Python でオシロスコープを作成する | Matplotlib チュートリアル

はじめに

このチュートリアルは、Python の Matplotlib ライブラリを使用してオシロスコープを作成する方法を段階的に案内するものです。オシロスコープは、電圧信号を時間の経過とともに測定して表示するデバイスです。このチュートリアルでは、Matplotlib のアニメーションモジュールを使用して、電圧信号のリアルタイム表示を作成します。

VM のヒント

VM の起動が完了したら、左上隅をクリックして Notebook タブに切り替え、Jupyter Notebook を開いて練習を行ってください。

場合によっては、Jupyter Notebook の読み込みが完了するまで数秒待つ必要があります。Jupyter Notebook の制限により、操作の検証を自動化することはできません。

学習中に問題が発生した場合は、いつでも Labby に質問してください。セッション終了後にフィードバックを提供していただければ、迅速に問題を解決します。

ライブラリのインポート

コーディングを開始する前に、必要なライブラリをインポートする必要があります。ここでは、Matplotlib、NumPy、およびアニメーションモジュールを使用します。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import matplotlib.animation as animation
from matplotlib.lines import Line2D

スコープクラスの設定

Scope クラスは、オシロスコープを作成するために必要なデータとメソッドを保持します。コンストラクタでは、必要な変数を初期化し、プロットを設定します。

class Scope:
    def __init__(self, ax, maxt=2, dt=0.02):
        self.ax = ax
        self.dt = dt
        self.maxt = maxt
        self.tdata = [0]
        self.ydata = [0]
        self.line = Line2D(self.tdata, self.ydata)
        self.ax.add_line(self.line)
        self.ax.set_ylim(-.1, 1.1)
        self.ax.set_xlim(0, self.maxt)

更新メソッドの定義

更新メソッドは、アニメーションの各フレームで呼び出されます。新しい値を受け取り、それに応じてプロットを更新します。

def update(self, y):
        lastt = self.tdata[-1]
        if lastt >= self.tdata[0] + self.maxt:  ## reset the arrays
            self.tdata = [self.tdata[-1]]
            self.ydata = [self.ydata[-1]]
            self.ax.set_xlim(self.tdata[0], self.tdata[0] + self.maxt)
            self.ax.figure.canvas.draw()

        t = self.tdata[0] + len(self.tdata) * self.dt

        self.tdata.append(t)
        self.ydata.append(y)
        self.line.set_data(self.tdata, self.ydata)
        return self.line,

エミッター関数の作成

エミッター関数は、更新メソッドに渡されるデータを生成します。この場合、確率 0.1 でランダムなデータを生成します。

def emitter(p=0.1):
    while True:
        v = np.random.rand()
        if v > p:
            yield 0.
        else:
            yield np.random.rand()

プロットの設定

新しいグラフウィンドウ（figure）と軸オブジェクト（axis）を作成し、Scope クラスを初期化します。次に、更新関数（update）とエミッター関数（emitter）を FuncAnimation メソッドに渡してアニメーションを作成します。

fig, ax = plt.subplots()
scope = Scope(ax)

ani = animation.FuncAnimation(fig, scope.update, emitter, interval=50,
                              blit=True, save_count=100)

plt.show()

まとめ

このチュートリアルでは、Matplotlib を使用して、時間の経過に伴う電圧信号を表示するオシロスコープを作成する方法を学びました。オシロスコープに必要なデータとメソッドを保持する Scope クラスを定義し、プロットを更新するための更新メソッドを作成し、データを生成するためのエミッター関数を使用しました。最後に、プロットを設定し、更新関数とエミッター関数を FuncAnimation メソッドに渡してアニメーションを作成しました。

Matplotlib でリアルタイムオシロスコープを作成する