組み込みエンジニアにとって、オシロスコープを使いこなすことは「必須のスキル」であると言えます。電子回路の設計者はもちろんのこと、プログラマにとっても、自分が書いたソフトウェアは正しく動作しているのか、そのバグはハードウェアとソフトウェアのどちらに潜んでいるのか...といったことを知るために、オシロスコープは強い味方となります。
そこで本記事では、オシロスコープの使い方や見方などについて、初心者にも分かりやすく解説していきます。
オシロスコープとは？
まずは、そもそもオシロスコープとはどういったものなのかについて述べます。目に見えないものの代表として「電気」があります。18世紀、電気がまだ研究の対象であったころ、研究者にとって電気は目で見ることすらかなわず、「電気の挙動」を観測することは夢のまた夢でした。
20世紀に入って、この究極の夢を実現するものが出てきました。それが「オシロスコープ」です。つまり、オシロスコープは「電気の挙動」を目に見えるようにした測定器のひとつです。電気の存在は、物質を摩擦させて生じた引力によって分かりましたし（図1-1）、箔検電器によっても分かりました。
しかしその大きさ（電圧）を知るには、メータ式電圧計（図1-2）の登場を待たなければなりませんでした。
メータ式電圧計により、電圧（大きさ）が測定できるようになりましたが、高速で変動しメータの追従能力を超えるような「電圧の挙動」は観測しようがありません。重いメータ針を微小な鏡に置え、「電圧の挙動」により反射光を変動させ印画紙に焼付ける装置（電磁オシログラフ）が出現し、夢に少し近づきましたが、機械的構造であるため追従性に大きな限界がありました。
1897年にドイツで開発されたブラウン管は、蛍光面に向かう電子ビームを「電圧の挙動」によって偏向し、電子ビームが当たり発光した蛍光面の軌跡を見るものです。その軌跡が「電圧の挙動」そのものであり、追従性問題は構造的にクリアされました。
このブラウン管技術と電磁オシログラフのアイデアを組み合わせた結果、1934年にアメリカのDuMont社によりオシロスコープが商品化されました。初期のオシロスコープは必ずCRT（ブラウン管の一種）を表示部に用いて、「電圧の挙動」で直接電子ビームを偏向するというものでした（図1-3）。
そして1980年にデジタルストレージオシロスコープが現れてからは、これと区別するために、この初期のオシロスコープはアナログオシロスコープと呼ばれるようになりました。デジタルストレージオシロスコープは、「電圧の挙動」で直接電子ビームを偏向しません。「電圧の挙動」はA-Dコンバータによりデジタル化され、内蔵コンピュータで処理された後、表示部に現れます（図1-4）。
以降、文中で特別な断りがなければ、「オシロスコープ」はデジタルストレージオシロスコープを指すこととします。
オシロスコープとマルチメータの違い
電圧を測るとき、まず頭に浮かぶ測定器はマルチメータ（テスタ）でしょう（図1-5）。
変動のない直流電圧や安定した低周波の交流電圧なら手軽に測定できます。しかし、マルチメータとオシロスコープの違いは「時間の経過」の扱いにあります。基本的にマルチメータは時間軸を持たず、時間情報を表示できません。時間情報なしに数値のみを表示します。反応できる交流電圧の周波数にも大きな差があります。オシロスコープに比べ、マルチメータはずっと低い周波数にしか反応できません。
オシロスコープのメリット
「時間の経緯」を表示できることのメリットは計り知れず、マルチメータでは実現できない多大な効用をユーザに与えることができます（図1-6）。
例えば、研究に解を与えたり、積年の不具合を解消したり、今の仕事の効率をアップすることができます。プロはもちろんのこと、さらなる高みを目指すアマチュアにとってもオシロスコープを知り、使いこなすことは成功への大きなステップなのです。
ただ、「時間の経緯」を表示することのできるオシロスコープの操作は、マルチメータよりも複雑です。しかし要点を押さえながら理解を試みれば、決して難しいものではありません。
オシロスコープの使い方と見方
前項ではオシロスコープとは一体どういったものなのかについて述べました。ここからは、オシロスコープの基本的な使い方と見方について解説していきます。
表示画面の見方
オシロスコープは「電圧の挙動」を「時間の経過」にそって線表示するものです（図2-1）。
表示画面に波形を描く方法は心電図の描き方と似ています。波形は左から右へ等速で移動しながら電圧の大きさに応じて上下します。電圧が大きくなると上に向い、小さくなると下に向います。左が古い時間、右が新しい時間です。
オシロスコープの表示画面は、基本的に縦方向が電圧、横方向が時間を表した2次元表示です。表示画面の縦方向は電圧軸として電圧目盛、横方向は時間軸として時間目盛が刻まれています。
表示画面の上から下までは8分割されており、例えば8分割された1目盛あたりを1ボルト（1V/div:「1ボルトパーデビジョン」と呼ぶ）だとすると、その画面には8ボルトの電圧区間を表示できます。
時間軸もある幅を持った時間区間として表示されます。表示画面の左端から右端まで10分割されており、例えば10分割された1目盛あたりを1μs（1μs/div:「1マイクロセックパーデビジョン」と呼ぶ）だとすると、その画面には10μsの時間区間を表示できます。
波形の見え方の調整
波形が垂直軸（電圧軸）からはみ出す場合や、波形の高さ（波形振幅）が小さすぎて上下変動がよく判別できない場合には、垂直軸Scale（スケール）ツマミで波形を見やすい大きさに調整することができます。調整後、波形振幅が目盛のいくつ分であるかを知ることにより、波形振幅を測定できます。仮に1V/divで波形振幅が6.4目盛分あったとすると、6.4Vの波形振幅だと分かります（図2-2）。
波形が水平軸（時間軸）においてギュッと詰まり過ぎた場合や、逆に間延びし過ぎた場合、水平軸Scaleツマミを操作して波形を観測しやすい形に調整することができます。調整後、波形の繰り返しが目盛のいくつ分であるかを知ることにより、波形の周期（繰り返し時間）を測定できます。
例えば1μs/divで波形が8.4目盛ごとの繰り返しだった場合には、8.4μsの周期だと分かります（図2-2）。また垂直軸Position（ポジション）ツマミと水平軸Position（ポジション）ツマミにより、波形の上下左右の位置を調節できます。
トリガのかけ方
オシロスコープの画面を見ていると、そこに巧みな技が隠されていることに気付きます。それが「トリガ」という技（機能）です。波形を表示画面に何度も何度も重ね描くとき、このトリガ機能が働いています。水平軸上の同じ位置にその波形たちが重ね描かれるように、横方向にその波形たちがズレたりしないように、トリガ機能が働いているのです（図2-3）。
同じ位置にその波形たちを重ね描くようにトリガを操作することを「トリガを掛ける」と表現します。シンプルな繰り返し波形ならばトリガを掛けることは簡単です。トリガツマミを操作して、波形振幅の中心にトリガレベルを設定すればよいのです。
ただし、周期性が複数混在した複雑な繰り返し波形については、トリガを掛けるためのコツが必要です。まず、波形をざっと見て、混在した複数の周期の中からいちばん遅い周期を見つけます。そして、いちばん遅い周期を持つ特定部分にトリガレベルを設定します（図2-4）。
測定する信号へのつなぎ方
測定する信号（被測定信号）をオシロスコープで観測するには、まず、その信号をオシロスコープの入力端子（多くの場合はBNCコネクタ）に導かなければなりません。この方法は2つあります。1つは同軸ケーブル（多くの場合はBNCケーブル）を介して、オシロスコープの入力端子に導く方法です。そしてもう1つは「プローブ」と呼ばれる入力ツールを介して、オシロスコープの入力端子に導く方法です（写真2-1）。
同軸ケーブルを使用するケースは、被測定信号が出力端子を持っている場合や、ケーブル特性（インピーダンス、例えば50Ω）が負荷となり、回路動作に悪影響を与えない場合に限られます。同軸ケーブルによる接続は信号を劣化させる要素の少ない優れた方法ですが、多くの場合はプローブが使われます。
プローブは特殊な先端形状と高いインピーダンスを持つことにより、被測定回路の多種多様なポイントにアクセス可能です。プローブは利便性が高く、ほとんどのオシロスコープでは標準付属品となっています。被測定信号を正しく表示し正確に測定する過程において、プローブは非常に大きな役割を担っています。
ここではオシロスコープの使い方について説明しました。ここで説明した内容は基本中の基本ですが、少し難しいと感じた方もいることでしょう。次項では、そんな方もびっくりするような簡易なかつ便利な機能を紹介します。
オシロスコープの使い方｜便利な機能
メーカや機種によって多少の違いはありますが、オシロスコープには基本操作に加えて便利な機能が付いています（写真3-1）。
基本操作をマスターした上で、これらの機能を使うとより正確な測定ができたり、仕事の効率を上げたりすることができます。ここでは、そのような便利な機能について、代表的なものを取り上げていきます。
工場出荷時設定とパネル設定の保存呼出
1台のオシロスコープを複数のユーザで共有する場合、前ユーザが残した設定が残っていて、別のユーザの操作を妨げる場合があります。この場合、「工場出荷時設定」機能が有効です。この機能により前ユーザの残した設定を初期化し、工場出荷時のシンプルな設定に戻してくれます。
しかし前ユーザは自分の設定を初期化されてしまうので、次に使う際には再度設定し直さなければならないのでは...という心配はいりません。こういったときのために「パネル設定の保存呼出」があります。次も同じ設定でオシロスコープを使う場合のために、この機能を使ってツマミやボタンを含むパネルのすべての設定を保存しておけばよいのです。再度オシロスコープを使う際には、その設定を呼び出すことができます。
オートセット
基本設定をオシロスコープに任せてしまうという機能が「オートセット」です。オシロスコープの操作を理解していない人でも、この機能を使えばオシロスコープが波形を正しく表示してくれます。
ただし、オートセット機能は万能ではありません。波形が特殊な形状の場合には、正しい表示ができないということもあります。この場合には、さらに基本的な操作を行うツマミ類を操作して望ましい表示を行う必要があります。そのためこの機能は、基本操作を理解した上で使うよう心がけなければなりません。
カーソルと波形自動測定
オシロスコープで波形の振幅や周期を測定するには、3つの方法があります。1つ目は、すでに説明したように目で見る方法です。2つ目はカーソルを使う方法で、3つ目は自動測定による方法です。
カーソルを使うには、2本の横線によって測定したい箇所を挟み込むだけです（図3-1）。
その間の電圧は自動的に測定され画面に表示されます。同様に2本の縦線によって挟み込むと、周期が数値化されて画面に表示されます（図3-2）。
カーソル操作によるヒューマンエラーをなくす機能が「波形自動測定」機能です（図3-3）。
この波形自動測定機能では、ユーザは何も操作する必要はありません。メニューから測定したい項目を選ぶだけです。自動測定された結果は数値で画面に表示されます。価格の低いオシロスコープでも測定できる項目は10種以上あり、多くの測定をカバーします。
画面イメージデータと波形数値データ
ほとんどのオシロスコープは、表示画面全体を写真に撮るように、画面イメージデータを記録媒体に保存できます。パソコンで作る実験レポートに即使用可能です。また、表示されている波形自体もCSV形式の数値データとして保存できるので、表計算ソフトウェアなどで使えます。さらには、今表示されている波形を保存しておいて、後日、再びオシロスコープの画面に再表示することさえできます。
アベレージとピークディテクト
オシロスコープは波形をデジタル化し、波形のデジタルデータをオシロスコープ内部に保存します。これらのデータをデジタル信号として処理する（デジタル信号処理を行う）ことにより、ユーザに大きなメリットを与える多くの機能を持っています。
この例として「アベレージ」と「ピークディテクト」という機能があります。「アベレージ」の機能を使うだけで信号と非同期に発生するノイズを見事に取り除くことができます。逆に「ピークディテクト」機能を使えば、通常では取り逃がすほど極細なパルス性ノイズなどもきちんと捉えることができます。
ここでは、オシロスコープの便利な機能の代表的なものについて紹介しました。ただし、これらの機能は、メーカや機種によっては搭載されていないものもあります。ここで注意しなければならないのは、便利な機能だけを知っていても、それはオシロスコープを使いこなせているとは言えません。あくまでも基本操作を理解した上でこれらの便利な機能を使うことが肝心です。
さらに正しい測定を行い、正確な結果を得るためには知っておかなくてはならない注意点もあります。次項では、そのあたりのノウハウについてお話します。
オシロスコープの使い方｜注意点
オシロスコープで波形を正確に測定し、正確な結果を得るためには、知っておかなければならないポイントがあります。高性能をうたったオシロスコープを用いても、これらのポイントを外すと正しい測定ができません。ここでは、そういった注意点について述べていきます。
波形は画面に大きく表示する
オシロスコープで測定を行う際には、波形を画面いっぱいに使って表示することが大事です。
デジタルカメラのデジタルズームを例にとりましょう。ご存知かもしれませんが、デジタルズーム機能を使用すると、画質は悪化します。その理由は、デジタルズームはCCDの画素全体に使わず、その一部しか使わないからです。つまり、見た目で画像サイズが小さくならないよう、ひとつ1つの画素を拡大して水増ししているのです。
オシロスコープにおいても、このデジタルズーム機能を使ったときと同じことが起きます。複数の波形を画面に表示するとき、互いが重なり合う表示を嫌って、それぞれの振幅を小さくして、縦に並べることがあります。表示としては「良い」のですが、測定の精度を問う場合には「良くない」ことを知っておく必要があります。精度良く測定したい場合は、波形を画面いっぱいに表示してください（図4-1）。
波形どうしが重なり合ってチャネルの見分けに苦労する場合は、各チャネルごとに異なる色を使う「カラーオシロスコープ」が便利です。
サンプルポイントの数を増やして波形を取り込む
オシロスコープの波形は線で表現されます。そのため、なかなか気付きにくいのですが、実は多数の点（サンプルポイント）とその間をつなぐ線で構成されています。基本的に線はサンプルポイントとサンプルポイントをつないでいるだけなので、波形をいかに正確に表示できるかは、サンプルポイントの数に直結します（図4-2）。