ な どか ら測 定 条 件 を設 定 す る こ とが で き,ま た 測 定 デー タ を コ ン ピ ュー タ に転 送 して処 理 で き る な ど,双 方 向 の ア ク セ ス が 実 現 で き る。

  (7)  ソ フ トウ エ ア に よ る校 正   従 来 は測 定 器 回路 の 可 変 抵 抗 な ど を計 測 者 が調 節 して い た が,現

在 は多 くの

機 種 で は,マ イ ク ロ プ ロ セ ッサ で 内部 の 不 揮 発 性 メ モ リに標 準 状 態 を 記 憶 して い て,自 動 的 に校 正 す る よ う に な っ て い る。   (8)  ガ ー デ ィ ン グ(guarding)   図3・10の よ うに,デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ で微 小 電 圧 を測 定 した り,入 力 電 圧 に コモ ン モ ー ド電 圧 が 重 畳 さ れ て い る場 合,導

線 の影 響 を防 ぐた め に使 用 す

る。微 小 電 流 の 測 定 の際 に は,浮 遊 容 量 に よ る漏 れ 電 流 を防 ぐた め に ガ ー ド(遮 へ い)を 使 用 す る。

(a)一

般 的 接続 法

(b)高

精 度 測 定((a)の 測 定 で 表 示 の ふ ら つ き が 大 き い と き)

(c)熱

電 対 の 測 定(DC 図3・10 

3・3 

mV)

(d)ブ

リ ッ ジ 回 路 の 測 定(DC

mV)

デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ の ガ ー ド機 構

デ ィジ タ ル オ シ ロス コー プ と サ ン プ リン グ オ シ ロス コ ー プ

  デ ィ ジ タ ル オ シ ロス コ ー プ は デ ィ ジ タ ル技 法 を利 用 して,演 算 処 理,記

憶,

表 示 な ど融 通 性 に 富 ん だ性 能 を特 長 と し て い る。   測 定 す る入 力 信 号 を い っ た ん デ ィ ジ タ ル 化 して取 り扱 う こ とに よ り,デ

ィジ

タル オ シ ロ ス コ ー プ は 直 流 か ら高 周 波 まで の 広 い帯 域 に わ た る信 号 を ブ ラ ウ ン 管 な どの表 示器 上 に指 示 す る こ とが で き る。 した が っ て,従 前 で は ア ナ ロ グ オ

シ ロ ス コー プ上 で は取 り扱 う こ との で きな か っ た 現 象 を測 定 し,解 析 す る こ と が で き るた め用 途 が 広 い。   他 方,サ ン プ リ ング オ シ ロ ス コー プ は,2・8節 で 述 べ られ て い る ア ナ ロ グ方 式 の もの と基 本 的 に は同 じ動 作 原 理 に よ るが,デ

ィ ジタ ル 技 法 を利 用 す る こ とに

よ り,さ ら に性 能 の 向 上 を 図 って い る。   こ の よ う に,デ

ィ ジ タ ル化 され る こ とで,測 定 能 力 が 拡 張 され 一 般 の 電 気 信

号 ばか りで は な く,そ の他 の 物 理 現 象 に も電 気 信 号 に変 換 で き る もの で あれ ば, 測 定 し現 象 を解 明 で き る。   デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ の特 長 に つ い て,以 下,い

くつ か の点 に つ い て 述

べ る こ とに し よ う｡   [1] 

プ リ トリ ガ 機 能

  ア ナ ロ グ オ シ ロ ス コー プ の場 合,測 定 機 能 は トリガ(trigger)信 と も に ス タ ー トす る た め,ト

リガ 以 後(ポ

ス ト ト リガ領 域)の

号 の発生 と

現 象 しか測 定 で

きな い。これ に対 して,デ ィ ジ タル オ シ ロス コー プ で は波 形 入 力 を常 時 記 憶 し, 必 要 に応 じて 取 り出 す た め,ト 前(プ

リ ト リガ 領 域)に

リガ 以

よ る波 形 の 観

測 が で き る。   これ を図3・11に 示 す 。ト リガ点 に お い て ト リガ が ト リガ レベ ル を 越 え る と,ア ナ ロ グ オ シ ロ ス コー プ の場 合 に は,こ

こか ら後 の 現 象 しか 測 定 で きな

いが,デ

ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コー プ の場

合 に は,こ の 前 後 の現 象 を測 定 で き る。   [2] 

図3・11 

プ リ トリガ と ポス ト トリガ

単 発 現 象 の 観測

  ア ナ ロ グ オ シ ロス コ ー プ で は,繰 り返 し生 起 す る現 象 は観 測 で きる が,1回

し

か 発 生 す る現 象 は 観 測 で きな い 。 こ う した 単 発 現 象 を観 測 す る必 要 か ら,以 前 は残 光 時 間 の 長 い特 殊 な ブ ラ ウ ン管 で あ る蓄 積 管(memory

tube)を

使用 し

た ス トレー ジ オ シ ロ ス コ ー プ に頼 っ て い た が,蓄 積 管 は高 価 な う え に蛍 光 面 が

電 子 ビ ー ム に よ り焼 損 した り,残 光 時 間 の調 整 が 困 難 な どの 問 題 点 の た め に, あ ま り利 用 され な か っ た 。   デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コー プ で は,入 力 信 号 は メ モ リ(memory)に

い ったん

蓄積 され て か ら処 理 ・表 示 さ れ るた め こ の よ うな 問題 は な く,操 作 が 簡 単 で信 頼 性 の 高 い作 動 が期 待 で き る。   [3] 

測 定 機能 の拡 張

  デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ を使 用 す る こ とに よ り,従 来 の ア ナ ロ グ オ シ ロ ス コー プ とは異 な るい ろ い ろな 機 能 を 引 き出 す こ とが で き る。   デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ に信 号 波 形 を入 力 して い く と,こ の 信 号 はサ ンプ リ ング され,順

次 メ モ リに 記 憶 さ れ る。 メモ リの容 量 を大 き くす れ ば,長 時間

の現 象 を記 録 で き る。 メ モ リ,マ イ ク ロ プ ロ セ ッサ,信 号 処 理 プ ロ セ ッサ,お よ びA‐D(Analog‐to‐Digital)/D‐A(Digital‐to‐Analog)変

換 器(converter

)は 半 導体 で あ り,ダ ウ ンサ イ ジ ング が 進 み,小 型 化 され る と と もに 性 能 が 向 上 され て い くた め,デ

ィ ジ タ ル オ シ ロス コー プ 自体 も年 々 高 性 能 化 され て

いる。   そ の た め,デ

ィジ タル オ シ ロ ス コ ー プ で は 波 形 デ ー タ に 関 す る高 度 の 演 算 処

理 を行 い,そ の 結 果 を リア ル タ イ ム で 表 示 で き る。 入 力 信 号 に応 じ た最 適 な 表 示 を 自動 的 に行 うオ ー トセ ッ トア ップ機 能,カ

ー ソル に よ る電 圧 の デ ィジ タル

読 み取 り,雑 音 の 中 か ら信 号 波 形 を取 り出 す信 号 処 理,リ ア ル タ イ ムFFT演

算

に よ る波 形 の 表 示 とパ ワ ー ス ペ ク トル 表 示 な どの 多 くの機 能 が 付 与 され る 。   記 憶 容 量 を十 分 もて ば,い

っ た ん記 憶 した 波 形 デー タ を圧 縮 して 表 示 し,ま

た一 部 を 拡 大 し て表 示 す る こ と もで き る。 特 定 の 波 形 パ タ ー ン だ け を さ が し出 し て表 示 させ るパ タ ー ンサ ー チ機 能 もあ る。   処 理 し表 示 した 信 号 波 形 デ ー タ を出 力 す る の に,ア 場 合 で はCRT管

ナログオ シロス コープの

面 に ポ ロ ラ イ ドカ メ ラな どを取 り付 け て撮 影 して い た が,デ

ィ ジ タル オ シ ロス コ ー プ で は プ リ ン タ に よ り出 力 す れ ば よ い こ とに な る。 また 数値 的 な デ ー タ も同 様 に プ リン トア ウ トで き る。 プ リン タ を 内 蔵 した デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ は 多 い し,そ の ほ か に も フ ロ ッ ピ ー デ ィ ス ク入 出 力 装 置

(FDD:Floppy

Disk

Drive)を

  GP‐IBやRS‐232‐Cな

もつ型 式 もあ る。

ど を 経 由 し て デ ィ ジ タ ル 通 信 回 線 に つ な い で,測 定 デ

ー タ を 外 部 の パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ な ど外 部 コ ン ト ロ ー ラ と の 間 で 授 受 す る こ と に よ り,測

定 条 件 を 遠 隔 地 か ら設 定 し た り,ま

っ た り で き る 。 こ の よ う な 可 能 性 は,社

内 のLAN(Local

らISDN(Integrated

Network)な

に 及 び,自   [4] 

Services

Digital

た 測 定 デ ー タ を遠 隔 地 に 送 Area

Network)か

どの 広 域 デ ー タ 回線 まで

動 計 測 シ ス テ ムへ と発 展 す る こ とに な る。 構 成 と動作 原 理

  実 際 の デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ は 利 便 さ を 追 求 す る た め,多 リ ー を 内 蔵 し て い る が,最

も簡 単 化 し た 構 成 図 を 図3・12に

注)S/H:標

図3・12 

くの ア ク セ サ

示す。

本 保 持 回路

デ ィ ジタ ル オシ ロ ス コー プ の構 成

  ア ナ ロ グ 入 力 信 号 を信 号 入 力 端 子 に 加 え,ト リガ入 力 端 子 に トリガ に加 え る。 入 力 信 号 は増 幅 され,標 本 保 持 回 路(sample

and hold circuit)で

路 か らの 水 晶 計 時 信 号 に よっ て 標 本 化(sampling)さ はA‐D変

クロック回

れ る。標 本 化 され た 信 号

換 され,メ モ リの 所 定 の ア ドレ ス に順 次 格 納 され る。ア ドレス は ク ロ

ッ ク を も ら っ て カ ウ ン タ 回路 が計 数 して作 る。   こ の メ モ リに収 め られ て い る デ ー タ は必 要 に 応 じ て 波 形 演 算 回路 で 処 理 さ れ,D‐A変

換 さ れ て ア ナ ロ グ信 号 に戻 さ れ, CRT上

に 表 示 さ れ る。ま た,記 録

紙 上 に各 種 デ ー タ を プ リン トア ウ トす る こ と もで き る。   デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コー プ の外 観 の 一 例 を 図3・13に 示 す。

図3・13 

  [5] 

デ ィジ タル オシ ロス コー プ の外 観

信 号 の サ ンプ リ ング

  デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ の周 波 数 帯 域 は サ ン プ リ ン グ 方 式 に よ っ て 異 な り,図3・14に 示 す よ うに,実 時 間 サ ン プ リン グ方 式 と等 価 時 間 サ ン プ リン グ 方 式 とが あ る。

(a)実

時 間 サ ン プ リン グ

図3・14 

(b)等

価 時 間サ ンプ リン グ

サ ン プ リン グ 方 式

  実 時 間 サ ンプ リン グ 方 式 は単 発 現 象(1回

だ け生 起 す る 波 形)を

観測するこ

と を 目 的 と して い る。 波 形 を一 定 速 度 で サ ン プ リ ン グ し,メ モ リ に記 憶 させ CRT上

に 表 示 す る 。この 周 波 数 帯 域 幅 は サ ン プ リ ン グ周 波 数 の2.5分

の1に

な

る。   等 価 時 間 サ ンプ リン グ 方 式 は繰 り返 し波 形 の観 測 を 目 的 と して い る。 ト リガ 位 置 を 基 準 に して,反 復 す る信 号 を 時 系 列 に そ っ て順 次 メ モ リに記 憶 させ,マ イ ク ロ プ ロセ ッサ で も との 波 形 を組 み 立 て る。 この 方 式 で は高 精 度 の 波 形 再 現

を 行 う た め,標 よ り も,は

本 化 周 波 数 の 最 小 値 で あ る ナ イ キ ス ト レ ー ト(Nyquist

る か に 高 い 周 波 数 で デ ィ ジ タ ル 化 す る 。 こ の た め,必

rate)

要 な周 波 数 帯

域 も広 が る 。   ナ イ キ ス ト レ ー ト と は 標 本 化 を 行 う 際,標 本 化 周 波 数fs[Hz]は 周 波 数fm[Hz]の2倍

は 必 要 で あ る,と

信 号 波 の最 高

い う 標 本 化 定 理(sampling

に 基 づ い た サ ン プ リ ン グ 周 波 数 で あ る 。 す な わ ち,標

theorem)

本 化 定 理 は, (3・10)

と表 され,信

号 波 の 帯 域 幅 をBm[Hz]と

す る と,同 様 に (3・11)

ま た,標

本 の 時 間 間 隔 をT[s]と

す る と,こ

の 最 大 値 はTm=1/Bmで

あ る か ら, (3・12)

  等 価 時 間 サ ン プ リン グ 方式 に は,信 号 波 形 に そ っ て逐 次 サ ン プ リ ン グ し て い くシ ー ケ ン シ ャル サ ン プ リ ン グ(sequential

sampling)と,波

形 の任 意 の 箇 所

を ラ ンダ ム に サ ン プ リン グ す る ラ ン ダ ム サ ン プ リン グ(random

sampling)の

二 つ の 方 式 が あ る。   シ ー ケ ン シ ャル サ ン プ リ ン グ は トリガ 時 点 を 基 準 と して,一 定 時 間 ず つ サ ン プ リ ング 位 置 を遅 らせ て い くや り方 で,広 帯 域 の観 測 を必 要 とす る サ ン プ リ ン グオ シ ロ ス コ ー プ に広 く用 い られ る。   ラ ンダ ム サ ンプ リン グ は任 意 にサ ン プ リン グ した デ ー タ を メモ リに い った ん 落 と して,ト

リガ 位 置 を基 準 に 並 べ か え再 構 成 す るや り方 で,プ

リ ト リガ が 容

易 に行 え る とい う利 点 が あ る。   [6] 

エ リア シ ン グ

  単 発 波 形 の 観 測 の よ う に,実 時 間 で 信 号 波 形fmの ン グ周 波 数fsがfs＜2fmで

あ れ ば,当 然,誤

観 測 を行 う場 合,サ ン プ リ

差 が 生 じ る。

  図3・15の よ う に,ア ナ ロ グ 入 力 信 号(a)に 対 して,十 分 高 い サ ン プ リ ン グ周 波 数(オ

ー バ ー サ ン プ リン グ)で 観 測 す れ ば,(b)の

実 に再 現 で き るが,ア

よ う に も との 原 波 形 を忠

ナ ロ グ入 力 周 波 数 の2倍 以 下 の サ ン プ リ ン グ周 波 数(ア

ン ダ ー サ ン プ リ ン グ)で

標 本 化 す る と,(c)の

よ う に低 い 周 波 数 が 観 測 され た か

の よ う に 観 測 さ れ る 。 こ れ を エ リ ア シ ン グ(aliasing:折

り返 し誤 差)と

呼 ん

で い る。

(a)ア ナ ロ グ入 力信 号

(b)十 分高 い サ ン プル 周波 数の 場合

(c)サ ン プ リン グ周 波数 が低 す ぎるた めに エ リア シン グが発 生 した場 合 図3・15 

図3・16 

エ リア シ ン グ

  この現 象 を周 波 数 領 域 に つ い て み る と,図3・16の

折 返 し誤 差

よ う に見 か け上,fs/2の

と

こ ろで 折 り返 した よ う に実 在 しな い 信 号 が現 れ る。 これ が 折 り返 し誤 差(エ

リ

ア シ ン グ)と 呼 ば れ る理 由 で あ る。   [7] 

パ ー セ プ チ ュ ア ル エ リア シ ン グ

  実 時 間 サ ン プ リ ング を行 う と き に は,上 述 の エ リア シ ン グ が 問 題 とな るが, そ の ほ か に も一 連 の エ リア シ ング誤 差 が あ る。   周 波 数 帯 域 を狭 くす る こ とに よ り生 起 す る現 象 と して,視 覚 の 錯 覚 に よ り視 認 が 困難 に な るパ ー セ プ チ ュ ア ル(perceptual)エ タ ル化(離

散 化)し

た 波 形 デー タ をCRT上

リア シ ン グ が あ る。 デ ィ ジ

に 表 示 す る場 合,次

の よ う に三 と

お りの 方 法 が あ る。   ① ドッ ト(点)で 表 示 す る ドッ ト表 示 法,② 不 連 続 点 を連 続 な線 分 で 補 間 す る 直 線 補 間 法,こ

れ は不 連 続 な 点 と点 との 間 を直 線 で結 ぶ た め,こ

線 で 結 ん だ ギ ザ ギ ザ の 「の こ ぎ り」 状 の 波 形 とな るの で,③ と呼 ばれ る曲 線sinx/xを

れ だ けで は直

さ らに サ イ ン関 数

使 っ て補 間 す る サ イ ン補 間 法 が あ る。

  図3・17は

ドッ ト(点)表 示 の例 で あ る。入 力 信 号 は 高 い 周 波 数 で あ るが,低 い

周 波 数 の 波 形 が 重 な っ て い る よ うに 見 え,パ ー セ プ チ ュ ア ル エ リア シ ン グ を 表 して い る。

図3・17 

ドッ ト表 示 の パ ー セ プ チ ュ ア ル

図3・18 

エ リア シ ン グ

  図3・18は

ドッ ト表 示 の 直 線 補 間 (パ ー セ プ チ ュ ア ル エ リア シ ン グ は 残 る)

直 線 補 間 表 示 で,高

い 周 波 数 で あ る こ と は 観 測 で き る が,デ

ィジタ

ル 化 の た め,波

形 先端 が 欠 け て 不 均 一 に な っ て い る の が 観 測 され る。 これ をエ

ン ベ ロ ー プ(包

絡 線:envelope)誤

差 と い う。

  実 時 間 サ ン プ リ ン グ を 行 う 場 合,上 い 周 波 数 帯 域 は,図3・19に グ レ ー トの1/25,②

述 の よ う な各 種 の エ リア シ ング の 生 じ な

示 す よ う に,そ

れ ぞ れ ① ド ッ ト表 示 で は サ ン プ リ ン

直 線 補 間 で は サ ン プ リ ン グ レ ー トの1/10,③

は サ ン プ リ ン グ レ ー トの1/2.5で

図3・19 

あ る。

各 種 の エ リア シ ン グ領 域

サ イ ン補 間 で

  表3・2に 概 略 の 仕 様 を 示 す 実 際 の デ ィ ジ タル オ シ ロ ス コー プ を使 っ て 周 波 数 の 異 な る正 弦 波 の 実 時 間 サ ンプ リン グ を行 う と,図3・20の

よ う に な る。

表3・2  例 示 し た デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ の 主 要 性 能

*S/s:1秒

図3・20 

あ た り の サ ン プ ル 数(Sample

per Second)

例 示 し た デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コー プ に よ る 正 弦 波 の 観 測

  この例 に挙 げ て い る デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ は 実 時 間 サ ンプ リ ン グ レー ト が200MS/sで (1)ド

あ るが,こ れ で い ろ い ろ な 周 波 数 を観 測 す る と次 の よ う に な る。

ッ ト表 示:上

述 の よ う に,200MHz/25=8MHzで

ッ ト波 形 が 観 測 さ れ るが,そ

れ 以 上 で は波 形 が 乱 れ る。

(2)直 線 補 間 表 示:200MHz/10=20MHzま が,そ

は正 確 な正 弦 波 の ド

で は正確 な波形 が得 られ て い る

れ以 上 に な る と 「の こ ぎ り」 状 の 波 形 に な る。

(3)サ イ ン補 間 表 示:周

波 数 帯 域 が 広 い た め,200MHz/2.5=80MHzま

良 好 な表 示 が 得 られ て い る が,100MHzに

では

な る と振 幅 が 小 さ くな っ て い る 。

  サ イ ン補 間 表 示 は利 用 周 波 数 範 囲 が 広 い が,パ

ル ス 波形 の よ うな 立 上 りが 急

峻 な(鋭 い)ス

テ ップ 状 の 信 号 で は,立 上 り部 分 に 大 き な オ ー バ ー シ ュ ー ト

(overshoot)や

プ リシ ュ ー ト(preshoot)が

現 れ,正 確 に 観 測 し に くい こ とが

あ る。 した が っ て,実 時 間 サ ン プ リン グ を行 う場 合,パ

ル ス 信 号 に対 して は直

線 補 間,正 弦 波 に は サ イ ン補 間 とい う よ うな使 い 分 け が必 要 で あ る。   [8] 

実 効 蓄 積 周 波 数 帯 域 と 実 効 立 上 り時 間

  前 述 の よ うに,正 弦 波 の 観 測 に お い て,実 時 間 サ ン プ リ ン グ を行 う際 の 実 効 蓄 積 周 波 数 帯 域 は サ イ ン補 間 を利 用 す る とサ ン プ リ ン グ レ ー トの1/2.5に

な

る。   ラ ン ダム 等 価 時 間 サ ンプ リン グ を利 用 して繰 り返 し波 形 観 測 を行 う場 合,実 効 蓄 積 周 波 数 帯 域 はサ ンプ リン グ レー トに は無 関係 で,入 力 増 幅 器 や 標 本 保 持 回路 の 特 性 に よ り決 ま っ て くる。 表3・2に 例 示 した デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ の場 合,実 時 間 サ ン プ リ ン グ レ ー トは200MS/sで 帯 域 は300MHzと

あ るが,等 価 時 間 蓄 積 周 波 数

な って い る。

  パ ル ス 波 形 の観 測 で は,実 際 の パ ル ス の 立 上 り を どの 程 度 正 確 に表 示 で き る か が 問 題 と な る。 い わ ゆ る ス テ ップ 関数 の よ うな立 上 り時 間 が ゼ ロ の 波 形 が 入 力 され た場 合,CRT上

で 観 測 さ れ る立 上 り時 間 を実 効 立 上 り時 間 と い う。

  単 発 パ ル ス 波 形 を 実 時 間 サ ン プ リ ン グ で 観 測 す る場 合,図3・21に

示すよう

に,信 号 波 形 の サ ン プ リン グ の や り方 に よ っ て,立 上 り時 間 は サ ン プ リン グ間 隔 の0.8倍

か ら1.6倍

の 間 を と る。 最 悪 の場 合 と して,実 効 立 上 り時 間 はサ ン

図3・21  単 発 パ ル ス波 形 の立 上 り時 間 プ リ ン グ 間 隔 の1.6倍

を と る 。 ち な み に,最 悪 の 場 合 で,200MS/sの

ン グ レ ー トで の 実 効 立 上 り時 間 は,1.6/(200×106)=8nsで

あ る。

  繰 り返 し 波 形 の ラ ン ダ ム 等 価 時 間 サ ン プ リ ン グ に よ る 観 測 で は,実 波 数 帯 域 をf〔MHz〕

と す る と,実

サ ンプ リ

効 立 上 り時 間Tr〔ns〕

効蓄 積周

は近 似 的 に 次 の よ う に

与 え られ る。 (3・13)

例 え ば,実 効 蓄 積 周 波 数 帯 域 が300MHzで

あれ ば,Tr=350/300=1.17nsと

な

る。   い ま まで ス テ ッ プ関 数 の よ う な理 想 的 な 波 形 に つ い て考 え て きた が,実 パ ル ス 波 形 は あ る程 度 の立 上 り時 間Tsを 上 り時 間Trの

際の

も っ て い る か ら,こ の 波 形 を実 効 立

オ シ ロス コー プ で観 測 した と き の立 上 り時 間 をTtと

す る と,お

お よ そ 次 の よ う な関 係 に な る。 (3・14)

例 え ば,実 効 蓄 積 周 波 数 帯 域300MHzの 観 測 す る と,Tt=√22+1.172=2.3nsと   [9] 

オ シ ロ ス コー プ でTs=2nsの

波形 を

な る。

単 発 周 波数 帯 域

  単 発 波 形 を 実 時 間 サ ン プ リ ン グで 観 測 す る場 合,サ

ン プ リ ン グ レー トと デ ィ

ジ タ ル 化 し た値 を メ モ リに記 録 させ る レ コー ド長 は,互

い に 妥 協 しあ う関 係 に

あ る。 す な わ ち,有 限 の メ モ リ資 源 を使 用 す るわ けで あ る か ら,高 い周 波 数 の 入 力 を 正 確 に 観 測 す る た め に は サ ン プ リ ン グ を速 く,言 い 換 え れ ば1分 画

(Division)当   逆 に,波

た り の 時 間(Time/Div)を

形 の 全 体 像 を と ら え る た め に は,サ

ばTime/Divを   い ま,レ

短 く す る必 要 が あ る 。 ン プ リ ン グ を 遅 く,言

い換 えれ

長 くす る必 要 が あ る。 コ ー ド長 をN,サ

と す る と,次

ン プ リ ン グ 間 隔 をΔT,サ

ン プ リ ン グ 周 波 数 をfs

の 関 係 が あ る。

(3・15)

(3・16)

標 本 化 定 理 か ら, (3・17)

こ れ ら の 三 つ の 式 か ら,

(3・18)

が 得 ら れ る 。 こ のfが

単 発 周 波 数 帯 域 で あ る。

  周 波 数 帯 域 幅 が10MHzの

デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ に つ い て,レ

を パ ラ メ ー タ に と っ て 単 発 周 波 数 帯 域 とTime/Divの の が 図3・22で あ る 。 こ の 図 か ら,大

コ ー ド長

関係 を グラ フ に した も

容 量 メ モ リ を も ち,レ

図3・22  レ コー ド長 と単 発周 波数 帯 域 の関 係

コ ー ド長 が 長 い ほ ど

単 発 周 波 数 帯 域 が 広 が り,高 い周 波 数 成 分 も観 測 で き る こ とが 理 解 され る で あ ろ う。   [10]  垂 直 軸 分 解 能   波 形 の振 幅 を表 す デ ィ ジ タル オ シ ロ ス コ ー プ で の垂 直 軸 分 解 能,す 直 軸 の精 度 な い しは解 像 度,はA‐D変 デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コー プ で は8ビ

な わ ち垂

換 器 の ビ ッ ト数 で 決 ま る。 これ は 普 通 の ッ ト,高 精 度 の もの で は12ビ

ッ ト程 度 で あ

る。  nビ

ッ トの 分 解 能 はCRTの

垂 直 表 示,す

1)等 分 に 分 割 し,2nレ ベ ル(段 8ビ ッ トのA‐D変

な わ ち 電 圧 の フ ル ス ケ ー ル を(2n-

階)で 表 示 す る こ と を意 味 し て い る。例 え ば,

換 器 で デ ィ ジ タ ル 変 換 され た 信 号 振 幅 は28=256レ

分 解 能 を もち,そ の ス ケ ー ル は2-8=0.4%ご ッ トの 場 合 は,4096レ

ベルの

とに刻 まれ て い る。 同様 に,12ビ

ベ ル の分 解 能 で,ス

ケ ー ル刻 み は0.024%と

な る。

  [11]  サ ン プ リ ン グ オ シ ロス コ ー プ   高速 半 導 体 デ バ イ ス,高 速 デ ィ ジ タ ル 通 信 な ど,ナ ノ秒 な い し ピ コ秒 で 変 化 す る 短 パ ル ス や 高 速 波 形 に対 して は,通 常 の オ シ ロス コー プ を使 用 して も応 答 速 度 が 追 い つ か ず,現 象 の観 測 や 解 析 が十 分 に行 えな い。   この よ う な問 題 を解 決 す る た め に,シ sampling)を

ー ケ ン シ ャ ル サ ン プ リ ン グ(sequential

利 用 し た デ ィ ジ タル サ ン プ リン グ オ シ ロ ス コ ー プ が 利 用 され

る。   これ まで に述 べ て きた デ ィジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ で は,実 時 間 サ ン プ リ ン グ を行 うた め,周 波 数 帯 域 は10MHzな グオ シ ロ ス コ ー プ で は10GHzく

い し500MHz程

度 で あ るが,サ ン プ リ ン

らい で大 幅 に拡 大 され る。した が って,測 定 す

る帯 域 幅 が 増 加 す る た め,高 周 波 や 高 速 現 象 の 観 測 が容 易 に な る。   図3・23に サ ンプ リン グ オ シ ロ ス コ ー プ の 系 統 図 を示 す 。この 中 で も入 力 端 に あ る サ ンプ リン グ ヘ ッ ドが キ ー デ バ イ ス で,図3・24の

よ う に トリガ に駆 動 さ れ

る タ イ ム ベ ー ス 回路 か らの 信 号 を も ら っ て ス トロ ー ブ パ ル ス(strobe

pulse)

を発 生 し,ダ イオ ー ドブ リッ ジ に よ るサ ン プ リン グ ゲ ー トで 入 力 信 号 を ご く短 時 間 オ ン に し,こ の 時 間 に コ ンデ ンサCが

充 電 され サ ンプ リン グヘ ッ ドの 出 力

図3・23 

サ ン プ リ ン グ オ シ ロ ス コー プ の 系 統

図3・24 

と し て,そ

サ ン プ リ ン グヘ ッ ド

の 後 段 の デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ 部 に 供 給 さ れ,や

が て 抵 抗Rに

よ り放 電 さ れ る 。   図3・25の

よ う に,ス

トロ ー ブ パ ル ス は ト リ ガ 信 号 を も ら う と,そ の 前 縁 か ら

一 定 の 時 間 遅 延 を お い て サ ン プ リ ン グ して い き

れ ら 微 小 時 間Δtだ

け異 な

る 断 片 的 な 波 形 を を メ モ リ に 蓄 積 し て ス ム ー ジ ン グ す る こ と に よ り,入

力 波形

を 再 現 す る こ と が で き る 。 こ のΔtが10ps/Divの

,こ

と き,最

高 で0.2psと

な る。

図3・25 

シー ケ ン シ ャルサ ンプ リン グの原理

  この よ うに して,高 速 に変 化 す る波 形 は サ ン プ リン グ ヘ ッ ドに よ り低 い 周 波 数変 化 に変 換 され,比 較 的 低 速 な デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ 部 で 観 測 さ れ る。   サ ン プ リン グ オ シ ロ ス コー プで は制 約 事 項 と して,次

の よ うな こ とが 挙 げ ら

れ る 。① 外 部 トリガ が 入 力 信 号 と完 全 に同 期 して い る必 要 が あ り,ま た ② 外 部 トリガ信 号 の 前 縁 に対 し て入 力 信 号 は一 定 時 間 後 に 入 力 波 形 と して 捕 捉 され る 必 要 が あ る。

3・4 

任 意波形 発生器

  信 号 発 生 器 は最 近 ま で は 単 能 機 と して,低 周 波 や 高 周 波 の 発 振 器,パ 生 器 な どが あ っ た が,デ

ル ス発

ィ ジタ ル 技 術 の 進 歩 に と も な い,任 意 の 複 雑 な 波 形 を

合 成 で き る任 意 波 形 発 生 器 が 出 現 して い る。 ま た この ほ か,デ

ィジタル シンセ

サ イ ザ な ど,デ ィ ジ タ ル 技 術 を利 用 して 広 い 周 波 数 範 囲 の 正 弦 波,三

角 波,パ

ル ス波 な ど各 種 波 形 を 高精 度 で 発 生 す る フ ァ ン ク シ ョン ジ ェ ネ レ ー タ(function generator)が

あ る。

  これ らの デ ィジ タル 技 術 を利 用 した 信 号 発 生 器 に は,パ ル ス 発 生 器,デ

ータ

ジ ェ ネ レー タ,デ ィ ジ タ ル シ グ ナル ジ ェ ネ レー タ な ど,い ろ い ろ な名 称 が あ る。   [1] 

任意 波 形発 生 器

  電 子 機 器 の 試 験 や 評 価 を行 う と き,従 来 は何 種 類 もの信 号 発 生 器 に よ り,異 な っ た 入 力 波 形 が 必 要 で あ った が,実 際 に使 用 され る特 殊 な 波 形 で も任 意 波形 発 生 器 を利 用 して,こ 重 畳 さ れ た 波 形,特

れ ら を作 り出 す こ とが で き る。 得 られ る波 形 は,雑 音 が

殊 な 変 調 が か か った 波 形,高

調 波 で歪 ん だ波 形 な ど,変 形

され て い て も再 現 で き,そ の 発 生 も可能 で あ る。   実 際 の 機 器 の 試 験 や 評 価 を行 う場 合,そ

の 機 器 を動 作 状 態 に置 い て 疑 似 信 号

を入 力 す る こ とに よ り,信 頼 性 の 高 い 結 果 を得 る こ とが で き る。 例 え ば,通 信 シ ス テ ム の 試 験 ・評 価 を行 う と き,広 帯 域 雑 音 や フ ェ ー ジ ン グ の 混 在 し た各 種 変 調 波 形 を入 力 し て,シ ス テ ム の 信 号 対 雑 音 比 やBER(Bit ト誤 り率)を

Error Rate:ビ

ッ

求 め る こ とが で き る。

  任 意 波 形 発 生 器(arbitrary

waveform

generator)は

この よ う に柔 軟 性 に 富

み,万 能 的 な 波 形 発 生 器 で あ る た め,利 用 範 囲 は広 い。 機 器 の評 価 や 解 析 に使 用 す る場 合,波

形 を厳 密 に関 数 で定 義 した とお り発 生 す る機 能 と,実 波 形 また

は これ を変 形 した 波 形 を発 生 す る機 能 とを備 え て い る。   [2] 

任 意 波 形 発 生 器 の 原理

  任 意 波 形 発 生 器 の動 作 原 理 は 図3・26に 示 す よ う に,内 蔵 した メ モ リに あ らか じめ 記 憶 して あ る デ ィ ジ タル 形 式 の 波 形 デ ー タ を読 み 出 し,D‐A変 ロ グ デ ー タ に 直 し て 出 力 す る。

図3・26  任 意 波 形発生 器 の 原 理

換器 でアナ

  [3] 

任意波形発生器の構成

  任 意 波 形 発 生 器 の 外 観 を 図3・27に 示 す 。 この型 式 は4チ

ャネ ル 同 時 出力 で,

内 蔵 の マ イ ク ロ プ ロ セ ッサ に よ り,種 々 の 波 形 出 力 を1台 で 発 生 す る こ とが で き る。

図3・27  任 意 波 形発 生 器の 外 観   こ の 任 意 波 形 発 生 器 の 系 統 図 を 図3・28に 16ビ

ッ ト ・マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ で,キ

示 す 。こ の 測 定 器 の 心 臓 部 は 内 蔵 の

ー ボ ー ド操 作 と デ ィ ス プ レ イ に よ る 表 示

が マ ン ・マ シ ン ・イ ン タ フ ェ ー ス に な る 。 記 録 は フ ロ ッ ピ ー デ ィ ス ク に と る こ とが で き る。

図3・28  任 意 波 形発 生 器の 系 統図   系 統 図 を 見 る と,CPU(Central ほ と ん どPC(Personal

Processing

Computer)のI/O(入

ジ ェ ネ レ ー タ は 図3・26か ら も わ か る よ う に,そ

Unit:中 出 力)と

央 処 理 装 置)か

ら左 は

変 わ ら な い 。ク ロ ッ ク

の 周 波 数 は デ ー タの 流 れ や 処 理

の速 さ を決 め る もの で,機 種 に よ り10MHzか

ら1GHzく

形 を構 成 す る設 計 図 は シー ケ ンス メ モ リ(sequence

ら いの 幅 が あ る。波

memory)に

与 え られ て

い て,波 形 を合 成 す るプ ロ グ ラ ム を 発 生 す る 。 こ の信 号 か ら任 意 波 形 を発 生 す る ア ドレ ス ジ ェ ネ レ ー タ(address

generator)は,ト

リガ 制 御 部 の ス ター ト信

号 に よ り,タ イ ミ ング を決 め て任 意 の 波 形 を読 み 出 す 。CH1か

らCH4ま

での

各 チ ャ ネル は そ れ ぞれ 波 形 メモ リを もっ て い る。   波 形 メモ リの 記 憶 容 量 は,機 種 に よ り32キ で あ り,16キ

ロ ワー ドか ら4メ ガ ワー ド く らい

ロ ワ ー ドの 波 形 エ レ メ ン トが 最 大16個

は機 種 に よ り8ビ ッ トな い し12ビ

登 録 さ れ る。D/A変

換器

ッ トの分 解 能 で,後 段 の フ ィル タ で デ ィ ジ タ

ル 処 理 に と もな う段 階 状 の 波 形 を平 滑 化 す る。   [4] 

波形の発生

  任 意 波 形 発 生 器 の 波 形 発 生 機 能 は,ま ず 出 力 した い 波 形 を メモ リの 中 に デ ィ ジ タ ル デ ー タ と し て作 り,D‐A変

換 器 を通 し て ア ナ ロ グ信 号 に直 し て 出 力 す

る。 こ の た め,ほ ぼ 万 能 的 な 波形 発 生 手 段 を備 え る こ とが 必 要 に な る。 ふつ う 任 意 波 形 発 生 器 に は,① 関 数 定 義,②

ス コ ー プ ドロー,お

よ び③ デ ィ ジ タ ル オ

シ ロ ス コー プで つ くった 波 形 の ダ ウ ン ロ ー ド,の 三 とお りの 方 法 が あ る。   関 数 定 義 で は,波 形 が 時 間 の 関 数,y=f(t)と

して 表 現 で き る もの は,す べ て

作 り出 す こ とが で き る。 定 義 で き る関 数 は,四 則 演 算,三

角 関 数,対 数 関数,

指 数 関 数,平 方 根,白 色 雑 音 な どで,こ れ らの 関 数 を組 み 合 わ せ る こ とに よ り, 生 成 で き る波 形 の 種 類 が 多 くな る。 図3・29(a)に 関 数 定 義 に よ る 波 形 プ ロ グ ラ ム の 例 を,同 図(b)に

この プ ロ グ ラ ム に よ り生 成 され た 波 形 を,そ れ ぞ れ 示 す 。

  ス コー プ ドロー(scopedraw)は,CRT観

測 波 形 で の 波 形 の定 義 と修 正 機 能

で あ る。 波 形 の 修 正 に は直 線 補 間 と,ス プ ラ イ ン 曲線(splined

curve)で

なめ

らか に近 似 させ る ス プ ラ イ ン補 間 とが あ る。図3・30に ス プ ラ イ ン補 間 に よ る 波 形 の修 正 を例 示 して い る。

(a)関 数 定 義 に よ る波 形 プ ロ グラム 例

(b)出

力 波形

図3・29  関 数定 義 に よ る波 形の 生 成

  デ ィ ジ タル オ シ ロ ス コ ー プ か ら任 意 波形 発 生 器 へ の 波 形 の ダ ウ ン ロー ドは, 互 い の メ モ リ間 の 波 形 デ ー タ の転 送 に よ る。 これ に はGP‐IBイ が 利 用 さ れ,い

ン タ フ ェー ス

っ た ん 任 意 波 形 発 生 器 に記 憶 され た波 形 は,消 去 し な い 限 り必

要 に応 じて再 現 で き る。 また,デ

ィ ジ タル オ シ ロ ス コ ー プ の 代 りに,パ ー ソ ナ

ル コ ン ピ ュ ー タ で 作 成 した 波 形 を利 用 す る こ と もで き る 。

(a)修

(b)ス

正 範 囲 と修 正 点 の設 定

プ ライ ン補 間 波 形 と元 波 形の 比 較

(c)波 形修 正 完 了 図3・30 

  [5] 

ス コ ー プ ドロ ー に よ る ス プ ラ イ ン 補 間

シ ーケ ンス プ ログ ラ ム機 能

  任 意 波 形 発 生 器 の 波 形 発 生 を 行 う 波 形 メ モ リ は 機 種 に よ り,32キ ら4メ

ガ ワ ー ド と 容 量 に 違 い が あ る 。 例 え ば,128キ

に 示 す よ う に,8キ

ロ ワ ー ドの 波 形 要 素(wave

ぞ れ の 順 序 を シ ー ケ ン ス プ ロ グ ラ ム(sequence 立 て た り,ル ー ピ ン グ(looping)に ル ー プ 回 数 は,無

ロ ワ ー ドの 場 合,図3・31

element)を16個 program)に

よ り循 環 さ せ,繰

限 の 組 合 わ せ に よ り設 定 で き る 。

ロ ワー ドか

つ く り,そ れ よ りつ な げ て 組

返 す こ とが で きる。 この

図3・31 

シー ケ ン スプ ロ グラム 機 能

問

題

3‐1  デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ の 系 統 図(図3・3)に ル 部 と を 導 線 で 接 続 せ ず,フ 3‐2 前問 の 図 で,A‐D変

お い て,測

定 回路 部 とデ ィジタ

ォ トカ プ ラ で 接 続 す る 理 由 を 述 べ よ。

換 器 と して,PWM方

式 を使 用 し て い る が,そ

の 長 所 と短

所 を述 べ よ 。 3‐3  PWM形

の 帰 還 形 パ ル ス 変 調 方 式 に お い て,ク

パ ル ス 幅 を0.2msと

ロ ッ ク信 号 の 周 波 数 を1kHz,

す る と き,入 力 電 圧 を 求 め よ。た だ し基 準 電 圧Esは5Vと

す る 。 

(答   3V)

3‐4  デ ュ ア ル ス ロ ー プ 方 式 に お い て,積 分 時 間 を20ms,演  

算増 幅器 の入 出力端 子 を

短 絡 し て 出 力 電 圧 が ゼ ロ に な る ま で の 時 間 を10ms,基

準 電 圧 を1.5Vと

と,被 測 定 電 圧 の 値 を 求 め よ。  

す る

(答   0.75V)

3‐5 低 い 抵 抗 値 を測 定 す る の に,四 端 子 測 定 法 が 必 要 な 理 由 を 述 べ よ。 3‐6  サ ン プ リ ン グ レ ー トが250MHzの

デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ で,実

プ リ ン グ に よ る単 発 波 形 の 観 測 を行 う と き,ド

ッ ト表 示,直

線 補 間,お

時間 サ ン よび サイ

ン補 間 各 周 波 数 領 域 の 上 限 を求 め よ。 (答  そ れ ぞ れ,10,25,お

よ び100MHz)

3‐7 表3・1に 示 す よ うな 代 表 的 な 波 形e(t)に

つ い て,実 効 値,平

よ び 波 高 率 を 求 め よ。た だ し実 効 値 と平 均 値 と はTを

均 値,波

形 率,お

周 期 と し て,次 の よ う に 求

め られ る 。

実効値  (答  表 中 に記入)

 平均値 3‐8  あ る ひ ず み 波e(t)に

つ い て,フ ー リエ 級 数 を 求 め た と こ ろ,次 の とお りで あ っ

た。

この信号 波形e(t)の 実効 値Eは,

で あ り,ま た,こ

れ ら の 各 ス ペ ク トル に つ い て,実 効 値Eiは (周 波 数iω/2π の ス ペ ク トル に つ い て)

で あ る こ と を証 明 せ よ。 3‐9  デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ で 繰 り返 し 波 形 の ラ ン ダ ム 等 価 時 間 サ ン プ リ ン グ に よ る 観 測 を 行 う場 合,実

効 蓄 積 周 波 数 帯 域 幅 を250[MHz]と

す る と き,実 効 立

上 り時 間 を求 め よ 。 

(答1.4ns)

3‐10  前問 の デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ を使 用 し て 波 形 を観 測 す る場 合,被 ス 波 形 の もつ 固 有 の 立 上 り時 間 を3nsと 間(概

略 値)を

す る と,観 測 され るパ ル ス 波 の 立 上 り時

求 め よ。 

(答   3.3ns)

3‐11  デ ィ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ の 垂 直 軸 分 解 能 が10ビ 能 の レベ ル 数 と1ド

ッ トで あ る と き,そ

ッ トの 占 め る フ ル ス ケ ー ル の パ ー セ ン テ ー ジ(%)を   (答   1024レ

3‐12  A‐D変

測定 パ ル

換 を行 う 際 に標 本 化 を 行 うが,図3・32(a)に

求 め よ。

ベ ル,0.098%)

示 す よ う に,同 図(b)の 標 本

保 持 回 路 の 時 定 数 に も とづ く ア ク イ ジ シ ョ ン タ イ ム(acquisition 号 変 換 の た め に必 要 な ア パ ー チ ュ ア タ イ ム(aperture

の分 解

time)と

time)と,信 呼 ば れ る時 間遅

れ が あ る。ア パ ー チ ュ ア タ イ ム 内 に信 号 の 振 幅 が 急 激 に 変 化 し た と き に は 誤 差 が 生 じ る の で,こ の 振 幅 を 次 の標 本 化 信 号 が 来 る ま で 記 憶 し て お く回 路 が 標 本 保 持

回 路 であ る。   この 図 の(b)は

実 用 さ れ て い る標 本 保 持 回路 で あ る が,増

ー ダ ン ス で ,こ の 回 路 が 動 作 状 態 に あ る と き に は100%帰

幅器 は高入 力 イ ン ピ

還 を行 い信号 伝送 誤差

を 少 な く して い る。 ク ラ ン ピ ン グ ダ イ オ ー ド は,こ の 回 路 に ロ ジ ッ ク信 号 が 入 力 さ れ ず,ス イ ッチ と し て 開 い た と きに,標 本 保 持 を安 定 化 す る た め の もの で あ る。   こ の 回路 に つ い て,標

本 保 持 機 能 を 定 性 的 に 説 明 せ よ。

(a)標 本保 持 の動 作

(b)閉 ルー プ 標 本保 持 回 路

図3・32  標 本 保持 の動 作 と回路

4、 測定データの記録 4・1 

アナ ログ量の 記録

  電 気 量 の 記 録 に は,電 圧,電

流 な どに 比 例 して動 く測 定 部 と,時 間 軸 と して

送 り出 され る記 録 部 で構 成 さ れ る記 録 計 が 用 い られ る。 動 作 原 理 か ら直 動 式 と 自動 平 衡 式 が あ り,記 録 方 式 に は イ ン ク式,感 (1abo:laboratory)用

熱 式 な どが あ る。 形 状 は ラ ボ

と いわ れ る卓 上 型 が 多 い が,制 御 盤 な どに 使 わ れ るパ ネ

ル 取 付 形 もあ る。   こ こで は長 時 間 に わ た りゆ っ く り と変 化 す る量 を記 録 す る器 材 に つ い て 述 べ,変 化 の速 い 現 象 の 記 録 に 用 い る オ シ ロ グ ラ フ に つ い て は2.7節   [1] 

に述 べ た。

直動 式 記 録 計

  これ は指 示 計 器 の 指 針 の先 に ペ ン を付 け,電 気 信 号 に よ る振 れ を記 録 紙 に書 か せ る もの で あ る。 この 方 式 は 入 力 ペ ン を駆 動 す る エ ネ ル ギ ー を 入 力 電 気 量 か

図4・1  直 動 式 記録 計 の動 作 原理 と構 造

ら得 る た め,精 度 は あ ま りよ くな い(指 示 計 器2.5級

程 度)。 図4・1に 動 作 原 理

と構 造 の概 略 を示 す 。 この 方 式 の も の は構 造 が 簡 単 で 安 価 で あ るた め,電 圧 や 温 度 な どの 簡 易 記 録 に適 し て い るが,入 力 抵 抗 は あ ま り高 くな い の で,被 測 定 回路 に接 続 す る とき は,そ の影 響 を十 分 に考 慮 す る必 要 が あ る。直 動 式 は電 力 ・ 配 電 関 係 に も広 く用 い られ て き た が,マ

イ ク ロ プ ロ セ ッサ な ど技 術 の 進 歩 に と

もな い ハ イ ブ リッ ド レコ ー ダ な どに置 き換 え られ つ つ あ る。   [2] 

自動 平衡 形記 録 計

  これ は 記 録 ペ ン を駆 動 す る の にサ ー ボ モ ー タ を用 い,ペ

ンの 位 置 が被 測 定 電

気 量 に比 例 す る よ う 自動 平 衡 を と る方 式 の 記 録 計 で,電 位 差 計 式 とブ リ ッ ジ式 が あ る。 図4・2に 電 位差 計 式 の動 作 原 理 を示 す 。 これ は図2・2に 示 した電 位 差 計 を 自動 化 した もの で あ る。 サ ー ボ シ ス テ ム に は交 流 サ ー ボ方 式 と直 流 サ ー ボ 方 式 とが あ るが,高 感 度 で ペ ン速 度 の 速 い もの に は直 流 方 式 が 多 い 。

図4・2  自動 平 衝 形 電位 差 計 の動 作 原理

  図4・2に お い て,す

べ り抵 抗 器 の ブ ラ シ がCの

Exが 入 っ て きた と き,AC間

の 電圧Es'とExの

位 置 に あ り測 定 す べ き電 圧 差 の 電 圧(e=Ex−Es')が

増

幅 器 の 入 力 と して加 わ る。eは 増 幅 され サ ー ボ モ ー タ が 回 転 し,モ ー タ に直 結 さ

れた ブ ラ シ を 動 か し,e=0に

な った 点 で モ ー タ は止 ま る 。ブ ラ シ と記 録 計 用 の

ペ ン とを連 動 させ れ ば ペ ン は 入 力 電 圧Exに

比 例 した位 置 で 停 止 す る こ と に な

る 。 こ の時 の 入 力 抵 抗 は理 論 的 に は無 限 大 で あ り,ま た ペ ン駆 動 の エ ネ ル ギ ー は直動 式 の よ う に被 測 定 回 路 か ら取 る の で は な く,別 途 電 源 部 か ら供 給 され る の で ペ ン と記 録 紙 との摩 擦 を考 慮 しな くて よい ほ ど強 力 な駆 動 力 が え られ る。   増 幅 器 の 利 得 が 大 き け れ ば わ ず か なeで

も検 出 で き る の で,電 圧 計 で は 数

mVの もの も可 能 で あ る。また 増 幅 器 や モ ー タ な どに多 少 の 変 動 が あ っ て も,測 定 結 果 に は影 響 し な い た め 安 定 度 は高 い。 ブ リ ッ ジ式 は電 位 差 計 の代 わ り に ブ リ ッジ の 平 衡 を と る もの で 抵 抗 温 度 計 な ど抵 抗 に 変 換 さ れ た もの の 計 測 に 用 い られ る。   この よ う に 自動 平 衡 形 記 録 計 は 高 入 力 抵 抗(被 測 定 回 路 に 与 え る影 響 が 非 常 に少 な い)で,高

感 度,高 精 度,高

安 定 が 可 能 で あ るた め,変 化 の遅 い電 気 量

を長 時 間 にわ た っ て 記 録 す る方 式 の 主 流 と な っ て お り,プ ロ セ ス形 の 製 造 業 の オ ー トメ ー シヨ ン に広 く用 い ら れ て い る。 や や 変 化 の速 い現 象 の 記 録 に は,ペ ン の最 大 速 度 との 関 連 に留 意 す る必 要 が あ る。   [3] 

ハ イ ブ リツド ・レ コ ー ダ

  自動 平 衡 形 記 録 計 に マ イ ク ロ プ ロ セ ッサ を搭 載 した イ ン テ リジ ェ ン トな記 録 計 をハ イ ブ リ ッ ド レ コー ダ とい う。 この特 長 と し て は,い

ろ い ろ な入 力 信 号 に

対 応 す るので 各 種 セ ンサ を接 続 で き る,レ ン ジ切 替 え な どが 簡 単 に で き る, 各 種 メ ッセ ー ジ(文 字 ・数 字)を

アナ

ロ グ 信 号 の記 録 と同 一 の 用 紙 上 に記 録 で き る,各 種 の演 算 が で き る,GP-IB (第6章

参 照)な

どの イ ン タ フ ェ ー ス

に よ りコ ン ピ ュー タ制 御 や デ ー タ転 送 が で き る,な どが 挙 げ られ る。図4・3に こ の よ うな 機 器 の 外 観 を 示 す 。

図4・3  ハ イ ブ リ ッ ド レ コ ー ダ の 例

  [4]    X軸

X-Yレ

XY両

コー ダ

とそ れ に直 角 なY軸

それ ぞ れ に,自 動 平 衡 形 記 録 計 を組 み入 れ た も の で

軸 の 入 力 に よ り,そ の座 標 軸 にペ ンが 止 ま り記 録 さ れ る。す な わ ち 直 角 座

標 のX軸

とY軸

の変数x,yがy=f(x)の

を時 間 軸 に切 替 えてy=f(t)と

関 数 で記 録 され る もの で あ る。X軸

して一 般 の記 録 計 同 様 に使 え る も の や,Y軸

2組 の サ ー ボ 機 構 を 持 ちy1=f(x1)とy2=f(x2)の

に

二 つ の現 象 を 同 時 に 記 録 で

き るの もあ る。   高 感 度 のX-Yレ

コー ダ で微 小 信 号 を測 定 す る と き は,シ ー ル ド線 を 用 い て

接 続 し外 部 か らの 干 渉 を 防 ぐ必 要 が あ る。   X-Yレ

コー ダ は半 導 体 の 電 圧 電 流 特 性 や磁 性 材 料 のB-H曲

広 範 囲 に応 用 され て い る。 図4・4に その 原 理 と外 観 を示 す 。

(a)X-Yレ

(b)X-Yレ

図4・4 

コー ダの 原理

コー ダの 外 観

X-Yレ

コ ー ダ

線 の記 録 な ど,

  [5] 

記録の方式

  a) 記 録 の 方 式 と して は,測 定 値 を連 続 的 に記 録 す るペ ン式 と,一 定 時 間 間 隔 で 打 点 す る方 式 とが あ る。 記 録 ペ ンに は,イ ン ク で 書 か せ る イ ンク 式,熱 た ペ ン で感 熱 紙 に 書 か せ る熱 ペ ン式,ペ

し

ン と記 録 紙 の 間 に放 電 を起 こ させ る

放 電 式,硬 い ペ ン先 で フ ィル ム を 引 っか く ス ク ラ ッ チ(scratch)式

また はス

夕イラ ス(stylus)式 な どが あ る。   打 点 式 は一 定 時 間 ご とにペ ン部 分 を記 録 紙 上 に押 し付 け て点 と して記 録 す る もの で,直動

式 の場 合 は低 トル クの 計 器 で よ く,自 動 平 衡 形 で も多 チ ャ ンネ

ル の 記 録 に 用 い られ る。   b) 記 録 紙 の 形 状 に は帯 状 の もの(ロ 記 録 紙 は時 計 仕 掛 け あ る い は,シ り送 られ る。X-Yレ

ー ル 式,折 畳 式)と

円 形 の もの と あ り,

ン ク ロ ナ ス モ ー タ,パ ル ス モ ー タ な どに よ

コー ダ はA4判

用 とA3判

用 が 多 く,記 録 紙 の 保 持 方 式

  に は磁 石 や 静 電 吸 着 式 な どが あ る。   [6] 

デ ー タ レ コー ダ

  電 気 信 号 を磁 気 テ ー プ レ コー ダ に記 録 す る もの で,他 の 記 録 計 に比 べ て周 波 数 範 囲 も広 く同 時 に 多 チ ャ ンネ ルの 記 録 が で き,再 生 も容 易 で あ る。 た だ 記 録 中 に は波 形 な ど を直 接 に は見 られ な い の で,モ ニ タ用 の 計 器 や オ シ ロ ス コー プ を併 用 し信 号 を見 な が ら記 録 す る こ とが 多 い。 ア ナ ロ グ 値 の 記 録 方 式 に は直 接 記 録(DR:Direct 記 録,パ

Recording),周

波 数 変 調(FM:Frequency

ル ス 変 調(PTM:Pulse‐Time

Modulation,PWM:Pulse‐Width

Modulation)

Modulation,PCM:Pulse‐Code Modulation)記

録 が あ り,DR方

式 とFM

方 式 が 多 く用 い られ て い る。   DR方

式 は動 作 範 囲 も広 く,周 波 数 帯 域 は最 も広 い(数MHz)が,直

低周 波 の再 生 が で き な い。FM方

流 と超

式 は周 波 数 範 囲 は狭 い(数10  kHz)が,直

流

か らの記 録 再 生 が で き直 線 性 もよ い。   磁 気 テ ー プ に はオ ー プ ン リー ル 形 とカ セ ッ ト形 が あ る。 カ セ ッ ト形 はオ ー プ ン リー ル に比 べ て 記 録 時 間 や チ ャ ネル 数 が 少 な い な どの 欠 点 が あ る が,取 扱 い は 簡 便 で あ る。

(a)直 接 記録(DR)方

(b)周 波 数 変調(FM)方 図4・5 

4・2 

式

式

デ ー タ レ コー ダ の 原 理

デ ィジ タ ル 量 の 記 録

  電 気 量 は も と も とア ナ ロ グ量 で あ り,そ の デ ー タの 記 録 に は4・1節 で 述 べ た 各 種 の 記 録 計 が 用 い られ る。 記 録 計 は測 定 した 電 気 量 を グ ラ フの 形 で ハ ー ドコ ピー 化 す る機 器 で あ る とい え る。 近 年,電 子 技 術,な

か で もデ ィ ジ タ ル 技 術 の

進 歩 に よ り,ま た 計 測 の 自動 化 の た め に も,電 子 計 測 器 に は測 定 デ ー タ を デ ィ ジタ ル 量 と して取 出 す た め の 出 力 端 子 付 き の もの が 多 くなっ て きた 。 計 測 器 の 出力 端 子 か ら直 接,あ

る い は コ ン ピ ュー タ を 介 して デ ー タ や計 算 結 果 の デ ィ ジ

タ ル 量 の ハ ー ドコ ピー を得 るた め の機 器 が,以

下 に述 べ る プ リ ン タ や プ ロ ッタ

で あ る。   [1] 

X-Yプ

  X-Yレ

コ ー ダ で デ ィジ タ ル 入 力 信 号 に対 応 して 打 点 す る もの がX-Yプ

タ(plotter)と

ロ ッタ

呼 ば れ て い る。 記 録 紙 の 大 き さ はA4判

描 け る もの もあ る。 測 定 デ ー タ の グ ラ フ 化 に はA4判

専 用 か らA0判 やA3判

ロッ まで

の ものが使 わ

れ,A0判

やA1判

な どの大 きな レ コ ー ダ はCADの

分 野 で 用 い られ る。図4・6

にX-Yプ

ロ ッタ の 外 観 を示 す 。記 録 紙 が 固 定 され た フ ラ ッ トベ ッ ドタ イ プ と,

Y軸 方 向 に記 録 紙 が 動 くペ ー パ ー ム ー ビ ン グ タ イ プ とが あ る 。

(a)机

(b)床 置 形

上形

図4・6 

  記 録 方 式 と して は,ペ は フ ァ イバ ー ペ ン,セ

X-Yプ

ロ ッ タの 外 観

ン式 が 主 流 で あ るが,感

熱 式 や静 電 式 もあ る。 ペ ンに

ラ ミ ックペ ン,ボ ール ペ ン な どあ り,図 面 用 に は鉛 筆 対

応 の もの もあ る。   コ ン ピュ ー タ や電 子 計 測 器 との イ ン タ フ ェ ー ス と して はGP-IBが る こ とが 多 い が,RS-232-Cな

使 用 され

ど も よ く使 わ れ て い る。プ ロ ッ タ の使 用 に 当 た っ

て は,接 続 す る計 測 器 の イ ン タ フ ェー ス は何 か,命 令 体 系 は何 か を,確 認 しな けれ ば な らな い。   [2] 

プ リン タ

  プ リ ンタ は電 子 計 測 器 た直 接 に接 続 す る こ と よ りは,自 動 計 測 シ ス テ ム の一 部 分 と して,測 定 結 果 の報 告 書 の プ リン トア ウ ト用 に使 わ れ る こ とが 多 い。   印 字 の 方 式 に は,ド

ッ トイ ンパ ク ト,熱 転 写,イ

ン ク ジ ェ ッ ト,レ ー ザ ー 方

式 な ど が あ る。プ ロ ッタ 同様 に イ ン タ フ ェ ー ス や 命 令 体 系 を確 認 して使 用 す る。 図4・7 に そ の 外 観 の 一 例 を示 す。

図4・7  プ リ ン タ(卓 上 形)の

問

外観

題

4-1  自 動 平 衡 形 記 録 計 の 動 作 原 理 と特 長 を述 べ よ 。 4-2  ハ イ ブ リ ッ ド ・レ コ ー ダ につ い て 述 べ よ。 4-3  X-Yレ

コ ー ダ の 用 途 につ い て述 べ よ 。

4-4  デ ー タ レ コ ー ダ に つ い て 述 べ よ 。 4-5  X-Yプ

ロ ッ タ や プ リ ン タ の 使 用 に 当 た っ て の 注 意 事 項 を述 べ よ 。

5、 高周波およびマイクロ波測定 5・1 

高 周 波 と マ イ ク ロ波

  電 波 法 で は電 波 を3THz,す が,こ

な わ ち3000GHz以

下 の 電 磁 波 と規 定 して い る

の範 囲 の 中 で 実 際 に使 用 さ れ て い る周 波 数 帯 は,お

もに大 気 中 の 伝 搬 特

性 に よ る制 約 を受 け,用 途 は局 限 さ れ る。   周 波 数 な い し は波 長 に よ る周 波 数 の 区 分 は 表5・1(a)の で特 に定 義 は な い が,高 周 波 と はだ いた い10kHzか ロ 波(microwave)と

は1GHzか

ら100GHzく

と重 複 して 慣 用 的 に,10∼30GHzを 000GHzを

よ うに な る 。 こ の 中

ら1GHzく

らい,マ イ ク

らい を指 す こ とが 多 い 。 これ

準 ミ リ波,30∼300  GHzを

ミ リ波,300∼3

サ ブ ミ リ波 とい う区分 も あ る。

  同 表(b)はCCIR(国

際 無 線 通 信 諮 問 委 員会)の

勧 告 に よ り定 め られ た 周 波

数 の 呼 称 で あ る。   VLF以

下 で は,300∼3000

ELF(Extremely   同 表(c)は

Low

HzをVF(Voice

Frequency)と

Frequency),300Hz以

下を

す る呼 称 も実 際 に使 用 され る。

お もに 米 国 の レ ー ダ技 術 者 が 戦 時 中 か ら慣 用 的 に使 って きた レー

ダ バ ン ドの 呼 称 で あ る。 ミ リメ ー トル 波 と して は40GHz以

上 の 周 波 数 とな っ

て い る が,上 述 の 呼 称 とは違 っ て い る。   周 波 数 が 高 くな り,高 周 波 か ら マ イ ク ロ 波 領 域 に 入 っ て くる と,表 皮 効 果 (skin effect)に

よ る電 気 抵 抗 が 増 加 し,電 流 が 流 れ に く くな る。マ イ ク ロ 波 領

域 に入 る と電 気 回 路 は 集 中定 数 回 路 か ら分 布 定 数 回 路 の 取 り扱 い が 必 要 に な り,同 時 に3次 元 の 立 体 回路 と して の ふ る ま いが 現 れ る よ うに な る。

表5・1  周 波数 の 区 分 (a)全 般 的 な 分類

(b)CCIR注1)の

勧告

注1)国 際 無線 通 信 諮問 委員 会

5・2 

(c)レ

ー ダ 周 波 数 帯 コ ー ド注2)

注2)主 にレーダ技術者が使 用する周波数 区分

信 号 発生器

  一 般 に信 号 発 生 器 は図5・1の よ うに,可 変 周 波 数 発 振 器 を 中 心 と して,変 信 号 発 生 器 と変 調 型 式 選 択,可

調

変 減 衰 器 か ら構 成 さ れ る。 可 変 周 波 数 発 振 器 は

広 い 周 波 数 範 囲 を カバ ー し,発 振 出 力 レベ ル は安 定 して い る こ とが 必 要 とさ れ る。 これ と と も に,可 変 減 衰 器 と総 合 した 出力 レベ ル は広 範 囲 に 変 化 で き,精 度 も高 い こ とが望 まれ る。変 調 はAM,FM,パ

ル ス な どの各 種 の 変 調 型 式 に対

図5・1  信号 発 生 器 の一 般 的構 成

応 す る もの で あ る こ とが 要 求 さ れ る。   安 定 度 が 高 く任 意 に 可 変 の周 波 数 を得 る こ とは,電 子 計 測 全 般 に とっ て,普 遍 的 に要 求 され る事 項 で あ る。昭 和40年

代 くら い まで は高 周 波 や マ イ ク ロ 波 の

信 号 発 生 器 と して,板 極 管 な どの 三 極 管 や ク ラ イ ス トロ ン(klystron)な

ど電

子 管 が 多 く用 い られ て い た が,現

フィ

在 は 半 導 体IC(Integrated 

ル タ な ど電 子 部 品 の 高 性 能 化 と小 型 軽 量 化 に よ っ て,周 synthesizer)が

Circuit)や

波 数 合 成 器(frequency

普 及 し,一 個 の安 定 な水 晶 発 振 器 に よ り必 要 な 周 波 数

が 得 られ る よ う に な っ た。   [1] 

周波数合成

  周 波 数 を合 成 す る方 法 と して,直 接 法 と間接 法 とが あ る。 直 接 法 は水 晶 発 振 器 の よ う な1個 の 主 発 振 器 か ら て い倍,分

周,ス

ーパ ヘ テ ロ ダ イ ン に よ る周 波

数 変 換 な どに よ り所 要 の周 波 数 を得 る 方 法 で あ る。 間接 法 は1個 の 自励 発 振 器 の 周 波 数 を安 定 な 参 照 周 波 数 と比 較 して,AFC(Automatic 自動 周 波 数 制 御), PLL(Phase (Phase Detector:位

相 検 波 器),ま

Locked‐Loop:位 た はAPC(Automatic

Frequency

Controｌ:

相 同期 ル ー プ),PD Phase

Control:自

動 位 相 制 御)を 利 用 し て参 照周 波 数 と同 程 度 の安 定 度 を 実現 す る方 式 で あ る。 これ らの 各 方 式 の構 成 を図5・2に 示 す。   同 図(a)の

直 接 法(そ

の1)は,非

直 線 回 路 の 高 調 波 発 生 器 で 周 波 数 て い倍

して,帯 域 フ ィル タ を通 して必 要 な 周 波 数 を取 り出 す 最 も簡 単 な 構 成 で,帯 域 フ ィ ル タ の 通 過 帯 域 を切 り換 え る こ とに よ り周 波 数 を選 択 で き る。   同 図(b)の

直 接 法(そ

の2)は,ス

ー パ へ テ ロ ダ イ ン式 の 周 波 数 変 換 を 行 っ

(a)直

接 法(そ

(b)直

の1)

接 法(そ

(c)間

の2)

接 法

図5・2  周 波数 合 成器 て い る 。例 と し て,2段

の 周 波 数 変 換 を 示 し て い る が,上

2段 目 の 帯 域 フ ィ ル タ の 出 口 で はf0+f1+f2+f3と と な る よ う に 条 件 を 選 ぶ と,分

側 波 帯 を取 っ て い く と

な る 。 い ま,10f0=f0+f1+f2

周 器 の 出 力 側 に はf0+fs/10が

進 ス イ ッ チ で 選 択 で き る 可 変 周 波 数 と す る と,fs/10の

ス テ ッ プで 周 波 数 が 可 変

と な る 。 こ の モ ジ ュ ー ル を 何 段 に も 重 ね る こ と に よ り,よ 周 波 数 が 得 ら れ る 。 例 え ば,3段 +fs3+/fs2/10+fs1/100と

り桁 数 の 多 い 精 密 な

重 ね る と 出 力 周 波 数 を 合 成 し た も の は,10f0

な り,4桁

の精 度 の 周 波 数 が 得 られ る。

  間 接 法 に は い ろ い ろ な 形 式 が あ る が,最 便 利 に 利 用 で き る た め,PLLを

現 れ る 。fsを10

近 はPLLが

デ ィ ジ タ ルIC化

中心 に した 製 品 が 多 い。

さ れ,

  同 図 の(c)に

そ の 一 例 を掲 げ る。 この 回路 は 本 質 的 に は 主 発 振 器 の 出 力 周 波

数 の て い倍 器 で あ る。周 波 数 選 択 操 作 に よ り,可 変 分 周器 の 分 周 比nを こ とが で き る。位 相 検 波 器 に は主 発 振 器 の周 波 数 と出 力 周 波 数 をn分

変える 周 した 信

号 が と も に入 力 され,比 較 さ れ て,そ の位 相 差 に比 例 した 直 流 電 圧 を発 生 す る。   低 域 フ ィ ル タ は この 直 流 電 圧 に重 畳 され て い る交 流 分 や雑 音 を除 去 し,PLL の ル ー プの 時 定 数 な ど応 答 特 性 を 調 節 し て い る が,市 販 のPLLに

はフ ィル タ

を省 略 した もの もあ る。低 域 フ ィル タ を通 過 した 直 流 電 流 は,VCO(Voltage‐ Controlled

Oscillator:電

圧 制 御 発 振 器)を 制 御 して 主発 振 周 波 数 のn倍

の周

波 数 を発 生 し,そ の 出 力 の 一 部 は フ ィ ー ドバ ッ ク ル ー プ(1/n分

周)を 経 由 し

て,位 相 検 波 器 に帰 還 され る周 波 数 差 をゼ ロ に す る よ う にVCOを

制 御 す る。位

相 検 波 器 へ の二 つ の 入 力 信 号,VCOの 波 数 とが 等 し くな った と き,PLLは

出 力 周 波 数fOUTの1/nと 位 相 同 期 状 態 に な り,VCOの

主発 振器 の周 発 振 周 波 数fc

は, (5・1)

す な わ ち, (5・2)

これ か ら,fcの

ス テ ップ ご とに 多種 類 の 周 波 数 を取 り出 す こ とが で き る。

  も し,主 発 振 器 の 出 力 側 と位 相 検 波 器 との 中間 に1/m分

周 器 を挿 入 す る と,

式(5・1)と(5・2)と は次 の よ うに 変 形 され,よ り きめ こ まか な1/mの

ス テ ップ で

周 波 数 を変 化 させ る こ とが で き る。 (5・3)

す な わ ち, (5・4)

とな る。 こ の と きの 周 波 数 安 定 度 は,も

ち ろ ん 主 発 振 器 の そ れ と等 し く,安 定

した任 意 の 周 波 数 を微 調 整 して 取 り出 す こ とが で き る。

  [2] 

実 際 の信 号 発 生 器

  高 周 波 帯 か ら マ イ ク ロ波 帯 の 開発 や 製 造 に 使 用 さ れ る信 号 発 生 器 は 多 くの種 類 が あ るが,だ

い た い低 い周 波 数 は 数100kHzか

ら,上 限 は 数 ギ ガヘ ル ツ な い

し20ギ ガ ヘ ル ツ 程 度 で あ る。ミ リ波 用 と して は上 限 が100ギ

ガ ヘ ル ツ の もの も

あ る。 周 波 数 合 成 を行 うた め,発 生 す る周 波 数 は離 散 的 で あ るが,そ は0.01∼0.2Hzく

らい で,安 定 度 は5×10-10/日

の分 解 能

く らい で あ り,こ れ は原 発 振

の水 晶 発 振 器 の 周 波 数 安 定 度 に依 存 す る。   出 力 と して は,内 部 に20Hz∼100kHzく イ ザ を もち,振 幅 変 調(AM),周

らいの変調用 オーデ ィオ シンセサ

波 数 変 調(FM),位

相 変 調(PM),パ

ルス変

調 な ど の 機 能 を もつ もの が あ る。 出 力 レベ ル は 連 続 可 変 で 約140dB(例 ば,+10dBm∼−130dBm)程   [3] 

度 の範 囲 を1dB程

え

度 の精 度 で読 み とる。

掃引発振器

  高 周 波 や マ イ ク ロ 波 の 帯 域 で は,機 器 や 構 成 品 な どの 周 波 数 特 性 を測 定 す る た め に,あ

る周 波 数 範 囲 を連 続 的 に変 化 させ る掃 引 発 振 器(sweep

oscillator)

が よ く使 用 され る。 これ に は可 変 容 量 ダ イオ ー ドで共 振 回 路 の容 量 を変 え る方 法 が 比 較 的 低 い 周 波 数 で利 用 され,40GHzく Garnet)の (Gunn

合 金 結 晶 を 利 用 し たYIG同

調 発 振 器 やYIG同

oscillator)が 利 用 さ れ る こ とが 多 い 。YIG同

数 を制 御 で き るYIG帯   YIG共

ら い まで はYIG(Yttrium‐lron‐ 調 ガ ン発 振 器

調 ガ ン発 振 器 は,中 心 周 波

域 通過 フ ィ ル タ を組 み合 わ せ た ガ ン発 振 器 で あ る。

振 器 の動 作 は 図5・3に 示 す よ うに,直 径 数ｍｍ のYIG球

を か け,こ

に直 流 磁 界

の磁 界 の強 さに比 例 した 共 振 周 波 数 を得 る こ とが で き る。 磁 界 を制

御 す る だ け で周 波 数 を変 化 で き るの で,機 械 部 分 が な く,す べ て電 気 的 に所 要

(a)構

成

(b)等 価 回路

図5・3 

YIG共

振器

(c)共 振特 性

の周 波 数 を発 生 で き る。時 定 数 は0.5ｍｓ 程 度 で,1000掃引/秒 き る。Qが

くら い が 実 現 で

高 く,広 い 同 調 範 囲 を もち,可 変 周 波 数 は0.5∼40GHz,周

解 能 は100∼300kHzで

波数分

あ る。短 所 と し て は,周 波 数制 御 に大 き な磁 界(電

流)

が 必 要 で あ り,周 波 数 は温 度 の 影 響 を受 け る こ とで あ る。

5・3    [1] 

ス ペ ク トル 分 析 器 周 波 数 領 域 での 信 号 観 測

  オ シ ロ ス コ ー プ に つ い て は,す (time domain)に

で に2.8節

と3.3節

に 述 べ た が,時

間 領域

お け る 波 形 の観 測 が 主 な用 途 で あ った 。 す な わ ちCRT表

面 上,横 軸(X軸)は

時 間 を,縦 軸(Y軸)は

応 答 な い し は振 幅 を そ れ ぞ れ示

して い る。 これ に対 して,ス ペ ク トル 分 析 器(spectrum 周 波 数 領 域(frequency は周 波 数 を,縦 軸(Y軸)は

domain)に

analyzer)の

お け るス ペ ク トル の観 測 で,横

用 途 は, 軸(X軸)

応 答 な い し は振 幅 を そ れ ぞ れ 示 して い る。

  同 じ信 号 波 に 関 して この 関 係 を 図 解 す る と,図5・4の 波 を左 側 の 時 間 領 域(オ

示

よ う に な る。 あ る信 号

シ ロス コ ー プ)で 見 る と方 形 波 で あ るが,こ

れ を フー

リエ解 析 して 各 周 波 数 ご との 調 波 成 分 に 仕 分 け る と,右 側 の ス ペ ク トル 分 析 器 の よ うに表 され る。

図5・4  信 号 の時 間領 域 と周 波数 領域 にお け る表 現

  例 え ば,図5・5の

よ う に,単 一 周 波 数 で 変 調 され た 振 幅 変 調(AM)波

を例 に

と る と,時 間領 域 の オ シ ロ ス コ ー プ 表 示 は図 の 左 の よ う に な り,周 波 数 領 域 の ス ペ ク トル 分 析 器 の表 示 は 図 の 右 の よ う にな る。図 中,1は 帯 ,3は

搬 送 波,2は

上側 波

下 側 波帯 を示 して い る。

図5・5  振幅 変 調(AM)信

  [2] 

号 の時 間 領域 と周 波数 領域 での表 現

ス ペ ク トル 分 析 器 の 機 能

  スペ ク トル 分 析 器 は一 種 の ス ー パ へ テ ロ ダ イ ン受 信 機 で あ る。 図5・6(a)の よ う に,通 常 の受 信 機 と異 な る大 き な点 は,局 部 発 振 器 の発 振 波 形 が 周 波 数掃 引で あ る こ とで,ま

た 信 号 の検 波 出 力 をCRT上

に直 接 表 示 す る こ との2点

あ ろ う。 そ の ほ か細 部 に な る と,検 波 出 力 を 得 る の に 直 線 検 波,二 数(LOG)検

で

乗 検 波,対

波 の切 り換 えや 各 種 フ ィル タ を付 加 し て い る こ と な ど も挙 げ ら

れ る。   また,ス

ペ ク トル 分 析 器 は構 成 上 もオ シ ロ ス コ ー プ に よ く似 て い る。 オ シ ロ

ス コー プ がCRTの

横 軸 にの こ ぎ り波 に よ る掃引 信 号 を乗 せ る の に対 して,ス

ペ ク トル 分 析 器 で は周 波 数掃引 信 号 を乗 せ る 点 が 違 っ て い る。   図5・6(a)は

原 理 的 な系 統 図 を示 す 。まず 大 ざ っ ぱ な説 明 を す る と,測 定 さ れ

る入 力 信 号 を周 波 数 変 換,増 に,掃引

幅,検 波 し てCRTの

電 圧 発 生 器 で つ くられ た掃引 信 号(の

垂 直 偏 向板 に加 え る と と も こ ぎ り波)を

水 平 偏 向板 に加 え

(a)系

統図

(b)掃 引局 部 発振 器 と周 波数 表 示 図5・6  スペ ク トル分 析 器の 系統 図 と表示

れ ば,CRT上

に は横 軸 が 周 波 数,縦

軸 が 電 圧 の ス ペ ク トル 表 示 が得 られ る。

  入 力 端 子 に加 え られ た 信 号 は ミク サ で 掃 引局 部 発 振 器(SLO:Swept

Local

Oscillator)の 時 間 的 に 変 化 す る周 波 数 と混 合 さ れ,そ の 差 周 波 数 が 中 間 周 波 数(IF:Intermediate

Frequency)と

な り,狭 帯 域 中 間周 波 増 幅 器 に供 給 され

る。   掃 引 局 部 発 振 器 は い ろ い ろ な方 法 で つ く られ るが,オ

シ ロス コー プ の 掃 引 発

生 器 の よ う な 時 間 的 に 振 幅 が 変 化 す る の こ ぎ り波 を電 圧 制 御 発 振 器(VCO: Voltage VCOと

Controlled

Oscillator)に

加 え,電 圧 に比 例 した 周 波 数 変 移 を得 る 。

して は,バ ラ ク タ ダ イオ ー ド(varactor

diode)の

よ う な可 変 容 量 半 導

体 を使 用 し,こ の バ イ ア ス電 圧 を変 化 させ る こ と に よ り発 振 周 波 数 を変 化 さ せ る。 した が って,の

こ ぎ り波 の 電 圧 を 変 え れ ば,周 波 数 掃 引 範 囲(dispersion)

が変 わ る。限 られ たCRT表

示 面 の 上 で 読 み と り精 度 を上 げ る に は,周 波 数 掃 引

範 囲 を しぼ り,信 号 がCRTの

中 心 に位 置 す る よ う に掃 引 局 部 発 振 周 波 数 の 中

心 を調 節 す る。   中 間 周 波 増 幅 器 は それ 自身 で 帯 域 フ ィル タ を も った 増 幅 器 で,掃 器 で 掃 引 され,あ

引局 部 発 振

る幅 を もっ た 中 間周 波 数 の信 号 を ろ波 し増 幅 す る。 周 波 数 分

析 の た め に必 要 な通 過 帯 域 幅 は スペ ク トル 分 析 器 の 分 解 能 に比 例 す る。 こ の通 過 帯 域 幅 は か な り狭 いが,中

間 周 波 が 周 波 数 掃 引 幅 を もつ の で,あ

域 幅 は必 要 で あ る。 一 般 に周 波 数 掃 引 範 囲 がD〔Hz〕,掃 き,最 適 な帯 域 幅B〔Hz〕

る程 度 の帯

引 時 間 がT〔s〕 の と

は, (5・5)

で与 え られ る。 した が っ て,Dを

変 え れ ばBも

変 わ り,中 間周 波 増 幅 器 は通 過

帯 域 幅 を変 化 で き る増 幅 器 とな っ て い る。   この 出 力 は検 波 器 に加 え られ るが,機 種 に よっ て は複 数 の信 号 レベ ル を比 較 す る た め,検 波 器 の 特 性 と して 直 線 検 波,二 乗 検 波,対 数 検 波 な どが 用 意 さ れ て い て,選 択 で き る よ う に な って い る 。   図5・6(a)と(b)に

ス ペ ク トル分 析 器 の 動 作 原 理 に つ い て示 して い る。 掃 引

局 部 発 振 器 の 出 力 はfl01か らfl02ま で変 化 し こ の 瞬 時 周 波 数 をfl0で 代 表 さ せ る。 入 力 信 号fsは 中 間 周 波 数 をfifと す る と, (5・6)

ま た,常

に,

とな る よ う に 中間 周 波 数 を設 定 して お けば, (5・7)

と な り,こ の 周 波 数 帯 で の ス ペ ク トル分 析 が で き る。   例 と して,い

ま入 力 信 号fsが50  MHzと100MHzの

ん で い る と き,掃 引 局 部 発 振 器 は150MHzを 点 を示 し,50MHzが =50MHzを

入 っ て くる とfl0=200MHzと

表 示 す る 。 同様 に100MHzが

=100MHzを

二 つ の 周 波 数 成 分 を含

発 生 しCRT横

軸 上 の周 波 数 の 始

な り,200MHz−150MHz

入 って く る と250MHz−150MHz

表 示 す る。最 後 は300MHz−150MHz=150MHzで

表 示 の終 点

とな る。   狭 帯 域 中 間周 波 増 幅 器 は増 幅 器 と フ ィル タ の両 方 の 機 能 を もっ て い て,周 波 数 分 解 能 は この 通 過 帯 域 幅 に よ っ て 決 ま る。

図5・7  スペ ク トル 分析 器 の 外観

  [3] 

実 際 の ス ペ ク トル 分 析 器

  実 際 の スペ ク トル 分 析 器 に つ い て 見 る と,周 波 数 レ ン ジ は か な り広 く,同 軸 入 力 で100Hz∼40GHz,外

部 導 波 管 ミ クサ を使 用 す る と,8GHz∼325GHzに

拡 張 して 使 用 で き る。 分 解 能 は1Hz∼1GHzに は1%ス

テ ッ プ で 選 択 可 能,精

選 択 可 能,ま

度 は100Hz∼1kHzで

た100Hz以

±7%,1kHz∼2MHz

上で

で ±1%,2MHz以 は6dB低

上 で ±2%で

あ る 。 分 解 能 帯 域 幅(resolution

下 点 で3Hz∼10MHz(1-3-10切

−135dBm∼+30dBmで

替)で

分 解 能 は0.1dBで

イ ン チ ・フ ロ ッ ピ ー デ ィ ス ク,外

bandwidth)

あ る 。 最 大 振 幅 レ ン ジ は,

あ る 。デ ー タ 記 録 装 置 と し て,3.5

部 イ ン タ フ ェ ー ス ポ ー ト と し て,GP-IBを

標

準 装 備 し た 機 種 が 一 般 的 で あ る 。 実 際 の ス ペ ク トル 分 析 器 の 外 観 を 図5・7に

示

す 。 ス ペ ク トル 分 析 器 に は ポ ー タ ブ ル 型 とベ ン チ ・ユ ー ス 型 と が あ る が,こ

の

機 種 は後 者 に 属 す る 。   最 近 は デ ィ ジ タ ル 無 線 電 話 や セ ル ラ ー(cellular)電

話 の 普 及 に と もな い デ

ィ ジ タ ル 復 調 を 行 な う ス ペ ク トル 分 析 器 が 出 現 し て い る 。 デ ィ ジ タ ル 技 術 を 利 用 す る こ と に よ り,雑 音(noise floor)が 数 範 囲 は20Hz∼3.5MHz,周

抑 圧 で き,測 定 速 度 が 向 上 す る 。周 波

波 数 範 囲 を 拡 大 す る と7GHzま

測 定 入 力 レ ベ ル は−160dBm∼+10dBm,周

波 数 分 解 能 は0.01Hzで

周 波 数 カ ウ ン タ を 使 用 す る と 読 み 取 り分 解 能 は0.1Hzに フ ィ ル タ は1Hz∼10MHz,ビ

で 測 定 で き る。 内蔵 の

な る。 分 解 能 帯 域 幅

デ オ 帯 域 幅 フ ィ ル タ は 同 じ1Hz∼10MHzで

る 。 最 小 フ ル ス パ ン(full‐span)掃

引 時 間 は5msで,最

あ

大 掃 引 時 間 は1000s

まで 可 能 で あ る。   信 号 処 理 に よ り信 号 の 振 幅 と位 相 角,す

な わ ち ベ ク トル を 測 定 で き,こ

無 線 電 話 ま た は 携 帯 電 話 の 測 定 に 役 立 つ 。 復 調 時 に は,BPSK(Binary ‐ Shift‐Keying),π/4DQPSK(Differential 

Quadrature

ing ),MSK(Minimum‐Shift‐Keying),QPSK(Quadrature Keying),QAM(Quadrature (Gaussian

Phase

Phase‐Shift‐Key Phase‐Shift‐

Amplitude‐Modulation),お

Minimum‐Shift‐Keying)の

  最 近 の ス ペ ク トル 分 析 器 は,ウ

れが

よ びGMSK

定 型 的 な 処 理 を 行 な う こ とが で き る 。 オ ー タ ー フ ォ ー ル,ベ

テ レ ー シ ョ ン と い っ た モ ー ドや カ ラ ー に よ る 表 示 な ど,多 よ り信 号 分 析 機 能 が 豊 富 に な っ て い る 。 ま た,AMやFMの

ク トル,ア

イ,コ

ンス

種多様 な 出力表示 に 復 調機能 をもつ も

の も多 い 。   [4] 

ス ペ ク トル 分 析 器 の 選 定

  計 測 を 行 な う場 合,使

用 目 的 に 合 致 し た ス ペ ク トル 分 析 器 を 選 定 す る た め に

は,次

の よ う な事 項 に留 意 す る必 要 が あ る。

  (1)  周 波 数 範 囲   ス ペ ク トル 分 析 器 の 周 波 数 範 囲 は,測 定 周 波 数 を 十 分 に カ バ ー して い る こ と が 必 要 で あ る。   (2)  分 解 能   測 定 す る信 号 に対 して 必 要 な周 波 数 分 解 能 を も っ て い る必 要 が あ る。 特 に レ ベ ル差 の 大 きな 信 号 を分 離 して 測 定 す るた め に は,フ 急 峻(シ

ャ ー プ)さ

ィル タ の通 過帯 域 特 性 の

が必 要 で あ る。

  こ こで,分 解 能 と分 解 能 帯 域 幅 とは異 な る こ と に注 意 を要 す る。 分 解 能 は表 示 面(CRT)で

の 実 際 の 表 示 を指 す が,分 解 能 帯 域 幅 は ス ペ ク トル分 析 器 内部

の フ ィ ル タ 特 性 に よ っ て決 定 され る。   (3)  ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ   ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ(dynamic で き る信 号 の 振 幅 レベ ル 差(最

range)は,ス

ペ ク トル 分 析 器 が 同 時 に 分析

大 レベ ル か ら最 小 レ ベ ル ま で のdB値)を

う。 ダ イ ナ ミッ ク レ ン ジ を決 定 す るの は お もに,雑 音 レベ ル,ス

い

プ リア ス,高

調 波 ひ ず み,増 幅 器 の特 性 な どで あ る。 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 広 げ る に は、 対 数 増 幅 器 が 使 用 され る。   (4)  周 波 数 安定 度   スペ ク トル 分 析 器 で は測 定 精 度 を左 右 す る要 素 と し て,横 軸 を掃 引 す る周 波 数 の 安 定 度 や 精 度 が 重 要 で あ る。 高 い分 解 能 を得 るた め に は,分 解 能 帯 域 幅 よ り も小 さい 周 波 数 合 成 器 の周 波 数 安 定 度,位 相 雑 音 の 抑 圧,高

分解能周 波数 カ

ウ ン タ な どが 必 要 と され る。   安 定 化 周 波 数 は 内部 基 準 発 振 器 に よ り作 られ,周 波 数 安 定 度 の 典 型 的 な 数 値 は だ い た い10-8∼10-9/日

の オ ー ダ ー で あ る。

  (5)  測 定 目的 に合 致 した 信 号 処 理 と表 示 モ ー ドの 選 択   現 在 の スペ ク トル 分 析 器 は,マ イ ク ロ プ ロ セ ッサ とデ ィ ジ タ ル メ モ リを 内蔵 した 高 度 の単 能 的 な コ ン ピ ュー タ で あ る。 した が って,観

測 さ れ るデ ー タ は人

工 度 が 高 い。 多 くの 信 号 処 理 と表 示 方 式 を も っ て い る こ と は利 便 性 に富 むが,

そ の 反 面,目

的 と 手 段 と を 適 合 さ せ る た め 、 事 前 に ス ペ ク トル 分 析 器 の 性 能 を

吟 味 しな けれ ば な ら な い。   [5] 

トラ ッ キ ン グ ジ ェ ネ レ ー タ

  トラ ッ キ ン グ ジ ェ ネ レ ー タ(tracking み 合 わ せ て20kHz∼2GHzく

generator)は

らい の振 幅 周 波 数 特 性 を直 視 して 測 定 で き る 広

帯 域 の 掃 引 信 号 発 生 器 で あ る 。ALC(Automatic 制 御)機

ス ペ ク トル 分 析 器 と 組

Level

能 を も つ の で 出 力 レ ベ ル 確 度 が 高 く,レ

利 用 で き る。 上 記 の 周 波 数 範 囲 で,出

Control:自

動 レベ ル

ベ ル校 正 用 の信 号 源 と し て も

力 レ ベ ル は ±0.4dB以

の 高 確 度 で 変 動 が 小 さ く,出 力 レ ベ ル は−135∼+25dBmく

内 に収 ま る く らい らい の 広 い ダ イ ナ

ミッ ク レ ン ジ を もつ もの が あ る。   ト ラ ッ キ ン グ ジ ェ ネ レ ー タ を利 用 し て,図5・8の タ,増

幅 器,減

衰 器,分

る。 そ の ほ か,SWRブ を 用 い て,不

[6] 

  FFT(高

ー ブ ル,抵

在 波 比),減

種 フィル

抗 器 な どの 周 波 数 応 答 を測 定 で き

リ ッ ジ(Standing‐Wave‐Ratio

整 合 時 のSWR(定

図5・8 

 

波 器,ケ

よ う な 設 定 で,各

bridge)な

ど応 用 部 品

衰 量 の 測 定 な どが 行 え る。

トラ ッ キ ン グ ジ ェ ネ レー タ に よ る 周 波 数 応 答 の 測 定

デ ィ ジ タ ル ス ペ ク トル 分 析 器 速 フ ー リエ 変 換)技

で き る。 これ が,い

術 を応 用 し て ス ペ ク トル 分 析 器 を作 る こ とが

わ ゆ るデ ィ ジ タ ル スペ ク トル分 析 器 と呼 ば れ る測 定 器 で あ

る。 そ の 原 理 は 図5・9に 示 す よ う に,あ 形 は標 本 化 され,A-D変

る入 力 チ ャネ ル か ら与 え られ た 信 号 波

換 さ れ,メ モ リバ ン ク に蓄 積 され,信 号 処 理 とFFTを

行 う た め プ ロ セ ッサ に 供 給 さ れ る。 処 理後 の デ ー タ は表 示 器 に 入 力 さ れ,周

波

数 領 域 で任 意 の 形 式 で 表 示 さ れ る。   現 在 の通 信 用 に はバ ー ス ト(burst)状 の 信 号 やAM,FM,PM(phase :位 相 変 調)な

ど多 くの 信 号 形 式 が 使 用 さ れ て い る が,FFTを

modulation 利用す

図5・9 

デ ィ ジ タ ル ス ペ ク トル 分 析 器

る こ と に よ り,複 雑 な信 号 に つ い て 周 波 数 情 報 や 位 相 情 報 を得 る こ とが で き, 信 号 解 析 が で き る。   実 際 の器 材 例 で は,A-D変 が256kHz∼25.6MHz,ダ

換 器 の 分 解 能 が12∼16ビ

ッ ト,最 大 標 本 化 周 波 数

イ ナ ミ ック レ ン ジが54∼85  dB,最 大 入 力 感 度(最 小

検 知 信 号 レ ベ ル)が−110dBV∼−125dBV,時

間 領 域 デ ー タ分 解 能 が1チ

ル 当 た り64∼8192ポ

イ ン ト,周 波 数 領 域 デ ー タ 分 解 能 が1チ

択 に よ り25∼3200ラ

イ ン,く ら いで あ る。

ャネ

ャ ネ ル 当 た り選

  普 通 の 器 材 で は2チ

ャネ ル を備 え て い る。 汎 用 機 を指 向 す る機 種 で は信 号 処

理 機 能 を拡 張 して,デ

ィジ タル オ シ ロ ス コー プ,信 号 発 生 器,映

像信 号解析 な

ど を1台 で す べ て 行 え る型 式 が あ る。

5・4 

ネ ッ トワ ー ク 分 析 器

  ネ ッ トワ ー ク分 析 器(network

analyzer)は,1934年

帰 還 増 幅 器 の μβ(増 幅 度 と帰 還 電 圧 比 の 積)特

に米 国 の ベ ル研 究 所 で

性 の測定 用 に開発 された のが

最 初 で あ る とい わ れ る か ら,す で に60年 以 上 の歴 史 を もっ た 測 定 器 で あ る。日 本 で は,1953年

に位 相 伝 送 量 測 定 器 とい う名 称 で 開 発 さ れ,発 売 され て い る。

  ネ ッ トワ ー ク 分析 器 は ア ナ ロ グ回 路 を解 析 す る た め に欠 か せ な い測 定 器 で, ア ナ ロ グ 回 路 の 直線 動 作 領 域 に お け る複 素 量(ベ

ク トル)と

して の伝 送 特 性 と

イ ン ピ ー ダ ン ス特 性 を測 定 で き る。 これ に よ り,ア ナ ロ グ 回路 や 素 子 の特 性 を

す べ て 知 る こ とが で き る の で,ネ 機 器,シ

ッ トワー ク分 析 器 は電 子 材 料,部

品,回 路,

ス テ ム に わ た る広 範 囲 な測 定 機 能 を もっ て い る。

  ネ ッ トワ ー ク分 析 器 の 測 定 方 式 は被 測 定 対 象 が 線 形 回 路 に 限 定 さ れ る。 直 線 性 とい う特 性 に よ り,正 弦 波 を入 力 して励 振 し た線 形 回 路 網 か ら は正 弦 波 しか 出 力 され な い た め,振 幅 応 答 と位 相 応 答 を 周 波 数 の 関数 と して 解 析 す る こ とが で き る。   した が っ て,ネ

ッ トワー ク分 析 器 は一 般 に正 弦 波 を用 い て,線

送 特 性 と反 射 特 性 を測 定 す る。す な わ ち,ネ ッ トワー ク の性 質(パ

形 回路 網 の伝 ラ メ ー タ)を

周 波 数 領 域 で 測 定 す る 測 定 器 で あ る。   [1] 

ネ ッ トワ ー ク 分 析 器 の 機 能

  スペ ク トル 分 析 器 とネ ッ トワ ー ク分 析 器 とは,互 い る場 合 が 多 い。 ま た,ネ て,い

い に共 通 した 機 能 を も っ て

ッ トワー ク分 析 器 は利 用 者 の特 別 の使 用 目的 に 応 じ

ろ い ろ な ア ダ プ タ を付 加 す る こ とが 多 い し,そ れ ら を本 体 の 内 部 に組 み

込 ん で い る場 合 も多 い。 こ こで は,ネ な測 定 機 能,す

ッ トワ ー ク分 析 器 に つ い て,そ の 基 本 的

な わ ち伝 送 特 性 とイ ン ピー ダ ン ス特 性 に つ い て説 明 す る。

  図5・10に 示 す よ うに,入 力 と出力 に それ ぞれ 一 対 の2端 子 端 末 を も っ た4端 子 回路 網 につ い て,伝 送 特 性 とイ ン ピー ダ ン ス特 性 を求 め る と,以 下 の とお り で ある。

図5・10 

4端 子 回 路 網 の 一 例

  伝 送 特 性 は4端 子 回 路 網 の入 出 力 端 で,有 能 電 力(available

power)を

入力

端 に加 え て, (5・8)

 この と き の振 幅Aは

電 圧 比 〔dB〕で, (5・9)

位 相 角 φ は ラ ジ ア ンで 表 さ れ るが,実 際 は度 数 θ 〔degree〕で 呼 ば れ る こ とが 多 く,次 の よ う に表 され る。 (5・10)

  ま た,群

遅 延 時 間 τ〔s〕は φ が 〔radian〕 の と きΔ φ/Δω で 表 さ れ,度

数

〔degree〕 を 使 用 し た と き の 表 現 は, (5・11)

とな る。 こ こ に,Δfは

周 波 数 帯 の帯 域 幅 〔Hz〕で あ る。

 イ ン ピ ー ダ ンス 特 性 の測 定 は,基 本 的 に は, (5・12)

を 求 め る こ と で あ る 。 こ の 式 を￨Z￨θ

の 形 で 表 す と,￨Z￨は

そ の ま ま で あ る が,

θ 〔degree〕 は 次 の よ う に な る 。 (5・13)

回 路 網 の 負 荷 点 に お け る反 射 係 数(reflection

coefficient)Γ

は, (5・14)

とな る。   電 圧 定 在 波 比(Voltage

Standing‐Wave

Ratio:VSWR)Sは, (5・15)

で あ る。   ま た,不

整 合 減 衰 量(mismatching

attenuation)δ

〔dB〕 は,次

の よ う に表

さ れ る。 (5・16)

  高 周 波 で は,図5・11(a)お

よ び(b)に

示 す よ う な,回

路 網 にsパ

ラメー タの

(a)回 路 網 との対 比 (b)Sパ

図5・11 

線 形 回 路 網 のSパ

ラ メ ー タ ・モ デ ル

ラ メー タ

概 念 を 導 入 して,線 形 特 性 を もつ4端 子 回 路 網 を解 析 す る こ とが で き る。 個 々 のsパ

ラ メ ー タ は 入 出 力 側 の 端 子(port)を

特 性 イ ン ピ ー ダ ン スZoで

終端

し,回 路 網 の 伝 送 特 性 と反 射 特 性 を測 定 す る こ とに よ り求 め られ る 。   sパ ラ メ ー タ を 次 の よ うに定 義 す る。

(5・17)

  こ こで,s11は 合,a2=0で

ポ ー ト1の 複 素 反 射 係 数 で あ り,ポ ー ト2をZoで

あ るか ら,s11=b1/a1で

素 伝 送 係 数 で あ り,a2=0で

あ る。s21は ポ ー ト1か ら ポ ー ト2ま で の複

あれ ばs21=b2/a1で

あ る。a信 号 は 入 射 を,b信

は反 射 を,そ れ ぞ れ 表 す 。入 出 力 関 係 を逆 に し,ポ ー ト1をZoで ト2か ら見 る とa1=0と   [2] 

終端 した場

な り,同 様 に してs12とs22を

号

終 端 し,ポ ー

求 め る こ とが で き る。

ネ ッ トワ ー ク 分 析 器 の 構 成

  これ まで述 べ て きた 回 路 網 の 測 定 を行 うた め,ネ ッ トワー ク分 析 器 は 図5・12 の よ う な機 器 構 成 を と っ て お り,大 別 して信 号 発 生 部,信

号 分 離部,受

信 部,

お よび 表 示 部 か ら構 成 され る。   信 号 発 生 部 は,信 号 源 と して,標 準 信 号 発 生 器,掃

引 信 号 発 生 器,お

よび周

波 数 合 成 器 か ら成 っ て い る。 標 準 信 号 発生 器 は精 度 や 安 定 度 の 高 い 単 一 周 波 数 を発 生 す るが,あ る任 意 の 周 波 数 を必 要 とす る場 合 は周 波 数 合 成 器 を選 択 す る。 また,あ

る周 波 数 帯 域 を掃 引 す る場 合 に は,時 間 と と も に周 波 数 が 直 線 的 に変

図5・12 

ネ ッ ト ワ ー ク分 析 器 の 系 統 図

化 す る信 号 を作 っ て表 示 部 のCRTに

供 給 す る。

  信 号 分 離 部 は,信 号 発 生部 か らの 信 号 を2方 向 に分 け るた め に分 岐 を作 り, また 被 測 定 回路 網 の入 力 端 に戻 っ て くる 反射 波 を 方 向性 結 合 器 や 方 向 性 ブ リ ッ ジ を使 っ て 分 離 す る。   受 信 部 で は,高 周 波 信 号 また は マ イ ク ロ波 信 号 を ス ー パ ヘ テ ロ ダ イ ン方 式 で 中 間 周 波 に落 とし て,検 波,増 幅 し て,基 準 信 号 と伝 送 信 号 な い し は反 射 信 号 との 振 幅 比 を検 出 す る チ ャ ネル と,同 様 に位 相 差 を検 出 す る チ ャネ ル が あ り, 目的 に応 じて 表 示 部 で 選 択 表 示 す る。   測 定 結 果 は表 示 部 のCRTに recorder ),印

出 力 され るが,必 要 に応 じて,X-Y記

字 装 置(printer),プ

ロ ッ タ(plotter)な

録 計(X-Y

ど を付 加 して,表

示 な い し記 録 で き る。   [3] 

ネ ッ トワ ー ク 分 析 器 の 測 定 機 能

  ネ ッ トワー ク分 析 器 は周 波 数 に対 す る振 幅 特 性 と位 相 特 性,す 応 答 を 同 時 に測 定 す る。 基 本 的 に は横 軸(X軸)に 軸)に 振 幅 と位 相 を示 す とボ ー ド線 図(Bode

線 図(Nyquist

plot)と

周 波 数 を 指 示 し,縦 軸(Y

diagram)と

ベ ク トル 形 式 で一 緒 に して示 す と極 座 標 表 示(polar

なわ ち 周 波 数

な り,振 幅 と位 相 を

plot)ま

た はナ イキ ス ト

な る。極 座 標 表 示 で は,ω を− ∞ か ら+∞

まで 変 化 さ せ

た と きの 伝 達 関 数 の ベ ク トル軌 跡 を表 す 。   簡 単 な例 と し て,図5・13の

よ う なRCか

らな る4端 子 網 を考 え る と,こ の 回

図5・13  4端 子 回路 網 の例

路 の 電 圧 で の利 得(伝

達 関 数)は, (5・18)

で あ る。   こ の 回 路 網 に つ い て ボ ー ド線 図 を 書 く と,図5・14の   振 幅(利

得)は

よ う に な る。

デ シ ベ ル に 換 算 し て, (5・19)

た だ し,τ=CRで

回 路 の 時 定 数 で あ る 。￨1+jω τ￨=√1+ω2τ2で

あ る か ら,式(5・

19)は ま た, (5・20)

と書 け る 。  一 方

,位

相 差 は, (5・21)

で ある。   い ま τ=1と

す る と極 座 標 表 示 で は,式(5・18)を

実 数 部 と 虚 数 部 に 分 け て, (5・22)

が 得 ら れ る。   この 軌 跡 を図5・15に 示 す が,− ∞ ≦ ω≦+∞ な わ ち 円 とな り,0≦ ω≦+∞

を とれ ば実 軸 の 上 下 の半 円,す

を とれ ば,実 軸 の下 半 分 の半 円 とな る。

(a)振 幅 変化

(b)位 相変 化

図5・14 

ボ ー ド線 図

図5・15  極 座 標表 示

  この ほ か,回 路 構 成 を変 え る こ と に よ り,種 々 の 測 定 と表 示 が 可 能 で あ る。 例 え ば,基 準 信 号 側 の 中 間 周 波 チ ャ ネル と,伝 送 信 号 側 の 中 間 周 波 チ ャネ ル に 位 相 検 出器 を接 続 す れ ば,そ の 出 力 は表 示 器 上 で横 軸 の 周 波 数 に対 して縦 軸 に 位 相 差 を示 す 。 また,同 様 に同 期 検 波 器 を 挿 入 す れ ば,基 準 信 号 の 中 間周 波 と 伝 送 信 号 の 中 間 周 波 の ベ ク トル 比,す

な わ ち 互 い の振 幅 と位 相 の 極 座 標 表 示 が

得 られ る。   反 射 波 を 測 定 した場 合,反

射 係 数 は極 座 標 目盛 か ら直 読 で き る。 し か し,よ

り詳 細 に複 素 反 射 係 数 を求 めた い場 合,ス ミス線 図(Smith

chart)を

表示 させ

る こ とが で き る。   ス ミス線 図 を利 用 す れ ば,被 測 定 回路 網 の複 素 反 射 係 数Γ を測 定 す る こ と に よ り,イ ン ピー ダ ン ス を求 め る こ とが で き る。そ の 関 係 式 は 次 の とお りで あ る。 (5・23)

 そ の 一 例 と し て,図5・16に

マ イ ク ロ 波 増 幅 器 の 入 力 イ ン ピ ー ダ ンス の プ ロ ッ

トを 示 す 。

図5・16 

  [4] 

マ イ ク ロ 波 増 幅 器 の 入 力 イ ン ピー ダ ン ス

実 際 の ネ ッ トワ ー ク 分 析 器

  近 代 的 な 回 路 網 測 定 に は,多 量 の 測 定 デ ー タ と複 雑 な計 算 が必 要 に な り,こ れ に 費 や さ な け れ ば な らな い労 力 と時 間 は大 き い。 した が っ て,測 定 と計 算 を 効 率 的 に行 うた め に は,ネ

ッ トワ ー ク分 析 器 の よ うな ツー ル が必 要 に な る 。

  ネ ッ トワ ー ク分 析 器 の 備 え るべ き基本 的 性 能 と して は,次 の事 項 が 挙 げ られ

る。 ① 高 精 度,高

確 度,高

分解能

② 測定周波 数範囲が 広 い ③ 測 定 振 幅 の ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジが 広 い ④ 周波数特性 が よい ⑤ 高 純 度,高 安 定 の信 号 源 を 内 蔵 して い る ⑥ 直 角 表 示 と極 座 標 の 両 方 の表 示 が で き る(伝 送 特 性 測 定 に は 前 者 が,イ

ンピ

ー ダ ン ス測 定 に は後 者 が 便 利 で あ る) ⑦ マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ制 御 に よ り,測 定 時 間 を短 縮 で き,測 定 操 作 を簡 素 化 で きる ⑧ 付 加 装 置 や 周 辺 機 器 に よ り測 定 機 能 を拡 張 で き る ⑨GP-IBに

よ り遠 隔 操 作 が で き る

  一 例 と し て,図5・17に

実 際 の ネ ッ トワ ー ク分 析 器 を示 す 。こ の測 定 器 は 周 波

数 範 囲 が45MHz∼110GHz,ダ 差 補 正 が で き,高 分 解 能(振

イ ナ ミッ ク レ ン ジ100dB以 幅0.001dB,位

相0.01°,群

上,実 時 間 で の 誤 遅 延0.01ns)で

あ

る。

(b)伝 送反 射 の 同時 測 定 (a)ネ

ッ トワ ー ク 分 析 器 の 外 観

図5・17 

(Sパ ラ メー タ を表 示)

実 際 の ネ ッ トワ ー ク分 析 器

  また,機 種 に よ っ て は45MHz∼50GHzの

周 波 数 範 囲 に お い て,ア

ク テ ィ ブ,

パ ッ シブ 両 方 の 回 路 網 伝 達 関 数 が 測 定 で きる。2チ ャ ネ ル の 測 定 系 統 を も ち,そ

の 一 つ は カ ラー 表 示 で,同 図(b)の

よ うに 複 合 的 な 表 示 が で き る。 測 定 結 果 は

対 数 表 示 と線 形 表 示 の い ず れ か を選 択 で き る。 オ プ シ ョン で あ るが,付 加 機 能 をつ け て時 間領 域 で の 測 定 も可 能 で あ る。

問 5-1  図5・2(b)の

よ うな 直 接 周 波 数 合 成 回 路 に お い て,f0=1MHz,f1=3MHz,f2=

6MHz,fs=2MHzで ュ ー ル を3段

題

あ る と き,出 力 側 に現 れ る周 波 数 を 求 め よ。 ま た,こ の モ ジ と し た 場 合,f0=1MHz,fs1=6MHz,fs2=8MHz,fs3=4MHzと

し て,合 成 周 波 数 を求 め よ。 5-2  図5・2(c)の

分 周 器 の 分 周 比 を100と い て,主

 

(答   1.2MHz,14.86MHz)

よ うな 間 接 周 波 数 合 成 回 路 に お い て,主 発 振 器 の 周 波 数 を1MHz, した と き の 出 力 周 波 数 は い く らか 。 ま た,こ の 回 路 に お

発 振 器 の 次 の 段 に 分 周 比10の

固 定 分 周 器 を挿 入 し た と き の 出 力 周 波 数

は い く らか 。

 

5-3  あ る ス ペ ク トル 分 析 器 の 周 波 数 範 囲 を1MHz,掃

(答   100MHz,10MHz) 引 時 間 を100msと

き,最 適 な帯 域 幅 を 求 め よ。

 

5-4  信 号 が100MHzと200MHzの

(答  2087Hz)

二 つ の 単 一 周 波 数 成 分 を含 ん で い る と き,掃 引

局 部 発 振 器 は200MHz∼500MHzを CRT表

す る と

発 生 し,掃

示 面 に表 れ る 周 波 数 の 始 点 と終 点,お

引 す る 。 ス ペ ク トル 分 析 器 の

よび表示 面 に現 れ る信 号 表示 は ど

の よ う に な るか 図 示 せ よ。  (答  横 軸 上 の 始 点 は0Hz, 100MHzと200MHzが

現 れ,終

点 は300MHz)

5-5  ス ペ ク トル分 析 器 とオ シ ロス コー プ との 系 統 図 を比 較 した 場 合,機 能 上 の 共 通 点 と相 違 点 を 挙 げ よ 。 5-6  ネ ッ トワ ー ク分 析 器 に お い て,フ

ィ ル タ の 群 遅 延 時 間 特 性 を 測 定 す る原 理 を 述

べ よ。 5-7  式(5・23)に 抗 で75Ω

お い て,Γ=0.8∠30°

で あ る と き,イ

で あ り,測 定 系 の イ ン ピ ー ダ ン スZoが

ン ピ ー ダ ン スZの

値 を 求 め よ。  

5-8  式(5・18)に

お い て,R=1kΩ,C=1nFの

る伝 達 関 数F(jw)を

求 め よ。

純抵

と き,100kHzの  

(答   106+j236Ω) 入 力 周 波 数 に対 す

(答  0.717−j0.451)

6、 計測 自動化 システム 6・1 

実 時 間 計 測 評 価

  近 年 の デ ィ ジ タ ル 計 測 技 術 の 進 歩,コ

ン ピ ュ ー タ の 普 及 に と も な い,測

を コ ン ピ ュ ー タ で 制 御 す る 計 測 の 自動 化,計

定器

測 デ ー タ の 自動 処 理 が行 わ れ る よ

うに な った 。   [1] 

GP-IBシ

ス テ ム

  測 定 器 と コ ン ピ ュ ー タ の 間 で コ ン トロ ー ル 信 号 や 測 定 デ ー タ な ど の 情 報 を や り と り す る標 準 的 な イ ン タ フ ェ ー ス がGP-IB(General Bus)シ

ス テ ム で あ る 。 これ は1970年

でHP-IBシ IEC-625-1)と

図6・1 

Interface

代 に 米 国 の ヒ ュ ー レ ッ ト ・パ ッ カ ー ド社

ス テ ム と し て 開 発 さ れ た も の が1975年 な っ た も の で,JISと

Purpose

に 国 際 標 準(IEEE-488,

し て も規 定 さ れ て い る(JIS

GP-IBの

構 成例

C

1901)。

こ

の 方 式 の 普 及 に よ り,複

数 の 測 定 器 と コ ン ピ ュ ー タ が 簡 単 に 接 続 で き,自

測 シ ス テ ム の 構 築 が 容 易 に で き る よ う に な っ た 。 図6・1に   (1) 

GP-IBバ

  GP-IBバ ス,5本

そ の構 成 例 を 示 す 。

ス

ス は 図6・1の

よ う に8本

の コ ン ト ロ ー ル バ ス の16本

の デ ー タ バ ス,3本

  こ の 信 号 線 は24ピ

ン ま た は25ピ

の ハ ン ドシ ェ ー ク バ

の 信 号 線 と リ タ ー ン 用 グ ラ ウ ン ド線 と シ ー

ル ド線 で 構 成 さ れ る 。 デ ー タ の 転 送 速 度 は1Mbyte/s以

下 で あ る。

ン の コ ネ ク タ を通 じ て 計 測 器 や コ ン ピ ュ ー

タ に 接 続 さ れ る 。 こ れ ら は そ の 機 能 に よ り コ ン トロ ー ラ(controller),ト (talker),リ

ス ナ(listener)と

  バ ス 上 に は1台

動計

ー カ

呼 ば れ て い る。

の コ ン ト ロ ー ラ が あ り,接

続 さ れ た 機 器 の コ ン ト ロ ー ル や,

測 定 デ ー タ の処 理 解 析 を す る。 通 常 コ ン ピ ュー タ が この機 能 を行 う。 バ ス上 の 情 報 を 受 け 取 る 装 置 を リ ス ナ,バ リ ス ナ は バ ス 上 に14台   (2) 

GP-IBの

ス 上 に 情 報 を 送 り 出 す 装 置 を トー カ と い い,

ま で 接 続 で き,ト

ー カ と な る の は1度

ハ ー ドウ ェ ア

(a)直 列 接 続

(b)星 形 接 続 図6・2 

GP-IBシ

ス テ ムの 接 続 法

に1台

で あ る。

  シ ス テ ム を 構 築 す る に は,イ GP-IB対

応 の 機 器(デ

器,信

ン タ フ ェ ー ス 機 能(接

図6・2の

リ ン タ,プ

備 えた

ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タや 周 波 数 カ ウ ン タ な ど の 測 定 機

号 発 生 器 や 電 源 な ど の 信 号 源,モ

ラ イ ブ,プ

続 用 コ ネ ク タ)を

ニ タ 用 デ ィ ス プ レ イ ・磁 気 デ ィ ス ク ド

ロ ッ タ な ど の コ ン ピ ュ ー タ 周 辺 機 器 な ど)を

バ ス 上 に,

よ う に 直 列 あ る い は 星 形 に 接 続 す る だ け で よ い 。 た だ し1シ

接 続 で き る イ ン タ フ ェ ー ス 数 は15以

内,接

ス テム に

続 ケ ー ブ ル の 長 さ は 合 計20m以

内

と い う 制 約 が あ る 。 コ ン トロ ー ラ か ら 命 令 を 受 け て 作 動 す る 信 号 発 生 器 や プ リ ン タ な ど は リ ス ナ,命 な ど は リ ス ナ,ト   (3) 

ー カ 両 方 の機 能 を もつ 。

GP-IBの

  GP-IBで

令 を 受 け か つ 測 定 デ ー タ を送 る デ ィ ジ タ ル マ ル チ メ ー タ

ソ フ トウ ェ ア

は,コ

ン ト ロ ー ラ はBASICな

に 対 し て コ マ ン ド を 出 し,機

ど の 言 語 を 使 い,バ

ス を 介 し て機 器

器 は そ の コ マ ン ドで 作 動 す る 。

  プ ロ グ ラ ム 言 語 は コ ン トロ ー ラ に よ り異 な る がBASICやFORTRANな

ど

が 多 く用 い ら れ る 。   [2] 

RS-232-Cと

  RS-232-Cは で,測

セ ン トロ ニ ク ス

コ ン ピ ュ ー タ が 標 準 的 に装 備 して い る シ リア ル イ ン タ フ ェ ー ス

定 器 が1台

だ け の よ うな簡 単 な シ ス テ ム に使 用 さ れ る。

  セ ン ト ロ ニ ク ス(Centronics)は

プ リ ンタ 用 の パ ラ レル イ ンタ フ ェ ー ス で測

定 器 の デ ー タ を プ リ ン タ や プ ロ ッ タ に 送 る も の で あ る が,こ

れ も簡 単 な シ ス テ

ム に向 い て い る。   [3] 

VXIバ

  VXIバ

ス はVME

ス シ ス テ ム bus

Extensions

for Instrumentationの

タ の バ ッ ク プ レ ー ン と し て 採 用 さ れ て い るVMEバ Europeの

略)を

ス(Versa

略 で,コ Bus

ン ピ ュー Modular

べ ー ス と し て 計 測 用 に 必 要 な 機 能 が 追 加 さ れ た も の で,GP-IB

に 比 べ 高 速(約10倍)の

デ ー タ 転 送 が 可 能 で,計

測器 はモ ジ ュラー化 され

シ ス テ ム の 小 形 化 が 可 能 とい っ た特 徴 が あ る。   図6・3の

例 は,約30cmの

高 さ の メ イ ン フ レ ー ム の 中 に 最 大13個

ー ル 化 され た 計 測 器 を 収 納 す る もの で

,同

等 機 能 のGP-IBシ

のモ ジュ

ス テム に比較 し

図6・3 

GP-IBシ

ス テ ム からVXIシ

ス テム へ

て小 形 化 す る こ どが で き る。  

VXIシ

ス テ ム に は,図6・4に

示 す よ う に次 の タ イ プ が あ る。

(1)

(2)

(3)

(4)

図6・4 

VXIシ

ス テム 構成 例

  ①  シ ン グ ルCPUシ で 接 続 さ れ,左

ス テ ム:VXIシ

ス テ ム と外 部 の コ ン ト ロ ー ラ がGP-IB

端 の ト ラ ン ス レ ー タ モ ジ ュ レ ー タ に よ りVXIの

コ ル に 変 換 さ れ る も の で,シ

プロ ト

ス テ ム の 導 入 時期 に よ く と られ る タ イ プ で あ

る。

  ②  マ ル チCPUタ

イ プ:各 モ ジ ュー ル に マ イ ク ロ プ ロ セ ッサ が 搭 載 され,

測 定 デ ー タ を一 次 処 理 した の ち,ホ ス トコ ン ピ ュー タ に 送 る タ イ プ で,ホ ス トの タ ス ク を軽 減 し効 率 的 に使 用 で き る。   ③  ス タ ン ドア ロ ン シ ス テ ム:ホ

ス トコ ン ピ ュー タ を モ ジ ュー ル 化 し,VXI

シ ス テ ム 内 で す べ て の処 理 を行 っ た後,LANな

ど に よ り大 型 コ ン ピ ュ ー

タ に デ ー タ を送 る タ イ プ。  ④

階 層 シス テ ム:一 つ のVXIシ

ス テ ム 内 に,複 数 の 異 な る計 測 シ ス テ ム を

構 築 し,そ れ ぞれ の計 測 シ ス テ ム が 同 時 に異 な る測 定 デ ー タ を得 る方 法 で あ る。

6・2    CATと

コ ン ピ ュー タ 援 用 計 測 シ ス テ ム はComputer 

Aided  Testの 略 称 で あ るが,こ

る計 測 の 自動 化 に と ど ま らず,そ れ を発 展 させ,ネ

れ は単 にGP-IBに

よ

ッ トワ ー キ ン グ,デ ー タベ

ー ス の 構 築 まで ,総 合 的 な 自動 化 を意 味 して い る。 す な わ ちCATと   『計 測 の 現 場 に お い て,計 測 か ら測 定 デ ー タ の 効 率 的 処 理,計 ミ ュ レ ー シ ョ ン,レ ポ ー テ ィ ン グ ・デ ー タの 一 元 管 理,ま

は

算 ・解 析,シ

で を含 め た コ ン ピ ュ

ー タ 支 援 に よ る 自動 化 』 をい う

。

  CATは

繁 雑 な 事 務 処 理 作 業 を含 め た 計 測 全 体 の 合 理 化 を図 り,無 駄 な 作 業

を 削減 す る こ と を第 一 の 目標 とす る もの で あ る。 これ に よ り計 測 に か か わ る時 間 や 測 定 者 に よ るデ ー タ の ば らつ きが 減 少 し,エ

ン ジニ ア は 創 造 的 な業 務 に よ

り多 くの 時 間 を使 え る よ うに な る。   [1] 

CATの

各段階

  (1)  第 一 段 階(手

動 か ら 自動 へ)

 測 定 時 間 の 短 縮,省

力 化 に よ る コス トダ ウ ンの た め に 従 来 の手 動 に よ る計 測

図6・5 

CATの

第 一 ・第 二 段 階

を 自動 化 す る段 階 で,前 節 のGP-IBシ

ス テ ム は この段 階 に 当 た る。

  こ れ は 実 験 や 計 測 ベ ン チ の 自動 化 を行 う段 階 で あ る。 手 動 測 定 で の 人 為 的 な 操 作 ミス,デ ー タ の読 取 り誤 差 を な く し,迅 速 な デ ー タ収 録,正

確 な デ ー タ処

理,省 力 化 に よ る コス トダ ウ ン を図 る こ とが で き る。汎 用 性 の あ るGP-IB,使 い や す いBASICを

利 用 し てPC(Personal

Computer)やWS(Workstation

)を コ ン トロ ー ラ と した計 測 の 自動 化 の 第 一 歩 とな る。   (2)  第 二 段 階(一

連 の 作 業 の 自動 化)

  この段 階 で は,各 種 ア プ リケ ー シ ョ ン ソ フ トウエ ア の利 用 に よ り,計 測 デ ー タの 統 計 解 析 処 理 まで を 自動 化 す る。 複 数 ベ ンチ の 計 測 装 置 を ネ ッ トワ ー ク を 介 して接 続 し,計 測 デ ー タ,ソ

フ トウ エ ア,周 辺 機 器 を共 有 し共 同利 用 が で き

る。 これ ら を図 示 す る と図6・5の よ うに な る。   さ らに解 析,シ

ミュ レ ー シ ョン もネ ッ トワー ク 内 のWSに

よ り計 測 と並 行 し

て 行 う こ とが 可 能 とな る。 多種 多 様 の コ ン ピ ュー タ シ ス テ ム と リ ン ク し,将 来 的 な ネ ッ トワー ク シ ス テ ム へ の 拡 張 性 を もた せ る こ とが で き る。   (3)  第 三 段 階(多 種 作 業 の 自動 化)   こ の段 階 に な る と,工 場 ・事 業 所 全 体 を管 理 す る上 位 コ ン ピ ュ ー タが 計 測 器

か ら の デ ー タ に よ る 大 規 模 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン,品 らCIM(Computer

Integrated

図 示 す る と 図6・6の

よ うに な る。

Manufacturing)へ

図6・6 

CATの

で と,CATか

と 展 開 さ れ て い く。 こ れ を

第三段 階

  設 計 ・製 造 の 自 動 化 シ ス テ ム(CAD/CAM:Computer Aided

質 管 理,OAま

Manufacturing)へLANを

Aided

通 じ て 展 開 し,フ

Design/Computer

ィ ー ドバ ッ ク で き

る シ ス テ ム へ と 展 開 で き る 。 こ う し た 作 業 効 率 の 向 上 を 実 現 す る た め,CATシ ス テ ム は,ソ

フ トウ エ ア 開 発 支 援 ツ ー ル,デ

ー タ 収 録/解 析 ソ フ トウ エ ア,品

質

管 理 ・統 計 処 理 ソ フ ト ウ エ ア な ど の ソ フ トウ エ ア 群 の 支 援 を 必 要 と す る 。   [2]    CATの 動 化 し,試

計 測 情 報 ネ ッ トワ ー ク シ ス テ ム 第 三 段 階 を さ ら に 進 め る と,製 験 デ ー タ を 共 有 化 し,有

造 ・検 査 デ ー タ の 測 定,解

効 活 用 す る こ と に よ り,計

析作業 を自

測 情 報 ネ ッ トワ

ー ク シ ス テ ム を構 築 し,工 場 ・事 業 所 全 体 の 活 動 を高 効 率 化 した 経 営 が 可 能 と な る。 そ の一 例 を 図6・7に 示 す 。

図6・7 

6・3 

計 測 情 報 ネ ッ トワ ー ク ・シ ス テ ム の 事 例

電 子 計 測 自動 化 の 将 来 展 望

  計 測 の 自動 化 は1990年

代 後 半 も ます ます 推 進 さ れ る で あ ろ う。GP-IBシ

ス

テ ム の 単 体 の 測 定 器 は モ ジ ュ ラ ー 化 され,コ ン ピ ュー タ の性 能 向上,小 形 化, 馳 価格低 下 とともに ,VXIバ ス シ ス テ ム や 第 三 段 階 のCATは 加 速 的 に普 及 し, 図6・7の よ うな計 測 情 報 ネ ッ トワー ク シ ス テ ム を構 築 す る事 例 も急 速 に増 えて い くで あ ろ う。 そ して,2000年

代 にか けて 次 に示 す よ う な計 測 器 や 計 測 シス テ

ム が 多 く用 い られ る よ う に な る で あ ろ う。   [1] 

MMS(Moduler

  これ はVXIバ

Measurement

System)

ス が カ バ ー で き な い 無 線 周 波 か らマ イ ク ロ波 帯 域 の 測 定 の た

め に開 発 され た 。 モ ジ ュー ル 方 式 を採 用 した 新 しい 計 測 シス テ ム で,モ ル の種 類 と し て スペ ク トル 分 析 器,パ 形 のGP-IB測

ワ ー メー タ な どが あ る。VXIバ

定 器 との 組 み 合 わ せ で,直

ジュー

スや単体

流 か ら光 波 領 域 ま で の 全 帯 域 の ア プ

リケ ー シ ョ ン を カバ ー す る こ とが 可 能 に な る。VXIバ

ス とMMSの

カバーす る

領 域 を 図6・8に 示 す 。

図6・8 

  [2] 

SCPI(Standard

VXIとMMSの

Commands

カバ ー す る領 域

for Programmable

Instrumentation)

 ハ ー ドウエ ア上 で コ ン ピ ュ ー タ を用 い た 計 測 の 自動 化 が進 む と,計 測 を行 う 時 間 の減 少 や 測 定 者 に よ る計 測 デ ー タ の ば らつ きの 減 少 な どの メ リ ッ トが あ る が,一

方 で は コ ン ピ ュー タ の ソ フ トウ エ アの プ ログ ラ ミ ング に長 時 間 を要 す る

こ とに な っ て くる。これ を解 決 す るた め の 工 夫 も行 わ れ て い る。SCPIは

そ の一

つ で あ る。   ハ ー ドウ エ ア で はVXIやMMSが

国 際 標 準 ・業 界 標 準 と な っ て い るが,ソ

トウ エ ア の 面 で の 業 界 標 準 的 な もの はSCPIと

フ

呼 ばれ る プ ロ グ ラ マ ブ ル計 測 器

用 標 準 コマ ン ドで あ る。 これ は リモ ー トコ ン トロー ル プ ロ グ ラ ミ ング 仕 様 の標 準 化 の た め の統 一 化 され た計 測 器 制 御 用 の コ マ ン ドセ ッ トで,制 御 で き る計 測 器 は フ ァー ム ウ エ ア と してSCPIプ

ロセ ッサ を搭 載 した もの が 対 象 と な る。

  これ に よ っ て メ ー カ ー の違 い や 計 測 器 の違 い に よ らず 統 一 した コマ ン ドで 制 御 で き る の で,従 来 長 時 間 を要 し て い た 計 測 シ ス テ ム の ソ フ トウ エ ア の 開発 時 間 が 短 縮 で き る よ う に な る。

  [3] 

近 未 来 の 電 子 計 測 シス テ ム

  1990年 代 後 半 か ら2000年

代 に か け て の 電 子 計 測 に お け る 自動 計 測 シス テ ム

は,ハ ー ドウ エ ア に はVXIやMMS,ソ

フ トウ エ ア に はSCPIが

さ れ,計 測 器 単 位 で は現 在 の コ ン ピ ュー タ機 能 を内 蔵 した,よ

標準 的に装備 りイ ン テ リジ ェ

ン トな もの とな って くる 。 さ らに そ れ ら は テ ス トサ ー バ と呼 ば れ る ホ ス トコ ン ピ ュ ー タ とLANで

接 続 され,分 散 処 理 形 の計 測 シス テ ム と な り,CAE(Computer

Aided Engineering)と

も リ ン ク し て研 究 ・開 発 か ら試 験 ・検 査 まで一 貫

性 を もち,全 体 の生 産 性 向 上 を もた らす もの とな るで あ ろ う。 この よ うな展 望 を図6・9に 示 す 。

図6・9  自動 計 測 シス テム の展 望

問 6-1  計 測 の 自動 化 の た め にPC(パ シ ョ ン)の 6-2  CATに

題

ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ)やWS(ワ

ー ク ステ ー

果 た す 役 割 に つ い て述 べ よ 。 は 利 害 得 失 が あ る が,そ

の 短 所 につ い て 述 べ よ。

6-3  電 子 計 測 自 動 化 と工 場 の ロ ボ ッ ト化 の 関 連 につ い て 述 べ よ。 6-4  自動 計 測 シ ス テ ム と ダ ウ ン サ イ ジ ン グ の 関 連 に つ い て 述 べ よ。 6-5  電 子 計 測 自 動 化 が 進 ん で くる と,エ 必要 とされ るよ うにな るか。

ン ジ ニ ア に は どの よ う な 能 力 が 求 め ら れ,

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Handbook" and

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Press,1993.

Instrumentation"

,

索

あ アナ ロ グ表 示  

 行 15

引 計 器 用 変圧 器

  25

計 器 用 変 流器

  29

計測環境

 2

計 測 器 管理 イ ン ピー ダ ンス 計  

44

イ ン ピー ダ ンス メー タ  位 相検 波 器  

1

計 測 情 報 ネ ッ トワー クシ ス テム 

47

計 量 研 究所  

110

位 相 同期 ル ー プ   陰極 線 管  

  9,11

計 測 シス テ ム 

110

検流計 

26,29

51 コー ル ラウ シ ュブ リ ッジ  

エ リア シ ン グ  

82

エ リア シ ン グ領 域  

84

エ レク トロニ ッ クカ ウ ン タ  液体 抵 抗 の 測 定  オ シロ グ ラ フ

  48  48,49,51,56 か

 行

  51

  113

11

高周波 

108

高抵抗 

39

高 電 圧 の測 定  

25 41 22 21

交 流 ブ リ ッジ 

32 44

国 際 キ ロ グ ラム 原器   国 家標 準  

可動 コイ ル 形

 26

さ    49,51

帰 還 形 パ ル ス幅 変 調 方 式   115

 67

6

7,9,11

 7

感 熱 式 オ シ ログ ラ フ

43

133

交 流電 力 の測 定  

  36

局 部 発 振器

25

コ ン トロー ラ  

交 流 電位 差 計  

  15

間接 測 定

コ ンデ ンサ分 圧 器  

交 流 電 子電 圧 計  

ガ ルバ ノ メー タ

回路 計

24

交 流 抵 抗 の測 定   カ ウ ン タ   56 ガ ン発 振 器

56

コモ ンモ ー ド雑 音  

工 業 試 験所  

43

オ シロ ス コー プ

階級

138

10

3電 圧 計 法  

33

3電 流計 法  

33

サ ブ ミ リ波  

108

サ ンプ リン グ  

行

81

サ ンプ リン グオ シ ロ ス コー プ   55,77,89 組 立 単位  

5,6

サ ンプ リン グヘ ッ ド 

90

雑 音 除去  

75

差 動 電圧 計  

準 ミ リ波 18

産 業 計測 標 準 

  108

人工 衛 星利 用 7

信号 処 理  

シー ケ ン シ ヤル サ ンプ リ ング   シー ケ ン スプ ロ グ ラム機 能   シ ェー リング ブ リッジ  

82,91 96

45

  61 2

信 号 発 生器  

113

信 号 前 処理  

2

振動子 

50,51

振 動 容量 電 位 計  

41

114

ス コー プ ドロー  

94

20

ス トレー ジオ シ ロス コー プ  

時 間標 準  

56，59

時 間領 域   指 示 計 器 

指 示 計器 形 交 流 電圧 計  

20

ス プ ラ イ ン補 間  

94

指 示 計器 形 交 流電 流計  

29

ス プ ラ イ ン曲線  

94

指 示 計器 形 直 流電 流 計  

26

スペ ク トル分 析 器 

指 示 電気 計 器  

56

指 示 電気 計 器 形電 圧 計   指 示電 気 計 器 の精 度   実効 立 上 り時 間  実効 値  

16 15

ス ミス 線 図 

129

水 晶 発 振器  

60

水 素 メー ザ標 準  

114

86

59

垂 直 軸分 解 能  

89

ゼー ベ ック効 果

 19

72

実効 蓄 積 周 波数 帯 域 

86

実効 値 指 示 

21

セ シウ ム ビー ム標 準  

実効 値 変換  

73

セ ンサ 

自動 位 相制 御  

110

自動 計 測 シ ス テム  自動 周 波数 制 御  

セ ン トロニ ク ス   2

周 波数  

34

接地 

39

44

接 地 抵抗  

56

43

接 地抵 抗 計  

周 波数 安 定度   周波 数 計  

25

絶縁抵抗  47

120

56

周波 数 合成  

134

23

静 電 電 圧計  

101

自動 平衡 式 変成 器 ブ リッジ  時 分割 掛 算 器  

静電 結 合  

110

自動 平衡 形 記 録形  

59

2

43

接 地 方法  

25

接 点抵 抗 計

 42

110

周波 数 合成 器  

110

周 波 数 掃 引範 囲  

掃 引局 部 発振 器  

117

周 波 数 の一 次標 準  

59

掃引 発 振器

  113

測定波形 

23

117

周 波 数 の二 次標 準  60 た

 行

周 波 数 の測 定  

56

周 波数 の標 準  

59

ダ イナ ミッ ク レ ンジ    120

周 波数 分 解能  

118

ダ ブル ブ リッジ    38

周波 数 領 域

  114

大 電 流 の測 定    28

56

立上 り時 間  

53,54

単発現象 

電 子 電 圧 計 に よる電 流測 定

81

電子電力計 

単 発 現 象 の 観 測 

78

電 磁誘 導  

単発周波数帯域 

87

電流計 

置換法 

9,14,18

中抵 抗 の 測 定

  41

超絶縁抵抗計  直接測定

  31

33 24

26

電 流 計 の 負荷 効 果  

28

電 流 力計 形 電 力 計  

32

電 力計  

31

トー カ 

133

40

 7

直 動 式 記録 形  

100

トー トバ ン ド 

直 流 電 子電 圧 計

  16

トラ ッキ ン グ ジ ェネ レー タ  

121

31

トリガ掃 引 オ シ ロス コー プ  

52

直 流 電 力 の測 定   直 列 抵 抗 ブ リッ ジ 

トレー サ ビ リテ ィ 

45

特殊 な抵 抗   デー タ レ コー ダ

デ ィ ジタ ル計 測 技術  

デ ィ ジタル 精 密 電力 計   デ ィジ タル 測 定  

ナ イ キ ス ト線 図   34

126

ナ イ キ ス トレー ト   82 内部 抵 抗

37,38

 27

日本 電 気 計器 検 定 所  

  15

日本 品 質保 証 機 構  

デ ィジ タル マ ル チ メ ー タ 

65

10,11

任 意 波 形 発生 器  

10,11 91,92

36

デ ュ ア ル ス コー プ  

67

ネ ッ トワー ク分 析 器 

デ ュ ア ルス コー プ方 式  

69

熱 起電 力 

は 

121

低抵 抗 の測 定  

ハ イ ブ リ ッ ド ・レコー ダ

電 圧 計 の 負荷 効 果   電 圧 制 御 発振 器   電 位 差 計法  

倍 率器

17 17

電 子 技術 総 合 研 究所  

49,50

21

 16

波形 率  

72

波 高率  

72

波 高値 指 示  

21

10

30

電磁 テ ー プ レ コー ダ  電 子電 圧 計  

バ ラク タ ダイ オ ー ド

19 117

電 磁 オ シロ グ ラ フ  電 子検 流計  

行

パ ー セ プ チ ュア ル エ リア シ ング

38,42

16

電位差計 

122

19,42

35

定在 波 比   電圧 計  

121

行

63

デ ィ ジタル 抵 抗 計  

抵抗 計  

な 

77

63

デ ィ ジタ ル スペ ク トル分 析 器  

テ ス タ 

9

43

 104

デ ィ ジタ ル オ シ ロス コー プ  

デ ィジ タル 表 示

27

ピボ ッ ト  49

27

微 小 電 圧 測 定  微 小 電 流 の 測定  

23 29

  117

 102

 83

標 準 

6 ら

標 準電 池  

18

標 準電 波  

60

表 皮効 果  

108

標本 化 定 理  

ラ ンダ ムサ ンプ リン グ

リア ル タ イ ムFFT演

82

標 本 保 持 回路   品 質保 証  

リス ナ  

±1カ ウ ン ト誤 差  

58

プ リン タ 

ル ビ ジ ウ ム ・ガ ス 標 準  

78

零位 法  

  129

28   119 49

72 21

8,12,16,20

ボー ド線 図  

A-D変

換

A-D変

換器 

 8

AFC 

110

ALC 

121

ATE 

65

92

C／C++ 

  46 126

63

CAD 

4,138

CAE 

141

CAM 

ホ ール 効 果 電力 計  

33

4,138

CIM 

ホ イー トス トン ブ リ ッジ  

13,36

  138

CRT 

51,136

9,14

CT 

5

D-A変

換器 

FFT 

121

補助単位 

ま マ イ ク ロ波 

65,67,79

63

BER 

変 成器 ブ リッジ

  行

29

GP-IB 

108

79

2,3,66,132

I EEE488 

マ クス ウェル ブ リ ッジ  

45

108

LAN  L CRメ

メガ ー   39

2

I SDN  JJY 

ミ リ波 

8,12,17,22

BASIC 

平 均値 指 示  

補償法 

60

ア ル フ ァベ ッ ト

ペ ン書 きオ シ ログ ラ フ 

偏 位法  

  79

133

  54

分 解能 帯 域 幅

平 均値  

算 56

106

複 素 反射 係 数Γ 分圧器 

 82

 51

プ リ ト リガ機 能   プ ロー ブ

リサ ジ ュ ー 図 形  

80,98

9

ブ ラ ウ ン管

  行

80 60 4,63,80 ー タ 

47

Log-Antilog方 MMS 

や 誘 導形 電 力 量計  

 行 32

MS-DOS  NTT時

式 

73

139 63 報 サ ー ビ ス 

61

PC 

137

PLL 

sパ ラ メ ー タ  

110

PT 

25 67 ー タ 

RS-232-C  SCPI 

140

本単位 

SI単

位系 

SI補

助 単位  

SWR 

VXIバ

2,134

SI基

121

63

VMEバ 48

ス

  134

ス シス テム

WAN 

4 5

WS 

  134

4

WINDOWS  4,5

125

63

UNIX 

PWM  Qメ

TCP／IP 

63 137

X-Yプ

ロ ッ タ 

105

X-Yレ

コー ダ  

103

YIG 

113

〈 著者紹介〉

小滝 國 雄 学

歴

 東 京 電機 大 学 工 学 研究 科 修 士課 程 修 了(1969年) Ph.D(1983年)  技 術 士(電 気 ・電 子部 門/情 報工 学 部 門)

職

歴   防衛庁海上 自衛隊,技 術研究本部等  海上 自衛隊呉造修所長,横 須賀造修所長  日本無線(株)顧問  防衛大学校理工学研究科講師  中央大学理工学部講師 現 在  東京電機大学講師  小滝技術 士事務所所長

島 田 和 信 学 職

歴 歴

  東京 電 機 大学 電 気 工 学 修士 課 程 修 了(1968年)  横 河電 機 製作 測 定 技術 部   横 河 ヒ ュー レ ッ トパ ッカ ー ド(株)計 測 器 部 門  ヒュー レ ッ トパ ッ カー ドオー ス トラ リア教育 開発 部

現

在

  (財)日 本 品質 保 証 機 構  (有)ア イキ ュ ーエ ム 代 表取 締 役

理工学講座 電 子 計 測  ―基礎か ら計測 システムまで― 1996年6月20日  2006年9月20日

第1版1刷

発行

  第1版3刷

発行

 小 滝 國 雄 島 田和 信

著 者

学校法人  東京電機大学

発行所

東京 電機 大学 出版局 代表者  加藤康太郎 〒101-8457 東 京 都 千 代 田 区 神 田 錦 町2-2 振 替 口 座   00160-5-71715 電 話   (03)5280-3433(営   (03)5280‐3422(編

印刷 三美印刷（株） 製本 渡辺製本（株）

〓

Kotaki

Kunio,

Shimada Printed

Kazunobu in

Japan

*無

断 で転 載 す る こ とを禁 じ ます。

*落

丁 ・乱 丁 本 は お 取 替 え い た し ま す 。 ISBN4-501-31830-9

C3055

1996

業) 集)

電気工学図書 理工学講座

基礎 電気 ・電子工学

理工学講座 改訂 交 流 回路

宮 入 庄 太/磯 部 直 吉 監 修 前 田明 志 他 著 A5判  308頁  2色 刷 電 気 ・電子技術 全般 を理 解 でき るよ うに編 集 した。 大 学理 工学 部の基礎課程 のテキス トに最適。2色 刷

宇 野 辛 一/磯 部 直 吉 共著 A5判  318頁

新テキス ト 電 気 回 路Ⅰ

新テキス ト 電 気 回 路Ⅱ

直 流 回路 ・交 流 回 路

四 端子 回 路 ・波形 応 答 ・過 渡 現 象

専 門 教育 研 究 会 編 A5判  198頁

専 門教 育研 究 会 編 A5判  188頁

電気工学 の基礎 理論をやさ しく,正 確に解 説した 「 新 テ キス ト」 シ リー ズの1冊 。 回路理論 の基礎 につい て,身 につ き使 い こなせ るよ うに解説。

電気回路の うち四端子 回路,波 形応答,過 渡現象 を 豊富な例題 によってや さ しく解説 した。短大,高 専, 専修 学校のテキス トに最 適。

理工学講座 電磁 気学

新テキス ト

交流現象の理論的 な解説 と計算法を詳述 した名著 「 交 流回路」を,時 代 の要求に沿っていて親 しみや す く, かっ理解 しやす いよ うに全面的 に見 直 した改訂版。

電磁気学

東 京電 機 大 学 編 A5判  266頁 理工系 大学 の基礎課 程 のための教科 書 として編 集。 講義 と学生の演習 の便宜 を考 えて,豊 富 に例題や演 習問題 を用意 した。

理工学講座 高周波 電磁 気学

専門 教 育研 究 会 編 A5判  224頁 短大,高 専,専 修学校の学生 を対象に,電 磁現象の理 解 に重点 をおいてや さしく,し か も正確に解説 した。

電磁気学の基礎 P.ハ モ ン ド 著 秋 月影 雄 他 訳 A5判  192頁

三輪  進 著 A5判  228頁 電磁気 学を基礎 に,ア ンテナ,電 波伝搬,高 周波回 路等 を理 解す るのに必要 な理論 を簡潔 に解説。

高度な数式演算 に終始 してい る従来 の霞磁気学 を改 め,ベ ク トル を用 いず に物理現象の理解に重点 をお いて解説 した 良書の翻訳 書。

理工学講座 照 明工学 講義 新訂 版

理工学講座 電気機器 要論 磯部 直 吉 著 A5判  370頁

関   重広 著 A5判  210頁 長年読者 か ら愛用 され信頼 を得 てい る前著 を最新 ・ 最良の資料 をと り入 れて全面的に見直 した。

大学における著者の20年 余の電気機器の講義 と研究 から得 た経験 を基に して 執筆 した。 大学専門学科の 教 科書 と して最適 であ る。

*定 価,図 書 目録のお 問い合 わせ ・ご要望 は出版局 までお願 い致 します. 

A-54

電気通信工学図書 理工学講座 電気 通信概 論 第2版

理 工学講座 マ イ ク ロ 波 回 路

荒 谷孝 夫 著 A5判  214頁  2色 刷

倉石 源 三 郎 著 A5判  310頁

好評の初版 を全面的に見直 し,特にデー タ通信 ・ISDN について大き く書 き改 めた。2色 刷

初学者に とって難解な数式 による理論展開 を避け,例 題 を解 くこ とによって理論 を学ぶ。

理工学講座 無線機器 システム

理工学講座 画像通信工学

小 滝 國雄/萩 野 芳 造 共著 A5判  362頁

村 上 伸一 著 A5判  210頁

無線機器 システムの全体像 を理解 しやすい よ うに図 を多 く入れ て解 説。

画像 を中心に した最新の各種通信 システムを、 その 構成原理 と主要技術について基礎技術 か ら解説。

ディジタル移動通信方式

スペク トラム拡散 通信

通 信 シ ステ ム ・デ ィ ジタル 通 信 ・ISDN

次 世代 高 性能 通信 に向 けて

山内 雪路 著 A5判  148頁 デ ィジタル化の時代 に備 えた移動 体通信シ ステ ムの 理解のために,デ ィジタル変復調技術 を中心に解説。 さらに,現 状の方 式や 日米欧で予定 され てい るデ ィ ジタル 自動車電話方式 について もふれた。

山内雪 路 著 A5判  168頁 次世代の無線 通信 システムの基幹技術 になるスペ ク トラム拡散通信 について,そ の特徴や原理 をできる だけ平易 に解説。

入門 テ レビ装置1

入門 テ レビ装置2

倉 石 源 三郎/荒 木 庸 夫/近 藤 昭治 共著 A5判  272頁

倉 石源 三 郎/荒 木 庸 夫/近 藤 昭 治 共 著 A5判  200頁

基礎的 な電 子工学の知識で十分理解で きるよ うに多 くの図面 を用 いて解 説 した。

専修学校の教科書,企 業の講習会 のテ キス トとして だけでな く,技 術者 の自学 自習に も最適。

入門 カ ラー テ レ ビ 改訂版 直川 一  也 著 A5判  294頁 カラー受像機 の基 本的な しくみか ら最新のテ レビ(ハ イ ビジ ョン)及 び衛星放送 までを平易に解説 した入 門書。

入 門VTR

横 山幸 太 郎 著 A5判  248頁 VTR技 術 を修得 しよ うとす る人の入 門書 として,基 礎事項 から最新VTRま

でを解 説。

*定 価,図 書 目録 のお問い合わせ ・ご要望 は出版局 までお願い致 します.

 C-52

デー タ解 析 ・信号 処理関 連 図書 数理科学セミナー

数 理 科 学 セ ミナ ー ウ ェ ー ブ レ ッ

ト入 門

ウ ェ ー ヴ レッ トビ ギ ナ ー ズ ガ イ ド

チ ャー ル ズK.チ ュ ウイ著 桜 井/新 井 共 訳 A5判  306頁 フー リエ解析の欠点 を補 う強力 な手段 として,ウ ェー ブ レット解析が数学,物 理の基礎研究か ら信号処理, 情報等 の工学的 な応用 まで,あ らゆる分野で話題で ある。 その基 礎的知識 を与 える待 望の入門書。

榊 原 進 著 A5判  242頁

情報科学セ ミナー

数理科学セミナー

応用 を目標 と した ウェーブ レ ッ トの入門的 な解説 を 与 える国内で は数少 ない ウェーブ レッ トの解説書。

ス プラ イ ン関 数 入 門

ウ ォル シ ュ解 析

桜 井  明 編 著 A5判  184頁

遠藤  靖 著 A5判  218頁

任意の点を滑 らかに結ぶ 曲線 を描 くスプライ ン関数 は,デ ー タ解析 や処理,コ ンピュー タグラフ ィック に と幅広い分野 で活 用されてい る。基礎理論や初歩 的な性 質か ら応用 までわか りやす く解説 した。

ウォル シュ解析 は,PCM信 号等 の離散デー タの解 析 に最適 であ り,過 渡的 ・衝撃的現象や脳波等 の解 析 にも応用 されている。 このデ ジタル 時代 にふ さわ しい ウォル シュ解析 の基礎理論 を解説 した。

ビギナーズ デ ジタル 信号処 理 中村 尚五 著 A5判  192頁

情 報 科 学 セ ミナ ー マ ル チ ス プ ラ イ ン

デ ジタル信号処理 を入門者に も分 かるよ うにていね いに解説 した シ リー ズ三部作の第 一弾。デ ジタル信 号処理の基本概念 について,信 号 を時間の世 界で処 理す ることを中心 に,て いねい に解説 した。

チ ャー ル ズK.チ ュ ウイ 著  桜 井/新 井 共訳 A5判  210頁 80年 代以降,多 変数スプ ライン(マ ルチ スプ ライン) の研 究が本 格化 し,め ざま しい発展 を とげ大きな分 野となった。高次元 のデー タ処理や3次 元CAD等 の 応用 に向けて,最 新の理論 を解説 した。

ビギナーズ

ビギナーズ

デ ジ タ ル フー リエ 変 換

デ ジ タル フ ィル タ

中村 尚 五 著 A5判  200頁 フー リエ変換 を用い,周 波数 の世 界における信号処 理 を取 り上 げる。DFT,FFTの 原理 を詳 しく説明 し た後,FFTの 応用例 を解説 した。特に数式の展開は 工科系の学生 にも理解 できるよ うにていねいにした。

中村 尚五 著 A5判  192頁 デジタル フィル タの原理 を理解 し,読 者が必要に応 じて開発 でき ることを目標 に した。 具体的なシ ステ ムを応用例にあ げ,ソ フ トウェア とハー ドウェア を 含め解説 した。

ユーザーズ

プラ クテ ィス

デ ィ ジ タル 信 号 処 理

デ ジ タ ル 信 号 処 理

江原 義 郎 著 AB判  208頁 これか らデ ィジタル信号 処理を学ぼ うとす る者,あ るいは現在,特 に この分野の知識 な しに信 号の処理 を行 っている信 号処理 システ ムのユーザー やエ ンジ ニア を対象 とした入 門書 である。

イブ ・トー マ ス/中 村 尚五 著 A5判  216頁 基本 とな って いる例題 を繰 り返 し演習す ることによ り,効率 よくデジタル信 号処理を学べるよ うに編集。 大学の演習のみ な らず,関 係 技術に携わ るエ ンジニ アや 基礎知識のあ る人向 けの入門書で ある。

*定 価,図 書 目録 のお 問い合わせ ・ご要望は出版 局までお願い致 します.

 

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