波形測定とプロービング

(THE T&M LINK(Vol.14)2004年5月20日掲載)
通信・測定器事業本部
第1開発本部PMK部
金子 春実

はじめに

波形信号を測定する代表的な測定器としてオシロスコープが挙げられます。オシロスコープを使用する場合、プローブとアクセサリを活用することで、より効果的な測定を行うことができます。
オシロスコープと被測定物のインタフェースとなるプローブには、様々な種類があります。プローブの性質を理解して、測定する対象物に合ったプローブを選択することが重要です。

<プローブの種類>
プローブの種類

プローブの種類

プローブの役割

オシロスコープで回路信号を測定する場合、測定対象の回路のポイントにプローブを接続して、信号を取り出します。通常オシロスコープに付属されている10:1パッシブプローブを中心に、プローブの役割を説明します。
プローブを使用することにより、次の効果を得ることができます。

  • 測定電圧レンジが広がる
    10:1パッシブプローブの場合、オシロスコープの測定電圧レンジを10倍に拡大できます。オシロスコープの入力抵抗が1MΩ、プローブ側には9MΩが入っていますので、この分圧比により、プローブ先端ではオシロスコープの電圧レンジの10倍で測定することができます。

  • 最大入力電圧が上がる
    オシロスコープの最大入力電圧をプローブの最大入力電圧まで上げることができます。

  • 負荷効果の影響が少なくなる
    被測定回路にオシロスコープを接続した時に、オシロスコープが負荷となってしまう場合があり、この影響を少なくするのがプローブです。小さな信号を測定する場合、10:1パッシブプローブでは不便ですが、負荷効果を軽減する点では有効です。

負荷効果

被測定回路にオシロスコープを接続した時、オシロスコープの入力インピーダンスが影響して、被測定回路の信号が変化する場合があります。これを負荷効果と呼び、この影響が大きいと正しい波形測定はできません。
負荷効果を小さくするには、オシロスコープ側の入力インピーダンスを高くする必要があります。入力抵抗が大きく、入力容量が小さいほど負荷効果は小さくなります。
プローブを使用すれば、オシロスコープ側の入力インピーダンスは、プローブで規定された入力インピーダンスになりますので、負荷効果が軽減できます。
アクティブプローブであるFETプローブの場合、入力容量が非常に小さいので、負荷効果をより小さくすることができます。

位相補正の必要性

位相補正とは、オシロスコープとプローブを組み合わせて、周波数に対して利得が一定になるように、プローブ内にある可変コンデンサの容量を調整することです(図1)。
オシロスコープの入力抵抗は1MΩですが、それに並列に入る入力容量は、機種によって異なります。
また、同じ機種でもチャネルごとに入力容量のばらつきがあります。そのため、オシロスコープとプローブの組み合わせが変わると、プローブの位相補正が必要になります。この調整が適切でないと、周波数に対して利得が一定にならず、正しい測定ができません。
オシロスコープには、位相補正用の電圧出力端子がついていますので、その出力波形を用いてプローブを調整します。
(図2)にプローブの位相補正による波形の違いを示します。
波形測定の前には、プローブが正しく調整されているかを確認することが大切です。

(図1)

10:1パッシブプローブとオシロスコープを組み合わせた等価回路

調整原理 :
10:1パッシブプローブとオシロスコープを組み合わせた等価回路

(図2)

正しく調整された波形

過補償で、高周波数領域の利得が上がってしまっている場合

補償不足で、高周波数領域の利得が下がってしまっている場合

減衰比1:1で使用する場合の注意

小さな信号を観測する場合、10:1プローブでの減衰はさらに信号を小さくしてしまいます。プローブによっては、減衰比が切り替えられるものがあり、減衰比を1:1にするために、プローブの中の9MΩをショートさせています。そのため、10:1減衰時に比べて次のような注意が必要です。

  1. 周波数帯域が低下する
  2. 入力容量が増大し、負荷効果の影響が大きくなる
  3. 最大入力電圧がオシロスコープで規定される最大入力電圧まで下がる

高周波回路では、低周波回路に比べて負荷効果の影響は大きくなります。そのため、減衰比1:1での使用は、低周波回路の小さな信号を観測するのに適していると言えます。

グランドのとり方

高速信号を観測する場合、波形にオーバーシュートやリンギングが乗ってしまう場合があります。
アースリードの誘導成分がプローブのもつ容量成分などと共振を起こすため、プローブのアースリードは、できるだけ測定ポイントの近くに接続します。また、アースリードが長すぎると、ループ状のアンテナが形成され、放射ノイズを拾ってしまう場合があります。アースリードが影響する場合は、プローブのアクセサリとして付属しているアースアタッチメント(図3)の利用が有効です。

 

アタッチメント装着例
(図3) アースアタッチメント装着例

アースリードの誘導成分を小さくすることができ、また、ループも小さくなり、放射ノイズを拾いにくくなります(図4)。
FETプローブの場合は、入力容量が非常に小さいので、アースリードを用いた場合でもリンギングが起きにくくなります。

 

(図4)

アースリードを使用して、リンギングが乗ってしまった場合

アースアタッチメントを使用した場合

おわりに

電子機器の高速化がさらに進むにつれ、測定する信号も高速化、小振幅化しています。それに伴い、測定方法も難しくなります。
測定器やプローブに関する理解を深め、高精度な測定を心がけることが大切です。

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