FFT解析とは？ノイズ・周波数成分を波形で見る方法

オシロスコープは、時間の変化に対する電圧の動きを波形として表示する計測器です。通常の波形観測では、横軸が時間、縦軸が電圧を表し、時間領域の情報を得ることができます。しかし、電子回路や電源の挙動を正確に理解するためには、「どの周波数成分が含まれているか」という情報が欠かせません。そこで活躍するのが、FFT（高速フーリエ変換）解析です。FFTを使うと、オシロスコープで周波数領域の情報を可視化することができます。

フーリエ変換とは、時間的に変化する信号を周波数成分に分解する数学的手法です。すべての信号は、さまざまな周波数の正弦波の組み合わせで表すことができます。FFTはその計算を高速に行うアルゴリズムで、オシロスコープ内部で自動的に処理されます。これにより、時間波形をリアルタイムで周波数スペクトルに変換し、どの周波数でどれだけのエネルギー（振幅）が存在するかを確認できます。

例えば、電源回路で出力電圧に微小なノイズが混じっている場合、時間波形だけを見ても原因を特定するのは難しいことがあります。FFT解析を行うと、そのノイズが特定の周波数に集中しているのか、広帯域にわたっているのかが一目でわかります。もしスイッチング電源のスイッチング周波数付近にピークが現れた場合、それがノイズ源の可能性が高いと判断できます。このように、FFTはトラブルシューティングに非常に有効なツールです。

FFT解析の結果は、横軸に周波数、縦軸に振幅（または電力）として表示されます。時間波形では見えなかった細かな周期成分がスペクトルとして現れ、信号の“周波数の顔”を確認できます。例えば、1kHzの正弦波を観測すると、FFTでは1kHzに鋭いピークが現れます。一方で矩形波の場合、1kHzの基本波に加えて、その奇数倍である3kHz、5kHz、7kHzにもピークが現れます。これが高調波成分であり、波形が角張るほど高次の成分が強くなります。

FFTを行う際には、いくつかの設定項目が測定結果に影響します。まず重要なのが「窓関数」です。これは、解析する信号の一部をどのように切り出すかを決めるもので、矩形窓、ハニング窓、ブラックマン窓などがあります。窓関数の選び方によって周波数分解能やピークの鋭さが変わります。一般的な観測ではハニング窓がよく使われます。また、サンプリングレートとメモリ長も重要で、これらが高いほど分解能が上がり、低い周波数まで正確に観測できます。

FFT解析を活用すると、オシロスコープがスペクトラムアナライザのように使えるようになります。ただし、専用のスペクトラムアナライザと異なり、オシロスコープのFFTは解析範囲が比較的狭く、ダイナミックレンジも限定されます。そのため、精密なRF測定やEMI試験では専用機が必要ですが、ノイズ傾向の把握や回路動作の評価には十分な情報を得ることができます。教育現場でも、時間領域と周波数領域の両方を観測できることは、信号解析の理解を深める上で非常に効果的です。

FFTの実践的な使い方として、モータや電源のノイズ解析があります。例えばモータの回転時に発生する電磁ノイズをFFTで観測すると、機械的な振動や制御信号の周波数が明確に現れます。電源回路では、整流リップルやスイッチングノイズのスペクトル分布を確認することで、フィルタ設計の効果を評価することができます。これらのデータを比較しながら改良を行うと、ノイズ低減や効率改善につながります。

FFT解析を安全に行うためには、信号の取り方にも注意が必要です。高電圧ラインを直接オシロスコープに接続すると、入力範囲を超えて機器を損傷する危険があります。必ず定格範囲内で測定し、必要に応じてアッテネータ付きのプローブや差動プローブを使用します。また、ノイズ源の近くで測定する場合は、アースを適切に取り、外部干渉を受けないよう環境を整えます。

FFTは、電気信号の中に隠れた「周波数の特徴」を見つけるための強力な方法です。時間波形だけでは見逃してしまう現象を、周波数の視点から理解することで、トラブルの原因や設計の改善点を明確にできます。オシロスコープに搭載されたFFT機能を活用すれば、時間と周波数の両面から信号を解析でき、より深い洞察が得られます。

FFT解析は、電気信号をより正確に理解するためのもう一つの目です。安全を確保しながら、観測と解析を組み合わせることで、電子回路の世界をより広く、そして精密に見ることができるようになります。

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

オシロスコープ基礎シリーズ（全6編）

1. オシロスコープとは？仕組みと基本の見方

2. オシロスコープの使い方入門 ― 波形観測のステップ

3. オシロスコープの種類と選び方 ― 用途別に理解する

4. FFT解析とは？ノイズ・周波数成分を波形で見る方法

5. オシロスコープの価格帯と性能を理解する

6. 安全に使うためのオシロスコープ測定ガイド