写真１ ＯＰアンプ回路 写真２ コイルに流れる電流と電圧
NADVを用いたパソコンの２現象オシロスコープ化
県内の研究グループにより作製されたパソコン計測用のＡ/Ｄ変換ボードＮＡＤＶと汎用ＯＰアンプＩＣより成る自作回路を用いて，パソコンを２現象オシロスコープ化するソフトを作成したので報告すると共に，それを用いた測定例を紹介する。
写真１ ＯＰアンプ回路 写真２ コイルに流れる電流と電圧
1.はじめに
県内の研究グループによるパソコン計測用のＡ/Ｄ変換ボードＮＡＤＶは約５００セット作製されたが，その多くが県内の高校理科教員に頒布され，いつでも利用できる状態にある。ＮＡＤＶにはＡ/Ｄ変換用に４チャンネルのアナログ入力端子があるが，そのチャンネル１とチャンネル４にオペアンプを用いた増幅率可変の一種の差動増幅回路を接続することにより，音声程度の周波数の信号２チャンネル分をほぼリアルタイムにパソコンの画面に表示することができたので紹介する。ＮＡＤＶはＮＥＣのＰＣ－９８シリーズのパソコン用なので，最新のパソコンには対応しないが，Windowsの普及に伴い，今後校内で使用されなくなる古いパソコンを物理実験に用いることの可能性を考えれば，多いに利用価値があると思われる。
2.概要
ハード的，ソフト的概要は以下の通りである。
ハードウェア NEC PC-98シリーズ＋NADV＋自作回路(インスツルメンテーションアンプ２回路)
ＯＳ MS-DOS 3.3C以上
Windows95ではMS-DOSプロンプトのフルスクリーン表示で実行可能
使用言語 N88BASIC＋マシン語
サンプリング周波数 30kHz，150kHz(機種によっては30kHzのみ)
入力チャンネル数 ２チャンネル(NADVのチャンネル１と４使用)
入力電圧範囲 -10V ～ +10V(５段階切り替え)
VOLTS/DIV 0.02V ～ 4V(表示９段階切り替え)
TIME/DIV 0.2ms ～ 50ms(６段階切り替え)
CPUが80386以上の機種なら，音声程度をほぼリアルタイムに表示する。それ以下のCPUでも動作はするが表示が遅く，オシロスコープとしてはぎこちない。画面を一時停止することもできる。
3.作製回路
図１ 回路図
回路図(図１)の通りである。この回路を２チャンネル分作製し，出力をＮＡＤＶのＣＨ１とＣＨ４の入力に接続する。使用ＩＣはテキサスインスツルメント社のＴＬ０８４でＦＥＴ入力のＯＰアンプが４個入ったものである。ＯＰアンプ１～３で参考書1)2)3)通りのインスツルメンテーションアンプを構成している。このアンプの利得αは次式で与えられる。
ＲB ２ＲA
α＝－－(１＋－－-)
ＲA ＲX
ＲA＝100kΩ，ＲB＝24kΩであり，ＲXはディップスイッチで2kΩ，10kΩ，22kΩ，180kΩ，4.7MΩを切り替えられるようにしている。ＲX，α，入力電圧ei，ＯＰアンプ３の出力電圧eO1の関係は次の通りである。
ei × α ＝ eO1
ＲX＝ 2kΩ, α＝25, ±0.1V×25 ＝±2.5V
ＲX＝ 10kΩ,α＝5, ±0.5V×5＝±2.5V
ＲX＝ 22kΩ,α＝2.5, ±1V×2.5＝±2.5V
ＲX＝180kΩ,α＝0.5, ±5V×0.5＝±2.5V
ＲX＝4.7MΩ,α＝0.25, ±10V×0.25＝±2.5V
さらに，ＯＰアンプ４でeO1を2.5Vレベルシフトさせて最終出力eO2を0～5Vにしている。ＯＰアンプ４の＋入力端子に接続されている可変抵抗を変化させて出力の0電位を調整する。この可変抵抗によって本物のオシロスコープのように画面上の波形をリアルタイムに上下させることもできるが，ここでは半固定とし，ソフトによって対応している。回路の詳細については適当な参考書1)2)3)4)をご覧頂きたい。
4.測定画面表示例と操作法
図２は周波数1000Hzで同位相の三角波と正弦波を入力した場合の画面表示例である。画面右下に表示してあるように，SPACEキーを押すと波形の流れが停止する。停止した状態でＴ，Ｖ，Ｃ，Ｐ，Ｑの各キーを押すと，それぞれTIME/DIV，VOLTS/DIV，CH-MODE(１チャンネルのみの表示か２チャンネルの同時表示か)，POSITION(２つの入力電位の0Vを共通にするか，上下に分けるか)の切り替え，およびソフトの終了を行う。
5.プログラミング
プログラムの流れの概要を次に示す。
変数初期設定・画面初期表示
↓
(＊)データ取込(マシン語)
↓
データ画面表示(グラフ化)
↓
キースキャン
↓
キー入力があれば，そのキーに応じたメニュー処理
↓
(＊)
プログラムは，特別なことは何もしていない単純なもので，ただ最近のパソコンの速さに助けられてオシロスコープらしく見えているだけである。最近のパソコンと言ってもWindows95の動作する程度のものと言うことではなく，ＣＰＵにＶ３０を用いたような極端に古いものでなければなんとかそれらしく見える。
計測ボードＮＡＤＶのハードとソフトの詳細に関しては次を参照して頂きたい。
物理分野におけるｺﾝﾋﾟｭｰﾀ計測の実験と応用：県立教育ｾﾝﾀｰ研究双書33,1994
物理分野におけるｺﾝﾋﾟｭｰﾀ計測の実験と応用Ⅱ：県立教育ｾﾝﾀｰ研究双書41,1995
作成したプログラムは紹介したＯＰアンプ回路が無くとも動作可能で，ＮＡＤＶボードにマイクを接続して音声波形を表示させることができる。
（プログラムのダウンロードはこちらからどうぞ。ただし，動作にはN88BASICが必要です。）
6.測定例
図３はマイクによる音声の「アー」とオシレータによる500Hzの正弦波を表示させたものである。音声は約125Hzであることが読みとれる。マイクからの信号はＮＡＤＶのＣＨ１にマイク用のアンプが装備されており，スイッチで入力を切り換えられるようになっているので今回の回路は通していない。
図３ 「アー」の音声と５００Ｈｚの正弦波
通常のオシロスコープではマイナス端子が共通になっているため，図４のような接続が不可能であるが，この回路では可能である。図５は50Ωの抵抗と3.3μFのコンデンサーを直列に接続し，オシレータで500Hzの交流電圧をかけた場合を見たものである。当然であるが，きれいにπ/2だけ位相がずれているのがわかる。コンデンサーのかわりに実験用のコイルを用いても同様のことが確認できる(写真２)。
図４
図５ コンデンサーに流れる電流と電圧
7.おわりに
次のようにすればより使いやすくなるとは思うが，時間がないのと何が目的かわからなくなるのでここでやめている。
・アンプの利得をロータリースイッチで切り替えて，更にそのスイッチの状態をパソコンに読み込ませ，電圧レンジ切り替え表示をを自動化する。
・プログラムをＣ等のコンパイラー言語で書き換え，描画をより高速にし，画面ももっと凝ったものにする。
・回路のノイズ対策をもっときちんとする。
どなたか挑戦して頂きたい。
ＮＡＤＶはまだ入手可能である。希望者は新潟高校の麩沢祐一先生に問い合わせて頂きたい。
参考文献
1)天良和男･矢野越夫:はじめてのパソコン計測･制御,東京電機大学出版局(1987)
2)天良和男:知的実験ツールとしてのパソコン活用,東京電機大学出版局(1991)
3)物理教材研究会:物理計測システム実用設計,ＣＱ出版社(1989)
4)岡村廸夫:定本ＯＰアンプ回路の設計,ＣＱ出版社(1990)