1. はじめに

第1章では，オシロスコープの原理と使い方，およびファンクション・ジェネレータの使い方について説明する．実験の途中や予習・復習時に良く読んで理解を深めてほしい．実際の実験の手順については第2章以降に説明がある．

1. オシロスコープの原理

1. ブラウン管の構造


ブラウン管はテレビ受像器にも使われており，日常生活で目にすることの多い装置である．（電波で送られてくる映像はどのような仕組みで画面上に表示されているのだろうか？ここを読んだ後で考えてみよう．）図1に示したのがブラウン管の基本的な構造である．ブラウン管の中は真空に保たれており，その中で電子を加速して蛍光面に衝突させ，表示したい点を光らせることができる．

図の1番左のＫはカソード（cathode 陰極）と呼ばれる部品である．カソードはヒーターに電流を流すことにより熱せられ，電子が飛び出してくる（熱電子という）．カソードとアノード（anode 陽極，図1のA1,A2,A3）の間には高い電圧がかけられており，それにより熱電子は加速される．加速された熱電子は，垂直偏向電極Ｖと水平偏向電極Ｈの間を通り，図の右側にある蛍光面Ｓに衝突する．蛍光面で電子の運動エネルギーは光に変換され，電子の当たった点は発光する．

蛍光面に到達する電子の数は，グリッドＧに加える電位によって制御することができる．つまり，蛍光面の明るさ（intensity,輝度）を調整することができる．また，３つのアノードのうち，A2の電位を変えて，A1を通った電子が，蛍光面上で一点に集まるよう調節することができる（focus,焦点の調整）．

垂直偏向電極に電圧を加えると，その間を通る電子は垂直方向に曲げられるので，蛍光面にぶつかる電子のｙ座標が変化する．同様に，水平偏向電極に電圧を加えることにより，ｘ座標を変化させることができる．すなわち，垂直・水平偏向電極の電圧により，蛍光面上の発光する場所（ブラウン管の明るくなる点，輝点の位置）が変化する．

問題1　本実験で使用するオシロスコープの加速電圧は約2000ボルトである．2000ボルトの電位差により加速された電子の速さを求めよ．

（ヒント：加速電圧をとすると電子の得るエネルギーはである．但し，は電子の持つ電荷であり1.6x10^-19Cである．また，電子の質量は9.1x10^-31kgである．）

2. 掃引と同期

信号の例として，図2(a)のような正弦波を考えてみよう．この図は縦軸が信号の電圧で，横軸が時間である．信号の電圧を適当に増幅または減衰して，垂直偏向電極Ｖに加えると，輝点の垂直位置（ｙ座標）は，信号電圧に比例して変化する．次に，水平方向（ｘ座標）を時間軸にするためには，水平偏向電極Ｈに，時間に比例した電圧を加えればよい．つまり，輝点の水平方向の位置は，時間の経過とともに一定の速度で，左から右へ動くようにする．輝点が右端にきてしまったら，水平偏向電極の電圧を元の値に戻して輝点が左端にくるようにし，また一定の割合で電圧を増加させる．具体的には，図2（b）に示した，のこぎりの歯のような電圧を水平偏向電極に加えればよい．このようにして，水平方向を時間軸に，垂直方向を電圧にして，信号の波形をブラウン管の蛍光面に表示することができる．これを掃引（sweep）という．水平方向の電圧が増加する割合，つまり，のこぎり波の傾きにより，蛍光面上での横方向1目盛りあたりの時間が変化する.また，縦方向1目盛りあたりの電圧は,垂直偏向電極に加える電圧をどのくらい増幅・減衰するかで決まる.

今度は，図2(a)のような周期的な信号を観測したときに，蛍光面上の波形を静止させる方法を考えよう．つまり，掃引を繰り返したときに，表示される波形がいつも同じになるようにするにはどうしたらよいだろうか？これを実現するのが同期（synchronization）という仕組みである．

そのためには，図2に示すように，適当なトリガーレベル（trigger level, triggerは銃の引き金という意味がある）を設定し，信号の電圧値が上昇していきトリガーレベルに達した瞬間に，のこぎり波をスタートさせればよい．輝点が右端に達したら,いったん表示を止め（電子の流れを遮断する）,水平方向の電圧を元に戻す．そして，信号の電圧をモニターし，再びトリガーレベルに達したら,表示を開始すると同時にのこぎり波をスタートする.このようにして，信号と同期して表示を行い,蛍光面上の波形を静止させることができる．

本実験で用いるオシロスコープでは,トリガーレベルに達した瞬間に電圧が上昇している（傾きが正）場合だけでなく,下降している（傾きが負）場合を選んで表示をスタートさせることもできる．また，観測している信号以外のものに同期して表示することもできる.

1. 装置

オシロスコープのパネル面を図３に示す．初めて見ると多くのつまみや端子があり戸惑うかもしれないが,慣れてくれば一つ一つの役割や調整方法が理解できるようになるはずである.

つまみや端子等の機能は以下の通りである．最初から全てを理解するのは難しいかもしれないので,実験中に分からなくなったら，以下を参照して理解を深めてほしい.

1. 実験

1. 課題１　オシロスコープの使い方

目的 オシロスコープの原理を理解し，操作できるようになる．

装置 オシロスコープ

プローブ　1本

1. オシロスコープの電源投入

以下の手順に従って行う．

1. オシロスコープのつまみやスイッチを次のように設定する．

�@POWER OFFであることを確認する

�GINTENSITY 時計方向にいっぱいに回す

�HCHl INPUT 何も接続されていないことを確認する

�JAC-GND-DC GND（まん中）にする

�NVAR，PULL´ 5 GAlN 灰色のつまみは押し込んだ状態にして，時計方向（右）に回しきっておく．

�RPOSITION 中央にする（切れ目があるところが上になるように回す）

MODE CH1

TIME/DIV 0.2ms/DIV（つまみに付いている４つの出っぱりのうち，一番大きいのがほぼ真上になるようにする）

SWP VAR CAL方向（右）に回しきっておく．

POSITION 中央にする

SOURCE INT

INT TRIG CH1

TRIG LEVEL 中央にする

TRIG MODE AUTO

2. オシロスコープの電源コードをコンセントに差し込む．
3. POWERスイッチをONにする．
4. しばらくすると輝線が表示されるはずである（表示されない場合は上記の項目を再確認する）．地磁気等の影響で輝線と目盛線が平行にならない場合がある．これは�DTRACE ROTATIONを回すことにより調整できる．著しく平行からずれている場合は教員に申し出ること．

2. オシロスコープの調整

1. �GINTENSITYを回し，輝線が適当な明るさになるようにする．輝線が明るすぎると，蛍光面が焼損したり，輝線が太くなって読み取り誤差が大きくなるので，目で見てはっきり見える範囲でなるべく弱くする．
2. �BFOCUSを輝線がもっとも細くなるように調節する．
3. �RPOSITION, POSITIONを調整し，輝線が管面中央にくるようにする．

3. 掃引の確認

1. TIME/DIVつまみをゆっくりと左（反時計方向）に回していくと，輝線が点滅し始め，ついには点が動いているのが見えるようになるはずである．一番左まで回して，TIME/DIVを0.2s/DIVにする．
2. 輝点が画面の左端から右端まで動くのに要する時間はどれくらいか？大ざっぱでよいので時計などを使って工夫して見積もってみよ．一つの方法は，輝点が右端で消えてから左端に表れるまでの時間は無視できるほど短いと仮定し，一定の時間の間に（例えば10秒間）何度動くか数えることが考えられる．用いた方法と結果をノートに記せ．
3. TIME/DIVから計算した値と上の結果を比較せよ．
4. 輝点を左から右へ一定の速度で動かしている仕組みについて，自分の言葉で簡単にまとめてみよ．（ここは実験終了後でよい．第1章の問題1もやっておくこと．）
5. SWP VARつまみをゆっくりと左に回してみよ．起こったことをノートに記せ．終了後はカチッというまで右に回しきっておく．

4. 校正信号を観測し，振幅と周波数の読みとり方法を学ぶ．

1. CH1の垂直軸感度（�LVOLTS/DIV）を0.2Volts/DIVに，CH1の結合方式（�JAC-GND-DC）をDCにセットする．
2. 時間軸感度（TIME/DIV）を0.2ms/DIVにする．
3. プローブのBNC側をCH1 INPUT端子へ接続する．BNCケーブルは出っぱりを合わせて差し込んだ後，カチッとなるまでギザギザ部分を右に回す．プローブの先端でCAL端子をはさむ．
4. 矩形波（方形波）が表示されるはずである．水平部分が直線から大きく歪んでいる場合は，プローブの容量を調整する必要があるので教員に申し出ること．
5. 垂直方向の振幅は何DIVか．できるだけ正確に読み取りノートに記録せよ．垂直軸感度との積を計算し，波高値(peak-to-peak)をボルト単位で求めよ．
6. 水平方向の一周期を管面から読み取り，矩形波の周波数を求めよ．読みとりの際には，水平方向の位置をPOSITIONで動かすと便利である．周波数は，周期の逆数で，単位はHzである．

1. 課題2　正弦波の観測

装置 オシロスコープ

1. 発振器の電源投入と調整

1. 発振器のPOWERスイッチがOFFになっていることを確認した後，電源コードをコンセントに差し込む．
2. 発振器のPOWERをONにする．
3. 発振器のMAIN端子とオシロスコープのCH1 INPUT端子をBNCケーブルで接続する．
4. オシロスコープのつまみを次のようにする．

�JAC-GND-DC DC

�LVOLTS/DIV 5V/DIV

MODE CH1

TIME/DIV 0.2ms/DIV

SOURCE INT

INT TRIG CH1

TRIG MODE AUTO

5. 発振器のつまみを次のようにする．

�ARANGE 1K（ボタンを押す）

�BFUNCTION 正弦波（一番右のボタン）

�CATT 0dB（ＰＵＳＨ　ＯＦＦ）

�FAMPLITUDE 最大（右いっぱいに回す）

�IFREQUENCY 1.0程度

�JSWEEP EXT（ＰＵＳＨ　ＯＦＦ）

6. 管面に表示された正弦波の振幅と周波数を読み取り，ノートに記録する．

2. トリガーレベルを動かして同期について理解を深める．

1. 水平方向の位置を右に動かして（POSITION），正弦波の左端が管面に表示されるようにする．
2. この状態でトリガーレベルを変えてみよ（TRIG LEVEL）．表示される波形はどのように変化するか？トリガーレベルのつまみを右や左に回したとき，波形が動き始めるのは，左端がどのようになったときか？トリガーレベルのつまみを引き出すとどのようになるか？これらの点についてノートに記録する．必要であれば波形をスケッチせよ．
3. (イ)で観測したようになる理由を考えてみる．理解できないときはまずパートナーや友人と議論をし，それでも分からなければ教員に質問する．実験終了後に自分なりの言葉でノートに理由を記しておこう．

3. 色々な波形を観測し，オシロスコープの操作に習熟する．

1. ここの目的のひとつは，発振器の設定を色々と変えて表示される波形を楽しむことである．これまでは，全ての設定をテキストで与えていたが，ここでは，それぞれ自由にボタンやつまみを設定して良い．無理な力を加えない限り器械が壊れることはないので，安心して自由に操作してほしい．但し，発振器の周波数や振幅を変化させると，それに応じてオシロスコープの時間感度，垂直感度，トリガーレベル等を変化させる必要がある．基本的にどのような波形でも表示できるはずなので，オシロスコープを適切に設定できるようになろう．発振器の振幅をゼロにしていくとどうなるか，周波数を極端に小さくするとどうなるかといったこともやってみよう．
2. ゲーム：次のようなルールでパートナーとゲームをする．