４現象オシロスコープアダプタ
回路説明
  入力アンプ 入力アンプにはＬＭ７４７を使用しました。電源として±12Vを使用しています。そのため、アンプの入力電圧の最大値は±12Vまでです。入力電圧の許容値はそれ以上としたいので、Ｒ１とＲ２により１／１０に分圧しています。±30Vが入力された場合、アンプの入力端子には±3Vが加わることになります。 垂直位置調整は出力に直流を重畳させています。(±5V) ＬＭ７４７にはオフセット調節用端子があるので、これを使用するつもりでしたが、電圧変動範囲が小さいので、位置調整には使えませんでした。もともと位置調整用の端子ではありません。 今回の方法は強引な方法で、位置を調整すると、出力電圧も変化してしまいます。あまり上または下にしなければ使用可能です。 ＶＲ１により信号の垂直位置（電圧軸）を調整することができます。ただし、使用するオシロスコープが直流表示できることが条件です。 オフセット端子が使えませんでしたので、入力アンプとしては１パッケージに４つのオペアンプが入ってるＴＬ０８４を使用することもできます。ピン配置は違いますのでパターンは作り直す必要があります。 ＶＲ２によりアンプの増幅率を調整しています。ＶＲ２が最小（アンプの出力とマイナス入力端子を短絡した状態）の場合、アンプの増幅率は１になります。（正相増幅） 作成した回路ではＲ３＝１０ＫΩ、ＶＲ２＝２５０ＫΩとしましたので、ＶＲ２を最大にした場合（１＋VR2/R3）＝２６倍になります。入力の抵抗分割により入力が１／１０に、Ｒ４とＲ５で１／２になってしまいますので、これを補正する値としています。±12V以上にはなりません。（頭がカットされます） Ｒ４とＲ５は出力の分圧用です。これは、この後に接続するスイッチング用ＩＣが±5Vで動作するため、入力アンプの出力をそのまま接続すると壊れてしまうからです。Ｒ４＝１５ＫΩ、Ｒ５＝１０ＫΩとしましたので、１０／（１５＋１０）＝１／２．５になります。 ±12Vが入力アンプから出力された場合、Ｒ５に出る電圧は±4.8Vになります。 今回行った方法（入力を１／１０にして、必要に応じて増幅する方法）はノイズ（雑音）が発生し易くあまり良い方法ではありません。入力信号を１／１０に下げると、ノイズレベルに近づき増幅器ではノイズを含め増幅してしまうからです。 チャネル切替 ４つの入力信号の切替を行う回路です。ＩＣとしてはアナログ信号のスイッチング用のものを使用しています。このＩＣの電源電圧は±5Vを使用していますので信号として±5Vの範囲の信号を扱えます。本当はもっと高い電圧を扱えると良いのですが、しかたありません。でも、この範囲でも十分に使用可能です。 切替制御線の状態に従って、ＣＨ１〜ＣＨ４の入力信号が出力に現れます。 左の図では入力信号の周波数に対して切り替え周波数があまり速くない状態ですので、出力信号（赤）が点線になっていますが、実際には入力信号が切り替え周波数より十分低ければ、点線には見えず、連続した線として見えます。  切替動作を制御するのにTTL(0V 〜 +5V)の電圧を使用します。 ２本の制御線と信号の切替の関係は以下のようになります。
表から分かるように制御線ＢをＬ状態にして制御線ＡをLまたはHにすると、0Yと1Yだけを出力に接続することができます。 ４現象まで必要ない場合にはそのようにします。このようにすると２現象の映像は４現象時に比べ倍の密度で表示されます。 ２現象/４現象切替 方形波発振器で発振させたパルスを使ってアナログ・スイッチを切り替えます。４現象の場合には発振器の出力をフリップ・フロップ（ＦＦ）に入力し、２倍の周期にします。ＦＦの出力はアナログ・スイッチの入力Ｂに接続します。入力Ａには発振器の出力を直接接続します。これによりアナログ・スイッチの制御線Ａ、Ｂには別表で示したようにパルスが変化します。 ２現象にするためにはＦＦの出力を抑え、アナログ・スイッチの制御線ＢをＬレベルにします。これにより制御線ＡのみがＬとＨに変化することになります。すなわち、アナログ・スイッチの入力ＣＨ１とＣＨ２のみが出力にでます。 制御線ＢをＬレベルに固定するために２入力ＮＡＮＤゲートを２つ使用します。 ｎ３とｎ４は波形の整形用です。  切替スイッチが４ＣＨ側の場合
切替スイッチが２ＣＨ側の場合
ＮＡＮＤゲートは入力のどれか１つがＬレベルになると、他の入力の状態に関係なくＨレベルが出力されます。他の入力の変化は出力に現れません。 ｎ１の出力（Ｈ）はｎ２で位相反転し、ｎ２の出力はＬレベルになり、アナログ・スイッチの制御線ＢはＬレベルに固定されます。 このように、アナログ・スイッチの制御線はＡのみがＬとＨに変化し、ＣＨ１およびＣＨ２のみが出力されることになります。 発振器 オペアンプを正帰還させた方形波発振器を使用しています。Ｄ２およびＤ３は４．７Ｖのツェナーダイオード（低電圧ダイオード）です。 発振器の出力電圧を約±5Vに制御するためのものです。 また、Ｄ１は出力がプラス電圧のみになるように整流するためのダイオードです。発振器の出力をＴＴＬ（0V 〜 +5V)に合わせるためです。 Ｒ２４はオペアンプの出力によりＤ２およびＤ３に電流が流れすぎないように制御するために入れています。 発振器の周波数は直接アナログ・スイッチの切替周期になりますので、できるだけ高い周波数が望ましいのですが、以下のような問題点があります。 ・オペアンプでは高周波の発振が難しい。 ・切替周期を速くしても、オシロスコープが高周波に対応していないときれいな信号波形が見えない。 以上のことにより、今回の発振周波数は約２０ＫＨｚにしています。 波形をきれいにするために周波数特性の良いオペアンプを使う必要があります。 通常のオペアンプ（ＬＭ３１８）と今回使用したＬＭ６３６１の信号の立ち上がり時間を比べると以下のようになります。
トリガ信号アンプ ＣＨ１の信号をオシロスコープの外部トリガ信号として使用します。オシロスコープの動作原理でも説明しているように観測波形を画面上で静止させるためには走査の周期を入力信号の周期と合わせる必要があります。 オシロスコープは観測信号の立ち上がりまたは立ち下がりを内部で検出し、走査周期を自動的に合わせる機能を持っていますが、これを使うと、スイッチングによる立ち上がりまたは立ち下がりを検出してしまい、入力信号のものとは違う周期で走査してしまいます。ですから、入力信号を外部トリガとして入力する必要があります。 ＣＨ１の信号を増幅率１のアンプを通して外部トリガ信号として使います。 電源 オペアンプの動作用として±12Vの電源が必要です。また、アナログ・スイッチの電源として±5V、論理回路の電源として+5Vを使います。 まず、AC100Vから±12Vの電圧を作り、その電圧を３端子レギュレータにより±5Vの安定した電圧にします。 今回の回路では大きな電流容量は必要ないので、小型のスイッチング電源および３端子レギュレータを使用しました。 |
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