oscilloscope-timing

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オシロスコープで2つの信号のあいだのエッジ時間差(位相/オフセット/スキュー/遅延)を測る、その時間差の ジッタやドリフトを見る、1PPS どうしの整合を測る、Rigol を SCPI(LAN)でスクリプト計測する、波形を吸い 出してエッジ時刻の差を出す、ときは必ずこの skill を参照する。「CH1 と CH2 のエッジ差」「2つのパルスが どれだけずれてる」「PPS の位相/整合」「立ち上がりの時間差/遅延/スキュー」「規律出力 vs 基準のずれを ベンチで実測」「オシロ計測の python」「(2信号の時間差計測で)トリガがかからない/プローブが原因か」 「オシロで測った時間差は本物か」の文脈なら、明示的に "oscilloscope" と言わなくても発火する。自力で 答えられそうでも参照すること: 素の知識では誤りやすいハード固有の罠(内蔵 delay/RDELay は幅の広いパルスで エッジをペアにできず失敗、×1/×10 プローブのスキューが固定オフセット、単発値はドリフトの1点)と実証済み ヘルパ scripts/rigol_scpi.py を含むため。発火しない(対象外。いずれも「2信号のエッジ時間差」ではない): 単一信号の周波数・デューティ・電圧・波形をオシロで見るだけ、ロジックアナライザやプロトコル(SPI 等)の デコード、ファンクションジェネレータでの波形出力、スペアナ、TDC/周波数カウンタ、アイダイアグラム、 phase noise や Allan 偏差などの周波数安定度解析、回路シミュレーション。

オシロスコープでのタイミング/位相測定 (Rigol DHO800, SCPI)

2つの信号の立ち上がりエッジの時間差(位相/オフセット/スキュー)を、Rigol DHO800 を LAN 経由 SCPI で 駆動して測る。バンドルした scripts/rigol_scpi.py が接続/単発取込/エッジ検出/統計までやる。

この skill の価値の半分は計測手順、もう半分は 「測った数字を信じてよいか」の規律 にある。実機の時間差は たいてい揺れる量なので、測り方を誤ると簡単に偽の結論が出る。下の「落とし穴」を先に読むこと。

接続

scope の IP は環境変数 RIGOL_HOST から取る。IP をコミットされるファイルに直書きしない(機器の所在は 構成固有の情報で、リポジトリに残すべきでない)。raw TCP の既定ポートは 5555(RIGOL_PORT で変更可)。

RIGOL_HOST=<scope-ip> python3 scripts/rigol_scpi.py phase <ref_ch> <sig_ch> [N] [log]
RIGOL_HOST=<scope-ip> python3 scripts/rigol_scpi.py capture <out.png> [s/div]

スクリプトを呼ばず自分で SCPI を組むなら Rigol クラス(send/query/query_block/waveform/ single/drain_errors)を import して使う。

核レシピ: 2チャネルのエッジ時間差

手順は「基準チャネルのエッジでトリガ → 両チャネルの波形を吸い出す → それぞれの立ち上がり交差点を求める → 差を取る」。これを N 回単発取込して 分布(mean/sigma/pp) で報告する。measure_edge_offset() / rigol_scpi.py phase がこれを実装している。

RIGOL_HOST=192.0.2.10 python3 scripts/rigol_scpi.py phase 1 2 60 /tmp/off.log
# CH1=基準(トリガ), CH2=測りたい信号。60 shot。1行/shot で /tmp/off.log にも出す。
# -> xinc=... ns/pt  N_ok=58/60
#    offset(ch2-ch1): mean=-2803ns sigma=104ns min=... max=... pp=500ns

なぜ内蔵の delay/period 測定でなく波形を吸い出すのか: 幅の広いパルス(例: ~100ms の 1PPS)は µs 窓に エッジが1本しか映らず、内蔵のエッジペアリングが成立しない。波形を取って自分で交差点を求める方が堅い。

なぜ分布で報告するのか: 下の落とし穴の筆頭。

落とし穴(ここが本体)

1. 揺れる量を単発スナップショットで判断しない

時間差は温度/受信機の量子化 sawtooth/源の揺らぎでドリフトする。1発の値はその分布からのランダムな1点で あって「オフセット」ではない。同じセットアップでも、ある1発は +2.1µs、15発平均では 244ns、という乖離が 普通に起きる。

• 必ず 密に多 shot(数秒間隔 × 数十発以上) 取り、mean/sigma/pp と、必要なら時系列(ドリフトの向き)で見る。
• 2つの計測系(例: 機器の自己計測 vs オシロ)をドリフト中に緩く時刻整合して比べると、「測った時刻のズレ × ドリフト速度」が見かけの系統オフセットを作る。比べるなら密な時系列で分布として突き合わせる。
• 「改善を観測した」と「機構を確認した」は別物。新しい計測で failure を再現するまで「直った」と言わない。

ユーザが「1回測ったら Xµs だった、これは本物?」と聞いてきたら、まずこの点を確認する(単発では判断できない、 密な多 shot を取る)。

2. プローブ減衰とチャネルスキュー: 固定オフセット ≠ 物理

2 本のプローブの減衰比が違う(片方 ×1、片方 ×10 など)と、プローブ自身の伝搬遅延差 + チャネルスキューが 固定の時間差として乗る。これは数 ns から数十 ns になり得て、被測定の物理オフセットではない。

• 配線が短い(数 cm)なら経路の伝搬遅延は sub-ns で無視できる。それでも mean に数十 ns の定数が残るなら、 プローブ/チャネルスキューを疑う。両プローブを同じ1点に当てて差を測れば、その固定スキューが直接出る。
• つまり mean は「物理オフセット + 未較正の固定スキュー(プローブ/ケーブル/チャネル)」。絶対値を物理量と 断定する前に、スキュー分を切り分けるか、最低限その存在を明示する。

3. トリガレベルはプローブ減衰の後で効く

物理 ×10 プローブを使っているのにチャネルの :CHANnelN:PROBe が ×1 のままだと、scope は減衰を戻さず 3.3V のパルスを 0.33V と表示し、1.65V のトリガレベルを跨がず永遠にトリガしない。:CHANnelN:PROBe を 実際のプローブ比(×10 等)に合わせ、トリガレベルは「画面に出る電圧」で決める。トリガしない/エッジが取れない ときはまずここを疑う。

4. timebase が分解能を決める

時間差の分解能は s/div(と記録長)で決まる。:WAVeform:XINCrement? が ns/sample を返すので、これを必ず 読んで換算に使う。粗い窓のまま測ると量子化で sigma が水増しされる。収束後は s/div を詰める。なお内蔵の 位相/遅延測定コマンドや一部の自動レンジは timebase を内部で書き換える ことがあるので、レンジを固定したい なら明示設定して自分で交差点を求める。measure_edge_offset は 現在の s/div の XINCrement をそのまま読む (timebase を変えない)。細かく測りたいなら、事前に scope の s/div を詰めるか timebase_s= 引数で渡す。 CLI の phase は現在の s/div で測る。

ただし wander する信号を連続ログするときは「詰める」と逆効果: trigger 中央の基準エッジに対し信号 エッジが振れて画面外に出ると、その shot だけ交差点が取れず落ちる。これは単なる取りこぼしでなく、大きく 振れた瞬間を選択的に捨てるので sigma を下に偏らせる(50ns/div=±250ns 窓で σ≈130ns と出たが、 200ns/div に広げたら同じ信号が σ≈165ns と PIO 実測 ~196ns に寄った)。分解能と窓幅はトレードオフ: 収束量を細かく測るなら詰める、揺れ幅そのものを正しく測るなら ±3σ を収める窓にする(hwphase σ≈200ns なら 200ns/div)。連続ログの ok 率が低い・σ が他計器より小さいときは、まず窓幅でクリップしていないか疑う。

5. ground-truth 側の配線/プローブ自体を疑う

オシロは「接地真値」だが、その手前の配線やプローブ自体が偽の値を作る。今回 µs オーダーの偽アーティファクトの 正体は緩んだプローブだった(接触不良で別物を拾っていた)。妙な値が出たら被測定より先に、プローブの嵌合/ グランド/減衰設定を確認する。µs 級のずれはまず、トリガ条件、AC/DC coupling、遅いエッジ、別エッジの捕捉、 誤配線を疑う(グランドリードのインダクタンスで効くのは ns 級のリンギングで、µs ではない)。

6. DHO800 固有の癖

• SCPI エラーキューは FIFO。コマンドを疑う前に drain_errors() で全部吐かせる。
• :MEASure:CLEar は 引数を取らない(ALL を付けると -108 Parameter not allowed)。
• 波形ブロックは IEEE-488.2 の #<n><len><payload>。query_block() が処理する。

7. 1PPS(低レート)では sweep=NORMal。状態語と生バイトで「信号なし」と即断しない

実際に踏んだ罠(誤診の連鎖)。1PPS のような 1Hz の低レート信号を見るときは:

• sweep は必ず NORMal(エッジでだけトリガ)。AUTO にすると 1 秒のエッジを待たず自動トリガして 未同期の波形を出し続ける(「トリガかかってない」ように見える)。逆に「トリガが効いてない?」の第一手は :TRIGger:SWEep? を見て AUTO を NORMal に直すこと。
• :TRIGger:STATus? の WAIT を「不発」と誤読しない。NORM + 1Hz では 1 秒のほとんどが WAIT(エッジ待ち)で、 発火は一瞬 TD/STOP。状態語を数回読んで WAIT だらけでも正常。発火しているかは :SINGle が STOP を返すかで 判定する(Rigol.single())。N 回回して N/N 返れば確実にトリガできている。
• :MEASure:ITEM? が 9.9E37 = 「測定無効」であって「信号なし」ではない。新鮮な triggered acquisition が 無い(NORM で待機中、または 1Hz を広い timebase で測る)と無効値になる。VPP/VMAX が無効でも信号は在りうる。
• 垂直 offset を間違えると生バイトが偽る。:CHANnel:OFFSet 0(scale 1V/div)だと 3.3V が画面上端で clip し、 生バイトが全 255(railed)や平坦に見えて「信号なし」と誤判定する。0–3.3V がちゃんと画面内に入る offset (例: 1V/div で offset −1.5V)にしてから振幅を見る。
• 結論: 「トリガしてない/信号がない」と言う前に、**正しい垂直(信号が画面内)+ single() の発火回数 + 生波形の swing(BYTE)**で事実を取る。drain_errors() と同じで、checker(single の発火と swing)が真。

8. probe ratio は物理結線に合わせる。CH 間で絶対電圧が食い違ったら信号でなく設定/結線を疑う

実例(誤診→是正): CH2(GP4, 10× プローブ)が settled 3.28V と正しいのに、CH1(GPS PPS)だけ settled 5.80V を出した。「GPS PPS は 5V 系で Pico 直結が危ない?」と早合点しかけたが、真因は probe ratio と 物理結線のミスマッチだった:

• CH1(GPS PPS)は 1× 直結(直の同軸タップ)なのに、自己設定スクリプトが :CHANnel1:PROBe 10 を 押し込んでいた。すると 3.3V × 10 = 33V で画面上端を突き抜け、生バイトが railed(罠 #7 と同じ)。 byte→volt 変換は真値でなく**表示レンジの天井(~5.8V)**を返し、それを settled と誤読した。
• 直し方: probe ratio を物理結線に合わせる。直結なら 1×、10× プローブなら 10×。CH1 を 1× に戻すと ちゃんと 3.277V(=3.3V)を表示した。
• データシートでの裏取り: 秋月 AE-GNSS-EXTANT(GYSFFMANC / MT3333)は VCC 3.8–5V だが IO 電圧 2–3.6V (I/O は内部 regulate の 3.3V 系)。PPS High は ~3.3V、5V には追従しない → 5.8V は信号ではありえない。 RP2040 GPIO abs-max = IOVDD+0.5 ≒ 3.8V > モジュール IO max 3.6V なので GP2 直結で OK(過電圧無し)。
• 一般化: CH 間で絶対電圧が食い違ったら、まず probe ratio が物理結線と一致しているかを見る。確定法は 両プローブを同じ既知ノードに当てて同電圧を返すか、または 1× で生 BNC 電圧を読んでデータシートの IO レベルと突き合わせる(scope_autoscale.py / scope_wander.py は CH1=1×, CH2=10× を毎回固定する)。
• 注意: このスケール誤差はタイミング/位相には効かない(byte が railed でも立ち上がりの mid クロスは拾え、 firmware の hwphase は PIO 入力しきい値で測りオシロと無関係)。直すのは絶対電圧のクロスチェック精度のため。

9. 記録(history)モードのフレームタイムスタンプは粗い。ns エッジを秒スパンで測るのは TIC の仕事

「出力 PPS と GPS PPS をそれぞれオシロの自前時計に対して測れば、差分(両者とも同一受信機相対)でなく どちらが揺れているか分離できるのでは」は原理的に正しい。が、オシロでは届かないことが多い:

• DHO800 の波形記録(:RECord:WRECord:OPERate RUN、:RECord:WREPlay:FCURrent:TIME? でフレーム時刻)を 試したが、タイムスタンプは ~10ms 分解能(1.28217ks のような文字列、最小桁 0.01s)で、しかも 1Hz の NORM トリガにロックせず free-run 気味だった。履歴閲覧用の大まかな採取時刻であって精密トリガ時刻ではない。 ~100〜600ns の位相 wander には 5 桁足りず使えない。
• 本質的な理由: 立ち上がりが速い(ns)エッジを ns 分解能で・かつ秒オーダーのスパンでタイムスタンプするには G サンプルのメモリが要る。オシロは「ns 分解能」か「秒スパン」の片方しか持てない(深メモリでも sample rate↔record length のトレードオフで、PPS エッジが 1 サンプル未満になり交差点が取れない)。
• 結論: 各エッジを自前基準に対して ns で連続タイムスタンプするのは TIC/TDC(時間間隔カウンタ)の仕事。 オシロが得意なのは「2 信号の差(output−ref)を 1 ショットで ns」まで。第3時計アトリビューション (出力の真の揺れ vs 基準の揺れの分離)が要るなら、TIC か 2 台目基準を使う。オシロ単独では差分止まり。

結果の読み方

• mean: 平均オフセット。物理オフセット + 固定スキュー(落とし穴2)。符号は sig - ref(負 = sig が先行)。
• sigma: shot 間ばらつき。源のジッタ/受信機の sawtooth/トリガ量子化/温度ドリフトが混じる。s/div を詰めると 量子化分は減る。残るのは源の素の揺れ。
• pp: 外れ値に敏感。エッジが画面端に来た shot は measure_edge_offset が落とすが、ドリフトで時々跨ぐと pp が膨らむ。

可視化が要るなら、phase ... <log> の 1行/shot ログを matplotlib で時系列 + ヒストグラムにする(ドリフトと 分布が一目で分かる)。

10. VXI-11 read が完全に死ぬことがある → raw socket 5555 にフォールバック(lazy-flush 地獄)

VXI-11(scripts/rigol_vxi11.py)は基本だが、read が完全に死ぬことがある(device clear は成功するのに ask() の read が毎回 IO timeout。backlog 排出でも復旧せず、その session では VXI-11 が使えない)。このとき raw socket 5555 は生きているが SCPI が lazy-flush で厄介:

• コマンドを受け取ると「それ以前に pending だった応答を全部 socket に push」し、自身の応答は次コマンドまで pending(素朴な read は1つ遅延。drain しても pending は wire 上に無いので出てこない)。
• *CLS は応答を持たない pusher。text 応答は flush するが、pending の波形 block / measurement は ABORT する。 だから瞬時の text query は send(cmd); send("*CLS"); readline() でOK、block は実 query(:WAV:FORMat?)を pusher にして flush(abort されない)→ skip-to-#。block の前に drain して設定が flush した stale text を除く。
• *取得中は CLS を使わない(捕捉済みフレームを消す。:SINGle の status polling に混ぜると顕著)。毎 shot は :SINGle + 固定待ち(>1 PPS 周期 ~1.4s)で独立フレームを1枚。トリガ発火は ch1(=トリガ源)のエッジ有無で 検証(status polling より安全。空フレーム=トリガ未発火を弾ける)。RDELay 等の delay measurement は raw では 返らないので波形 download + 自前エッジ検出。
• 実装は scripts/scope_raw.py(RawScope + CLI phase/shot/convergence/wander)。rigol_vxi11.py が死んだら此方。
• 統合 GIF: scripts/scope_combo.py <rtt_log> <out.gif> [dur] [sdiv_ns] は上段=オシロ波形(毎PPS)、 下段=firmware パラメータ時系列(scope offset / hwphase_ns / ppb / temp_raw を毎PPSで成長プロット、現在点●) を1枚に重ねる。scope は RUN-grab-dedup で毎PPS、パラメータは live RTT ログ(cargo run の出力)を tail して 最新 PPSGEN/TIME 値を snapshot し wall-clock で同期(両方 live なので sub-second で揃う)。cargo run > <rtt_log> を並走させて使う。y 軸は expanding(縮まない)でアニメのジッタを防ぐ。

波形/スクリーンショットの記録

capture <out.png> [s/div](VXI-11)/ scope_raw.py shot <out.png> [sdiv_ns](raw)で1発トリガしてスクショ保存。 Rigol.waveform() / RawScope.waveform() で生サンプル(BYTE)を吸い出し自前解析もできる。作法:

• 時間スケールは実現精度に合わせる。数十 ns の整合を 500ns/div で撮ると「重なって見える」だけで何も分からない。 20〜50ns/div(達成 σ の ~1div 相当)まで詰める。粗いと精度が見えず、細かすぎると wander でエッジが画面外に出る。
• スクショ/GIF では基準でない冗長 ch を切る。ここでは GP2(ch3, 受信機@Pico)は ch1(受信機源)とほぼ同一で、 かつ小信号で立上りが緩く ringing → エッジ検出も暴れる。ch3 を OFF にして ch1(GPS基準)vs ch2(出力)の2本に すると見やすく、しかも ch1(クリーン&トリガ源)基準にすると σ が大きく改善する(実測 std 84→36ns)。
• GIF は「毎トリガ独立フレーム」。:SINGle+トリガ検証(ch1 エッジ有無)で空フレームを混ぜない。ただし :SINGle の直列 floor は「1トリガ(≤1s)+読み出し(PNG ~0.5s + 波形 ~0.24s×n)」≈ 1.5-2s で、1 PPS=1frame には届かない(エッジを1つ飛ばす)。
• 真の毎 PPS GIF は NORMal sweep で RUN したまま最速 grab + dedup(scope_raw.py wander)。RUN 中は scope が 毎 PPS 自動トリガし最新フレームを保持。grab(~0.4s)< PPS周期(1s)なので各 PPS を 2-3 回拾う=取りこぼし無し。 ch2 波形バイトのハッシュで dedup して 1 PPS=1 フレームにする(offset が連続推移すれば取りこぼし無しの証拠)。 :SINGle/status polling/RECORD モードは raw socket では脆い・不明瞭(polling は *CLS でフレーム消失 or desync、 DHO804 の RECORD コマンドツリーは要マニュアル)。RUN-grab-dedup が一番素直で確実。
• 再起動後チェックは起動直後から撮る。scope_raw.py convergence <out.gif> [dur] は boot から PLL 引き込みを 毎 PPS(上の RUN-grab-dedup)で撮り、per-frame 自動タイムスケールで「大オフセット→収束」を可視化する (実測 +14〜36µs→±数十ns)。スケールは 1-2-5 ラダーを 1フレーム1ノッチずつ緩やかに動かす(急な decade 飛びは 見づらい)。エッジが画面外なら素早く widen して見失わない。timebase を変えたら 新トリガを1つ待ってから採用 (旧スケールのフレーム取り違え防止)。xinc はクエリせず sdiv*1e7(NORMal は ~1000pt/10div)で計算(block 後の :WAV:FORMat? 応答と desync しないため)。毎 PPS×長尺はフレーム膨大(600s=600枚)なので既定 ~180s(引き込み+定常、 ~80-150枚)、frames は 400 で cap。

他機種への移植

Rigol クラスの socket/SCPI の骨格(改行終端の send、:SYSTem:ERRor? のドレイン、定義長ブロック読み)は 汎用。機種依存なのはコマンド文字列:

• 波形吸い出し: :WAVeform:MODE(NORMal/RAW/MAX)と :WAVeform:FORMat(BYTE/WORD)、ブロックの プリアンブル :WAVeform:PREamble? の扱いは機種で違う。DS1000Z 等は RAW モードで深メモリを分割読みする。
• トリガ/タイムベース: :TRIGger:EDGE:*、:TIMebase:MAIN:SCALe/OFFSet、:SINGle/:TRIGger:STATus? は 概ね共通だが応答語が違うことがある。
• 接続: LAN raw TCP(5555)以外に USBTMC/VISA を使う機種なら pyvisa に差し替える(クラスの公開メソッドは そのままにすると呼び出し側が変わらない)。
• まず drain_errors() を信じる(checker is truth): コマンドが効かないときは推測せずエラーキューを読む。

バンドル

• scripts/rigol_scpi.py: Rigol(SCPI クライアント)、rising_edge(交差点検出)、measure_edge_offset (密多 shot + 統計)、CLI(phase/capture)。stdlib のみ(可視化する場合だけ matplotlib/numpy)。