プローブの基礎

目次

プローブとは

プローブの種類と役割

基本の「10:1パッシブプローブ」

プローブでの高速立ち上がり波形の測定

パッシブプローブのグランドの取り方

プロービングによる負荷効果

非接地信号の測定と差動プローブ

電流測定

 

プローブとは

波形観測の場合は、被測定対象の信号を検出し測定器まで伝送する機器を指します。
プローブを使えば正確な測定ができる、とお考えの方も多いと思いますが、プローブ性能を活かし正確な測定をするためには、実は使い方に注意が必要です。
本コンテンツではプローブの内部構成を踏まえ、使用上の注意点を明らかにしていきます。

 

 

プローブの種類と役割

プローブの種類

プローブは用途に応じて使用するため、プローブそれぞれの長所、短所を理解した適切な選択が重要です。
適切なプローブを選択するには、まず、測定対象がどのような信号かを知ることが必要です。
電圧、電流、振幅、周波数、出力インピーダンス値などをはじめに確認しましょう。

プローブの役割

オシロスコープになぜ「プローブ」が付属されるのか?

テスタやディジタルマルチメータに付属の、単に電圧信号を導くだけの「テストリード」とは異なり、
オシロスコープには、測定上重要な役割を担う各オシロスコープ専用の「プローブ（10:1パッシブプローブ）」が用意されています。

パッシブプローブは、単に信号を伝送しているのではなく「測定系の一部」です。
高い周波数まで含めて信号を正確に測定するために、オシロスコープ本体と一体で設計されています。
オシロスコープの性能を完全に発揮させるためには、パッシブプローブを使用して測定する必要があります。

基本の「10:1パッシブプローブ」：プローブを使った場合と使わなかった場合の比較

ケーブルが持っている、容量成分の影響により、回路動作が変わってしまっています。
場合によりますが、特に1MHz以上高い周波数の測定に支障が出ます。
ケーブルを使って測定した場合、ケーブルによる容量がつくことで回路の動作自体が変わり、
動作（波形）を正確に再現できない場合があります。

標準付属の10:1プローブは構造がシンプルなため堅牢で使いやすく、一方必要十分な性能を有しており、幅広い信号測定に安心して使用できます。

 

基本の「10:1パッシブプローブ」

ディジタルオシロスコープに付属する10:1パッシブプローブは各モデル専用設計です。

例）DLM3000とDLM2000では付属する10:1パッシブプローブが異なります。
- DLM3000:701937（500MHz帯域）
- DLM2000:701939（500MHz帯域）／ 701938（200MHz帯域）

他機種用のプローブを接続しても壊れません。
容量調整できれば、どの組み合わせで使っても数MHzまでの周波数であれば流用可能です。
（容量調整できない場合は使用できません）

しかし、特に高い周波数領域は波形品位が悪化しますので、本来の組み合わせ以外でのご使用はお勧めできません。

10:1パッシブプローブの構成（DC～数10MHzでの等価回路イメージ）

• 直流～低周波（数kHz）

プローブヘッドの9MΩとオシロスコープの１MGで1/10の分圧

• 中間域（数kHz～10MHz）

プローブヘッドの10pFと「ケーブル容量50～60pF+トリマコンデンサ10～30pF+オシロスコープの入力容量20pF=90pF」で1/10の分圧

※ 数10MHzまでの周波数では、トリマーコンデンサ（容量調整）で容量比9:1に調整出来れば、調整できたプローブは、調整に使ったオシロスコープと「組み合わせて使える」と言えます。

10:1パッシブプローブの構成（数10MHz以上での等価回路イメージ）

• 周波数が高くなってインピーダンスが低くなると、インダクタンスの影響を受ける
• プローブシステムは、オシロスコープの入力インピーダンスを利用した分圧回路
• 高周波領域でのオシロスコープの入力インピーダンスは、同一メーカでも機種によって違うため、機種に合わせてプローブは繊細にチューニングされている
• 同じプローブでも接続するオシロスコープの機種（入力インピーダンス）が変わると、1/10の分圧バランスが崩れてしまい、正しい波形が得られない

※ 数10MHz以上では、指定外のプローブを使うと周波数特性は保証できないため、実質的には使えません。

参考）10:1パッシブプローブの違いによる測定結果の変化

専用プローブ以外で高速な信号を測定した場合には下図のように測定結果が変化してしまいます。

比較すると、オーバーシュートのピークの大きさやアンダーシュートの様子が若干違っています。
下の画面波形は、時間軸設定を変えて波形全体を大きく見たものです。
高周波成分が見えない領域であれば、どのプローブを使っても違いはありません。

 

プローブでの高速立ち上がり波形の測定

【応用】高速な立ち上がりの波形の測定

Q 10:1パッシブプローブで高速な立ち上がり波形を観測した場合、かなり大きなオーバーシュートとリンギングが観測されることがあります。
       これは正しい波形なのでしょうか?

A 正しい波形です。
     しかし、波形に影響がある（オーバーシュートとリンギングが発生する）原因は、プローブの「接続方法」による可能性があります。

【応用】インダクタンスによる共振

プローブの接続時のグランドリードのインダクタンスによる共振によって、波形に影響を与えます。（オーバーシュートやリンギングが起きます）

	プローブの入力抵抗・入力容量だけでなく、インダクタンスが付加されます。
	LC共振回路を形成し、高速信号の立ち上がり波形観測に影響を与えます。

【応用】インダクタンスによる共振への対策

オーバーシュートとリンギング防止対策の一つとして付属のスプリンググランド（アースアタッチメント）を使用する方法があります。
下記比較したように、測定方法によって結果が違ってきます。

グランドリードのインダクタンスと入力容量で、かなり大きなオーバーシュートとリンギングが観測されています。		グランドをバネで測定点の近くにとることによって、リンギング、オーバーシュートも少なく、きれいに波形を再現できるようになります。

【応用】インダクタンスによる共振周波数の計算

DLM3000と標準プローブ701937を組み合わせたときの帯域が500MHzなので、グランドリードを使用したときは性能を十分に活かすことができません。
波形観測をするときは、スプリンググランドの使用をお勧めします。

【応用】さらに高速な信号の測定

信号が高速で、10:1パッシブプローブ＋スプリンググランドでも厳しい場合にはアクティブプローブ（FETプローブ）を使用します。

アクティブプローブ（FETプローブ）の構成

• プローブヘッドで分圧・インピーダンス変換・電圧増幅が行われ、50Ω同軸ケーブルをドライブします。
  同軸ケーブルを分圧器の一部として利用するパッシブプローブと違って、アンプをケーブルの前に入れることでケーブル容量の影響をプローブ入力からは分離し入力容量を小さくすることができます。
• オシロスコープは50Ω入力（1MΩ入力の場合は50Ω終端器）で使用します。

 

パッシブプローブのグランドの取り方

パッシブプローブのグランドの取り方による波形の違い（ピンチャーチップ不使用）

スプリンググランドとソルダインアダプタの波形を比べると、ソルダインアダプタの方が立ち上がり直後の部分が若干盛り上がった形状に見えます。
これはソルダインアダプタの方が、高周波のゲインが若干高いためです。

FETプローブのグランドの取り方による波形の違い（ピンチャーチップ不使用）

グランドリードを使ったときにリンギングが見えなくなるのは、共振が起き、共振周波数より高い周波数ではゲインが減少するため帯域が他の測定方法と比較して狭くなっているためと考えられます。
ソルダインアダプタでは、スプリンググラントと比較して高周波領域のゲインが若干大きいため、オーバーシュートとリンギングが少し大きく現れます。

ソルダーインアダプタ

 

プロービングによる負荷効果

プローブを回路に接続することで測定対象に与える影響を負荷効果といいます。
負荷効果が大きいと、正しい波形観測ができない場合があります。

負荷効果（プローブに流れ込む電流）を小さくするには、
測定系の入力インピーダンス（入力抵抗）は大きい方が良く、入力容量は小さい方が良いです。

各プローブのインピーダンス計算値比較

Probe	701939（Passive）	700939（FET）	701974（Resistive）
Input R	10 MΩ	2.2 MΩ	500Ω
Input C（pF）	14pF	1.8pF	0.25pF

レジスティブプローブは低容量のプローブなので、広い帯域にわたって同じインピーダンスを確保できます。

プローブの入力容量と信号源インピーダンスによる帯域制限

プローブを回路に接続すると、信号源インピーダンスとプローブの入力容量でローパスフィルタが形成され、プローブの入力端で信号が減衰することがあります。

• カットオフ周波数：fc＝1/（2πRC）

Probe	pF	MHz
Passive	Cin=14pF	fc≒450MHz
FET	Cin=2.2pF	fc≒2.5GHz
Resistive	Cin=0.25pF	fc≒25GHz

プローブ容量による帯域制限は、信号源インピーダンスに依存するため、 比較的信号源インピーダンスが高い場合は注意が必要

 

非接地信号の測定と差動プローブ

シングルエンド入力とは

一般的オシロスコープは各入力チャネルBNC端子の外側（シェル）と筐体（シャシー）が電気的に共通であり、電源ケーブルのアース端子ともつながった構造になっています。
したがって、オシロスコープのBNC端子に一般のパッシブプローブを接続している状態では、プローブのグランドリード側は、
各入力チャネルBNC外側、筐体（シャシー）、電源アース端子（---接地電位）と電気的につながります。
このような入力形式はシングルエンド入力と呼ばれます。

シングルエンド入力では、片線接地信号（対地信号）以外は測定できません。
オシロスコープはシングルエンド入力なので接地基準以外の信号は測定できません。

• 主な非接地信号の例
  • CANなどの通信信号
  • 三相電力の線間電圧
  • スイッチング電源のゲート、ソース間電圧
  • その他インバータ、バッテリー関連など

もしも誤った接続をしてしまうと、信号源の－側からプローブのグランドリード、
本体シャシーを介しアースに対して大きな電流が流れ、以下のような現象を引き起こしてしまいます。

• グランドリードが熱を持ったり、溶断したりする
• 測定対象が正しく動作しなくなったり、測定対象の電源が落ちる
• オシロスコープ自体が壊れてしまう

オシロスコープを浮かせることは大変危険

非接地の2点間の信号

非接地信号を測定する場合に「オシロスコープの接地を取らずに浮かせる」ことは誤った対策です。
オシロスコープの故障の原因になりますし、感電などによって作業者が重大な怪我をするおそれがありますので絶対におやめください。

オシロスコープの接地を取らずに浮かせる必要があるときは、「差動プローブ」を使います。

フローティング信号測定の手法（差動プローブ）

標準付属の10:1パッシブプローブの代わりに、「差動プローブ」を組み合わせることで、
シングルエンド入力のオシロスコープによる非接地の2点間の測定を安全に行うことが可能になります。

差動プローブの構成

701924 1GHz 差動プローブ

差動プローブの用途

差動プローブは+/-入力間の差電圧を増幅する

• 差動信号測定
  • 2本のプローブを使って差分をとる必要がなく、オシロスコープは1チャンネルのみの使用で測定可能
  • CAN、LVDS、高速シリアル通信等の差動信号測定に便利

• 接地基準でない信号を検出できる
  • スイッチング電源回路等のフローティング測定に有効
  • 被測定回路のGNDインピーダンスが高い（GND電位が不安定）場合に有効

差動プローブは同相電圧を相殺する

• 相殺する程度の指標：CMRR（Common Mode Rejection Ratio：同相信号除去比）
• 絶縁されてはいないが、高抵抗、低容量（高インピーダンス）で接地電位に接続される

差動プローブの仕様（701927）

入力仕様の注意点

• レンジに関わらず1400Vの最大入力電圧をもっていますので、レンジが50:1、500:1のいずれの設定であっても壊れることはありません。50:1のときは、1400Vを入力しても壊れることはありませんが、140Vまでの差動電圧しか測ることができません。
• 最大入力電圧には、周波数によるディレーティングがあります。
  定格電圧は、直流から低周波領域に適応される値で、ある周波数から高い周波数では入力できる最大入力電圧は小さくなっていきます。

 

電流測定

測定器用途で使われる電流検出方式

電流プローブの基礎知識

DC/AC電流プローブ（クランプ）の原理

• 直流電流（直流磁界）を検知するためにコアにスリットを入れ、そこにホール素子を挿入しています。
• 上記だけだと直流磁界でコアが飽和するので、ホール素子で検知した直流磁界と逆方向に磁界を掛け、コアの内部の直流磁界が常にゼロとなるようにフィードバックを掛けています。
• 上記の直流（実際にはDC～低域）のフィードバック信号は直流成分として交流側のカレントトランス回路の出力と合成されてオシロスコープに出力することで、直流から高周波までの電流に対応しています。

電流プローブの使い方

• 精度・ディレーティング

＊注意点
常に定格電流を入れられるわけではありません。
直流から低周波では、定格電流を入れても問題はありませんが、ある周波数以上になると、入れてもいい電流は次第に下がっていきます。
そのまま使い続けると、煙がでたり、電流プローブの場合、熱が発生して溶けることがあります。

ホール素子を用いた電流プローブの使用上の注意
プローブの基礎:電流測定

• ホールセンサーは静電気によるダメージを受けますので、静電気が印可されないように注意が必要です。

• センサーヘッドを静電気が帯電しているものに接触させたり、電位の違うものに接触させたりしないでください。
• センサーヘッドのコア表面をクリーニングするときには、静電気を除去してから行ってください。

• センサーヘッドは精密に組み立てられていますので取扱には十分注意してください。
  例えば、急激な周囲温度変化や、機械的ストレス、物理的衝撃は避けてください。
• センサーヘッドのコア表面が付着物等の汚れがあると、プローブ性能に影響が有る場合があります。