オーディオ、計測機器、メカトロニクス、生体などの幅広い分野でテストを行うときには、さまざまな波形の信号が必要になります。ファンクションジェネレータは直流から、超低周波~高周波のさまざまな波形の電気信号を連続して発生する装置です。実際の入力信号に代わりにファンクションジェネレータの信号を使うことによって、装置や機器の動作を確認したり、特性や性能を評価することができます。ファンクションジェネレータはまた、外部からの信号によって波形発生のタイミングを制御したり、波形を変調することもできます。ここではまず、ファンクションジェネレータの基礎的な原理を解説し、ついで、基本的な波形や任意の波形の生成について見ていきます。ファンクションジェネレータの操作の仕方についても触れていきます。最後に、おもな製品モデルとモデルの選び方について解説したいと思います。synthesizer、デジタル直接合成発振器)と呼ばれるデジタル回路で構成されています。DDS方式の基本原理は次のようになります。Memory)、D/Aコンバーターで構成されています。アキュムレーターは、クロックに同期して周波数設定値Nを加算していきます。すると、図に示すように、周波数設定値に比例した速度のノコギリ波状のデジタルデータが出力されます。このデータは出力波形の位相に相当し、出力波形が書き込まれた波形ROM(正弦波テーブル)の読み出しアドレスとなります。ROMの出力はD/Aコンバーターによってアナログ信号になり、設定した周波数で、ROMのデータに対応した波形が得られます。Filter、低域通過フィルター)によって、クロック成分を除去します。すると、図のようにきれいな波形が得られ、これがFGの出力信号となります。FGにはDDS方式が主流ですが、より高品位な波形作成を実現する新しいテクノロジーを使ったFGも開発されています。さまざまな波形を発生FGは多種多様の波形の信号を連続して発生することができます。基本は下の図に示すような正弦波、方形波/パルス波、三角波/ランプ波などの標準波形です。ファンクションジェネレータから連続発振される標準波形(出典:TechEyesOnline)製品のメーカーやモデルによって異なりますが、方形波はデューティ比(パルス周期に対するハイレベルのパルス幅の割合)が可変なのに対して、パルス波はデューティ比だけでなく、立ち上がり時間/立ち下がり時間も可変できます。三角波はシンメトリが50%(左右対称)のランプ波となります。任意の波形を発生することもできます。任意波形を生成する方法は2つあります。1つはFGの操作パネルを使う方法、もう1つはオシロスコープやパソコンからFGにダウンロードする方法です。一般のFGには「任意波形作成ソフトウェア」が提供されていますので、ユーザーはこれをパソコンに導入して、ソフトの編集機能を使って波形を作成します。どのぐらいの任意波形を作り出せるかはFGのメモリーサイズにも依存しますが、100種ほどの波形を保存できるモデルもあります。医療分野では、FGが出力する「心電波形」を使うこともあるようです。発振モードもいろいろFGには、さまざまな波形を連続的に発生するだけではなく、“いつ”、“どのぐらいの期間“発生させるかについて、きめ細かく制御できる機能も備わっています。“いつ”発生させるかについては、外部のトリガ信号を使い、“ある一定の期間”発生させたいときにはゲート信号を使います。トリガ信号やゲート信号によって、複数のサイクルの波形を発生させるモードを「バースト発振」といいます。1)バースト発振モードおもな「バースト発振」モードについて、少し具体的にみていきましょう。ゲート・バーストモード:ゲート信号がオンの間、複数サイクルの発振を行います。発振開始/停止の位相や発振させるサイクル数はあらかじめ、設定しておきます。位相、発振サイクル数についてはあらかじめ、設定しておきます。トリガバースト発振(出典:TechEyesOnline)また、波形パラメータを時間に沿って変化させた波形を出力することもできます。このモードをスイープ機能といいます。周波数スイープと振幅スイープ(出典:TechEyesOnline)さらにFGではさまざまな変調を行うこともできます。3)変調機能FM(周波数変調)、FK(周波数偏移変調)、PM(位相変調)、PK(位相偏移変調)、AM(振幅変調)、DCオフセット変調などの機能があります。2つ以上のチャネルをもっているFGも実際、少なくありません。複数チャネルを連動させたモードで、各チャネルから出力させることもできます。4)複数チャネル(CH)の連動モードたとえば、次のようなモードでの信号を発生させることができます:2相:同じ周波数の信号に対して、2CH間で位相差のある信号(さらに、2CHが付加され、4CHで4相の信号を出力するモデルも市販されています)。DCオフセットを同じにして、逆相の波形を出力2チャネルの差動出力モード_(株)エヌエフ回路設計ブロックFGの中には、上記の1)~3)の各モードの波形をいくつか定義し、それぞれをある期間発生させ、それらをあらかじめ決めた順序で出力させるといった複雑なシーケンス発振を行えるモデルもあります。ファンクションジェネレータの操作についてファンクションジェネレータはシンプルな信号発生器ですので、信号解析系機器(ロジックアナライザなど)のような複雑な操作は必要ありません。波形を選択し、周波数、振幅、DCオフセットを選択するだけで、その波形の信号が出力されます。多くのモデルでは、波形の各種パラメータや数値を変更するには操作パネル上のノブ(円形のつまみ)や数値キー(キーパッド)を使います。パネルのファンクションキーによって、先述しましたさまざまな発振モードを選択でき、都度、画面に表示されるソフトウェアキーで関連するパラメーターを設定することができます。いった操作は慣れれば、かなり素早く行えるようになるでしょう。操作にあたっては、次の2点について留意しておく必要があります:1つは、出力信号の電圧値についてです。FGでは50Ωで終端したときの電圧値を表示します。50Ωで終端していないときには表示の2倍の電圧が出力されます。FGの出力をオシロスコープで確認すると、FGの表示の2倍の電圧になります。オシロスコープがハイ・インピーダンスの測定器だからです。振幅とオフセットを半分の電圧に設定する必要があります。インピーダンス補正を自動的に行うFGも市販されています。いったモデルでは出力終端のインピーダンスをパネル上の操作で、例えば75Ωに設定できます。75Ωで終端したオシロスコープにつなげば、オシロスコープの波形の電圧はFGの表示と一致します。2つ目は出力させたい波形の高調波成分に関することです。正弦波以外の波形には通常、たくさんの高調波成分が含まれています。ところが、FGの仕様で定められた周波数帯域が狭いと高調波成分の一部がカットされ、出力波形が歪んでしまい、正しい波形になりません。このような波形を出力させたいときには、十分な周波数帯域を持ったモデルを選ぶようにしましょう。校正についてファンクションジェネレータが仕様の特性値どおりに動作するように、規定されている校正を忘れずに、定期的に行うようにしてください。テクトロニクスなどがFGの”老舗”のメーカーといえるでしょう。)(販売時の税抜価格(参考)))。販売終了のものも混じっていますが、いまなおレンタルされていたり、中古品として売買されています。Factoryシリーズの主だったモデルをあげておきましょう。technologies)メインの「33500シリーズ」、「33600Aシリーズ」では、波形の発生に、先に説明しましたDDS方式ではなく、独自のTrueformテクノロジーを採用しています。優れているとうたっています。各シリーズの主だったモデルをあげておきましょう。[33500シリーズ]振幅レンジはすべてのモデルに対して、最大20Vp-p/開放(10Vp-p/50Ω)となっています。価格を抑えた下記のようなモデルもあります。約17万円円[33600A]シリーズ:「33500シリーズ」の上位機種で、周波数レンジも広くなりました。4つの製品シリーズがあります。193,000円~小型・軽量で、使いやすいモデルとして、供給されています。以下のものは販売を終了していますが、中古品ではまだ、出回っています。以下のものは販売を終了していますが、中古品としては出回っています。FG320(2CH,1μHz~15MHz,12ビット)FG220(2CH,0.001mHz~2MHz)FG210(1CH,1μHz~15MHz)おもなメーカーの製品をざっとあげてみましたが、モデルの選定にあたっては、各社のサイトのデーターシートを入念にチェックし、業務の要求に合ったモデルを絞り込んでいきましょう。上記以外に、テクシオテクノロジー(旧インステックジャパン)、テイバーエレクトロニクス、ローデシュワルツといったメーカーからも供給されています。DDS方式に替わる方式で任意波形を生成するので、信号品質は格段に向上しています。低価格帯モデルも多くのメーカーから出ていますが、中でも10万円未満のテクシオテクノロジーの製品は使用感も悪くなく、コストパフォーマンスの良さを評価する声も少なくありません。基本波形の出力に特化した超低価格モデルもあります。RIGOL(リゴル)(周波数レンジ:1~65534Hz)(約3000円)などは言わば、ホビースト向け製品で、これはこれで十分に楽しめるFGといってもいいでしょう。モデルの選び方プロフェッショナル・ユーザーはテストや実験のために、実際の信号を擬似的に発生させる装置としてFGを使います。そのため、予算さえ許せば、希望する信号波形をできるだけ忠実に歪みなく再現できる性能をFGに求めています。参照すべく情報として付記しました。モデルをシビアに選定していくには、これら以外の機能についての情報も必要です。以下に具体的にあげていきましょう。1.波形特性と信号品質について高品位な信号は「低ひずみ・低ジッタ・低ノイズ」という3つの特徴を備えています。仕様書の注目すべきところは、ひずみ:正弦波の全高調波ひずみ率(あるいは、THD。%値が小さいほどよい)や方形波のオーバーシュート値(%値が小さいほどよい)です。ジッタ:方形波の時間軸上の信号の揺らぎ→時間(ps)が小さいほどよい。ノイズ:正弦波の波形特性の仕様にある「非高調波スプリアス」→dBcが小さいほどよい。2.周波数の分解能の高さ3.豊富な出力波形4.多様な波形制御5.任意波形を設定するメモリ長6.すぐれた操作性パネルの操作性だけではなく、複雑なプログラミングをしなくても「任意波形生成/編集」や「波形のシーケンス制御」が簡単に行える、PC用ソフトが供給されているかどうか。複数チャネルによる多出力や複数台接続による同期運転が可能ですと、より複雑な波形を生成することができます。これらの機能がすべて備わったFGとなると、エヌエフ回路設計ブロックやキーサイトテクノロジーなどの高価な上位機種に限られます。これだけは外せないという機能・性能を備えたモデルを取りあえず、選び、たとえばレンタルし、その後、必要に応じて機種変更をするか、あるいは当初、ミドルクラスのモデルを購入し、必要に応じて拡張オプションを購入し、アップグレードする(キーサイトテクノロジーなど)といった方法もあるかと思います。まとめ多様な信号波形を生成するファンクションジェネレータ(FG)はさまざまな分野の電子機器のテスト・設計・検査やシミュレーションなどに欠かせない装置です。1970年代に開発されたDDS方式による波形生成は長年、そして現在も多くのFGで使われています。ランプ波、三角波などの基本的な波形出力、そして、波形の変調/スイープ/バースト機能や任意波形発生機能が備わっています。複数のチャネルからの多出力が可能なモデルでは、より複雑な信号生成が行えます。波形生成/出力を行うには、前面の操作パネルを操作するか、製品に付属するパソコン用のソフトウェアを使って、波形シーケンスを編集した後、パソコンからFGにダウンロードするか、オシロスコープの出力信号を直接、FGに取り込みます。DDS方式とは異なる方式によって、周波数帯域は大幅に拡大し、より高品位な信号を生成でき、また、より複雑な任意波形の生成をが可能になったハイエンドのモデルも登場しています。このような機種は使いこなすのも結構、大変ですので、WEBサイトの動画を見て予習したり、メーカーの使い方セミナーに出席するのもいいかもしれません。FGのメーカーも製品の種類(数万円~100万円前後)もたくさんあります。売買したい会社様へ当サイトはAnyble(エニブル)株式会社が運営しております。売買できるプラットフォーム【Ekuipp(エクイップ)】を提供しております。興味がある会社様はまずは資料請求ください。企業エンジニアとして、メカトロニクスやパソコンの開発業務に十数年間携わった後、サイエンス&テクニカルライターに転身。企業時代の製品開発経験と知識を生かし、テクニカルライターとしてパソコン関連記事やマニュアルの執筆・翻訳に関わった。しだいにサイエンスライターとしてさまざまな分野にチャレンジ。記事を20年余、執筆・翻訳する。2012~2017年にシンガポールに滞在。シンガポールの知られざる自然、驚異の生き物について、現在、厖大な取材データを整理中。アスマン式通風乾湿計の特徴と製品の選び方アスマン式通風乾湿計はモーターもしくはゼンマイによって通風させながら乾湿計の測定ができるという測定器です。シンプルな乾湿計に比べると価格も高くなりますが、その分正確な測定や、周辺環境の影響も受けにくくなるという利点があります。現代の計測機器の多くは旧来のアナログ式の計測機器に比べデジタル方式を採用したことで飛躍的にその精度が高くなっています。実はそこに応用されている技術は計測機器の種類や用途が変わっても、同じ技術が応用されていることもしばしばです。計測器だけはなく、日常生活の様々な場面で活躍する「赤外線」について詳しくご紹介していきます。100年に一度の大雨!その雨量を測定する!雨量計とは?毎日しとしとと降り続く雨。梅雨時期の憂鬱な天気予報から聞こえてくる「○○mmの雨」。この○○mmを測定しているのが雨量計です。実は非常に身近でありながら意外と知られていない雨量計の仕組みや、雨量についての表現方法など、身近な計測器「雨量計」についてご紹介していきます。普段の生活では殆ど気にすることの無い水道水の量ですが、実際には常にどの程度の水を使用しているのかを監視している装置かあります。それがこの度ご紹介する流量計です。ついてナノメートル(1億分の1m)からミリメートル(100分の1m)の粉体粒子径の分布を、粉のまま(乾式)あるいは液体中に分散させて(湿式)測定できるのが粒度分布計です。古くから計測機器に多く使用されている構造の一つ「ねじ」についてご紹介します。ねじとは表面に一定(一様)ならせん状の突起を持った円筒状や円錐状の形状を有したものの総称です。ねじの原理を利用したものにマイクロメーターやインサイドマイクロなどたくさんの種類の計測器があります。2018タイトルとURLをコピーしました。