オシロスコーププローブの種類と使い方紹介

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本稿では、さまざまなプローブの種類と使い方について解説します。プローブとは：オシロスコープは電子エンジニアが最もよく使用する測定機器であり、オシロスコープのプローブは間違いなく同機器で最も頻繁に使われるアクセサリーです。オシロスコーププローブは、測定対象の回路とオシロスコープの入力端子を接続する電子部品です。プローブがなければ、オシロスコープは飾り物になってしまい、装飾品としてしか使えなくなる。オシロスコープのプローブを選ぶ前に、使用するオシロスコープの取扱説明書を確認し、どのようなプローブが適しているかを理解しておくとよいでしょう。プローブを選ぶ際に重要だと考えられる点は以下の通りです。プローブのインターフェースが、私たちのオシロスコープのインターフェースと一致していることを確認することです。ほとんどのオシロスコープのプローブインターフェースはBNCインターフェースです。一部のオシロスコープはSMAインターフェースかもしれません。 選択したプローブの入力インピーダンスと容量が、オシロスコープの入力インピーダンスと容量と一致しているかを確認してください。なぜなら、私たちは皆、プローブが測定対象の回路に与える影響を最小限に抑えたいからです。プローブのインピーダンスと容量がオシロスコープとどれだけマッチしているかが、測定信号の精度に**影響を与えます。 https://pic3.zhimg.com/80/v2-5bcc1dd26e801a485478a93e375933d6_720w.jpg BNCインターフェース
https://pic2.zhimg.com/80/v2-9b2be07c20c56635b4b4f44e105f3bd9_720w.jpg SMAインターフェース
一部のオシロスコープでは、50 Ωまたは1 MΩの入力インピーダンス切り替えに対応しています。しかし、ほとんどの測定においては、1 MΩが最も一般的です。50Ωの入力インピーダンスは、マイクロ波などの高速信号の測定によく用いられます。また、論理回路における信号伝送遅延や回路基板のインピーダンス測定などもあります。オシロスコープの入力インピーダンスは通常1 MΩまたは50 Ωに設定できるが、入力容量は帯域幅やその他の設計要因の影響を受ける。一般的に、1 MΩインピーダンスのオシロスコープでは、一般的な入力容量は14pFです。この数値も5pFから100pFの間になる可能性があります。したがって、プローブをオシロスコープの入力容量に合わせるためには、プローブを選ぶ前にその容量範囲を把握し、校正棒を用いてプローブの容量を調整する必要があります。これがプローブの補償であり、プローブを使用する際に注意すべき最初のステップです。https://pic3.zhimg.com/80/v2-14b29ac4ba9de82d2878ffa2b6715896_720w.jpgでは、どれだけのプローブが必要で、どのようなプローブが必要なのでしょうか？測定のニーズに応じて、プローブの数や種類の要求も異なります。これは一眼レフを使う人に少し似ていて、彼はカメラを1台しか持っていないかもしれませんが、しばしば多くのレンズを持っています。例えば、単に直流電圧を測定するだけなら、1 MΩのパッシブプローブで基本的に十分です。しかし、電源システムのテストでよく測定が求められる、三相給電における火線同士、または火線と中性線との相対電圧差の場合は、差動プローブを使用する必要があります。https://pic1.zhimg.com/80/v2-ab82fabf5b83f636af4748700653c0d0_720w.jpg差分プローブ、受動プローブ。受動プローブは最も一般的なプローブで、オシロスコープを購入する際にメーカー側でいくつか同梱されてくることが多いです。一般的な受動型プローブは、プローブヘッド、プローブケーブル、補償装置またはその他の信号調整回路、そしてプローブコネクタで構成されている。この種のプローブには、トランジスタやアンプなどのアクティブ素子が使用されていないため、プローブに電力を供給する必要はありません。全体として、パッシブプローブの方がより一般的で、使いやすく、安価です。一般的なパッシブプローブの調整可能な減衰率には、以下のものがあります：1×：減衰なし、10×：10倍減衰、100×：100倍減衰、1000×：1000倍減衰。パッシブ電圧プローブは、さまざまな電圧範囲に対応する各種の減衰係数を備えています。これらのパッシブプローブの中で、10×パッシブ電圧プローブが最もよく使用されるプローブです。信号振幅が1Vピーク値またはそれ以下のアプリケーションでは、1×プローブが適しているか、あるいは不可欠でさえあるかもしれません。数十ミリボルトから数十ボルトの、小振幅および中振幅の信号が混在するアプリケーションでは、1×/10×プローブを切り替える方がはるかに便利です。しかし、切り替え可能な1×/10×プローブは本質的には1つのプローブの中にある2つの異なるプローブであり、減衰係数だけでなく、帯域幅、立上がり時間、およびインピーダンス（RとC）の特性も異なります。したがって、これらのプローブはオシロスコープの入力と完全に一致せず、標準的な10×プローブがもたらす最適な性能を提供することはできない。プローブの減衰は、オシロスコープの電圧測定範囲を拡大するための内部抵抗器によって行われ、この内部抵抗器はオシロスコープの入力抵抗と共に使用されることで分圧器を形成します。 例えば、典型的な10xプローブには内部に9MΩの抵抗器が搭載されており、1MΩの入力インピーダンスを持つオシロスコープに接続して使用すると、オシロスコープの入力チャネルで10：1の減衰比が生じます。 これは、オシロスコープに表示される信号が実際の測定信号の振幅の1/10になることを意味し、そのため通常はオシロスコープのチャネル設定で減衰率も10Xに調整する必要があります。https://pic1.zhimg.com/80/v2-b1c2775303d05ff02ac85cd6ae76e714_720w.jpgこの減衰機能により、オシロスコープの電圧制限範囲を超える信号も測定できます。また、減衰回路は高い抵抗（通常は好ましいことです）と低い容量をもたらし、これは高周波測定において重要です。https://pic1.zhimg.com/80/v2-84e3eaf69fc42a325ca52b2120dacee8_720w.jpg10X受動プローブの回路図　能動プローブは、トランジスタやアンプのような能動部品を内蔵しているため電力供給が必要であり、そのため能動プローブと呼ばれます。最も一般的な場合、アクティブデバイスはフィールドエフェクトトランジスタ（FET）であり、これは非常に低い入力容量を持ちます。この低い容量により、より広い周波数帯域で高い入力インピーダンスが得られます。アクティブFETプローブの規定帯域幅は、一般的に500MHz～4GHzの間です。帯域幅がより広いことに加え、アクティブFETプローブの高入力インピーダンスにより、インピーダンスが不明なテストポイントでも測定が可能であり、負荷効果が生じるリスクははるかに低くなります。また、低い静電容量によってグラウンド線の影響が軽減されるため、より長いグラウンド線を使用できます。アクティブFETプローブには、パッシブプローブのような電圧範囲はありません。アクティブプローブの線形ダイナミックレンジは、一般的に±0.6Vから±10Vの間です。https://pic2.zhimg.com/80/v2-e96bb886ab825fb325891a67bd2763dd_720w.jpgアクティブプローブ、ディファレンシャルプローブ。ディファレンシャルプローブはディファレンシャル信号を測定する。差分信号とは、接地を参照するのではなく、互いに参照し合う信号です。ディファレンシャルプローブはフローティングデバイスの信号を測定でき、本質的には2つの対称的な電圧プローブで構成されており、それぞれが優れた絶縁性と高いインピーダンスを持っている。ディファレンシャルプローブは、より広い周波数帯域で非常に高いコモンモード抑制比（CMRR）を実現できます。 差分信号と通常のシングルエンド信号の配線を比較すると、最も顕著な利点は以下の3つの点に表れます。まず、干渉耐性が高いことです。2本の差分配線間の結合が良好であるため、外部からノイズが入ってきても、ほぼ同時に2本の線上に伝わります。受信側が重視するのは2つの信号の差値のみなので、外部からのコモンモードノイズを最大限に相殺することができます。 EMIを効果的に抑制できる。同じ理屈で、2本の信号の極性が反対であるため、それらが外部に放射する電磁場は互いに相殺し合い、結合が密接であればあるほど、外部に漏れ出る電磁エネルギーは少なくなる。 タイミングの位置決めが正確であり、差動信号のスイッチング変化は2つの信号の交点に生じるため、通常の単端信号が高低2つの閾値電圧で判断するのとは異なり、プロセスや温度の影響を受けにくく、タイミングの誤差を低減できる。また、低振幅信号の回路にもより適している。現在普及しているLVDSとは、このような小振幅差動信号技術のことです。 差動増幅の原理とは、一対の信号を同時に増幅回路に入力し、それらを減算することで元の信号を得ることです。差動アンプとは、同じパラメータ特性を持つ2つのトランジスタを直結接続することで構成されるアンプです。2つの入力端子に同じ大きさで位相も同じ信号をそれぞれ入力すると、出力はゼロになり、これによってゼロ点ドリフトが克服される。https://pic2.zhimg.com/80/v2-5a7ee42e83fcb4fb943faa210f13ca5d_720w.jpg ディファレンシャルプローブの回路図 電流プローブ おそらく、電圧プローブで電圧値を測定し、それを測定対象のインピーダンス値で割れば、簡単に電流値が得られるのではないかと思うかもしれません。では、なぜわざわざ専用の電流プローブを使って測定する必要があるのでしょうか？実際、この測定によって生じる誤差は非常に大きいため、私たちは一般的に電圧から電流へ変換する方法は用いません。電流プローブは、電流変換器を用いて入力し、信号電流の磁束を変換トランスによって電圧に変換した後、プローブ内のアンプで増幅してオシロスコープに送ることで、電流波形を正確に測定することができます。電流プローブは基本的に、交流電流プローブと交流・直流両用電流プローブの2種類に分かれます。交流電流プローブは通常、外部からの電力供給を必要としない受動型プローブですが、交流・直流両用電流プローブは通常、能動型プローブです。従来の電流プローブは交流信号のみを測定でき、安定した直流電流では変成器内で電流を誘導できないためです。交流電流が変圧器内を流れると、電流の向きが変わることで電界が変化し、電圧が誘導される。しかし、ホール効果を利用すると、電流が偏る半導体デバイスは直流電界に対応する電圧を発生させる。したがって、直流電流プローブはアクティブな装置であり、外部からの電力供給が必要です。https://pic1.zhimg.com/80/v2-e2c5d62db7fcb382c6c0dad241da0a4c_720w.jpg交流・直流電流プローブ 最後に、プローブに関するいくつかのアドバイスを見てみましょう。プローブの適切な補正：オシロスコープの入力容量は機種によって異なり、同じオシロスコープでもチャンネルによってわずかに差が生じることがあります。この問題を解決するために、プローブに補正調整を行うことは、エンジニアが身につけるべき最も基本的なスキルです。 プローブを測定対象の回路に接続する際は、プローブのアース端子を必ず測定対象回路のアース線に接続しなければなりません。さもなければ、浮遊状態ではオシロスコープと他の機器、または大地との電位差が感電や、オシロスコープ、プローブ、その他の機器の損傷を引き起こす可能性があります。 プローブのアース線は、測定対象点の近くに配置するようにしてください。接地導線が長すぎると、リンギングやオーバーシュートなどの波形歪みを引き起こす可能性があります。2つのテストポイントがどちらも接地電位にない場合は、「フローティング」測定、いわゆる差動測定を行う必要があり、専用の差動プローブを使用します。 プローブはオシロスコープの測定において極めて重要であり、まず第一に、プローブが測定対象の回路に与える影響を最小限に抑え、かつ測定値の十分な信号忠実度を維持することが求められます。プローブが何らかの方法で信号を変化させたり、回路の動作方式を変えたりすると、オシロスコープで観測される実際の信号は著しく歪み、その結果、誤ったまたは誤解を招くような測定結果につながる可能性があります。以上の説明から、プローブの選定と正しい使用には、私たちが注意すべき点が多くあることがわかります。