電圧プローブ

シングルエンド入力のディジタルオシロスコープに高電圧差動プローブを組み合わせることで、インバータやスイッチング電源の各種電圧信号、CANバスなどの通信信号など非接地のフローティング信号を測定することが可能となります。
また、高周波の通信信号などの測定には広帯域、低入力容量のアクティブプローブや抵抗プローブが適しています。
YOKOGAWAでは、幅広いアプリケーションに対応できるよう電圧レベルや信号周波数別に幅広いラインナップのプローブ製品をご用意しています。

製品ラインナップ

パッシブプローブ製品ラインナップ

 

差動プローブ・アクティブプローブ・抵抗プローブ製品ラインナップ

  • 周波数帯域:DC~50MHz 差動入力電圧範囲:5000Vrms/7000Vp-p
    減衰比:1000:1、100:1切り替え
    販売単位:1
    価格 ¥220,000 (税抜)
  • 最大1400Vpeak、150MHz 周波数帯域
    1m の延長リードを標準添付
    販売単位:1
    価格 ¥120,000 (税抜)
  • 1400Vpk 1000Vrms-CATIII DC~100MHz帯域
    販売単位:1
    価格 ¥80,000 (税抜)
  • 500Vpk CATIII DC~15MHz帯域
    コモンモード電圧が乗った電位差の測定が可能
    単三乾電池4本で動作可能
    1MΩ入力のオシロで使用できる
    販売単位:1
    価格 ¥50,000 (税抜)
  • DC~100MHz帯域 減衰比:1/10、1/100切替可能
    最大差動許容電圧:±70V(1/10)、±700V(1/100)
    販売単位:1
    価格 ¥82,000 (税抜)
  • 1.0GHz帯域
    1MΩ(各入力端子の対接地抵抗)
    約1.1pF(各入力端子の対接地容量)
    最大動作入力電圧範囲:±35V
    最大差動入力電圧範囲:±25V
    販売単位:1
    価格 ¥350,000 (税抜)
  • DC~200MHz帯域
    差動入力電圧範囲:±20V コモンモード入力電圧範囲:±60V
    DLシリーズのプローブパワーから直接電源が供給可能
    DL1600シリーズ接続には、50Ω終端器(700976)が必要
    販売単位:1
    価格 ¥110,000 (税抜)
  • DC~500MHz帯域
    差動入力電圧範囲:±12V コモンモード入力電圧範囲:±30V
    DL1600シリーズ接続には、50Ω;終端器(700976)が必要
    販売単位:1
    価格 ¥180,000 (税抜)
  • 1000Vrms-CATII 10:1 DLMオシロスコープシリーズ用
    広温度範囲動作 (-40~85℃) 200MHz帯域 2.5m
    販売単位:1
    価格 ¥28,000 (税抜)
  • 10MΩ(10:1)、500MHz 1.2m
    DLM2000(350/500MHz帯域モデル)/ DLM3000/ DLM4000/ DL6000/ DLM6000シリーズ用
    販売単位:1
    価格 ¥25,000 (税抜)
  • 10MΩ(10:1)、200MHz 1.5m
    DLM2000(200MHz帯域モデル)用
    販売単位:1
    価格 ¥15,000 (税抜)
  • スコープコーダシリーズ非絶縁入力モジュール用
    600Vpk モジュール 701255用 10:1
    販売単位:1
    価格 ¥15,000 (税抜)
  • 500MHz 10:1 400Vrms 10MΩ/約9.5pF 1.3m
    プローブヘッドが小さく、ICや高密度実装基板測定用アクセサリが充実
    DLM2000/ DLM4000/ DL6000/ DLM6000シリーズ用
    販売単位:1
    価格 ¥35,000 (税抜)
  • DC~400MHz(-3dB) 減衰比:1/100
    1000Vrms,6000Vpeak 50MΩ/約7.5pF 1.2m
    販売単位:1
    価格 ¥35,000 (税抜)
  • DC~250MHz(-3dB) 減衰比:1/100
    1000Vrms,6000Vpeak 50MΩ/約7.5pF 3m
    販売単位:1
    価格 ¥45,000 (税抜)
  • 1000Vrms-CATII 10:1 DC~100MHz帯域
    スコープコーダシリーズ絶縁入力モジュール用
    販売単位:1
    価格 ¥25,000 (税抜)
  • スコープコーダシリーズ絶縁入力モジュール用
    1000Vrms-CATII 10:1
    広温度範囲動作 (-40~85℃) 60MHz帯域 2.5m
    販売単位:1
    価格 ¥28,000 (税抜)
  • スコープコーダシリーズ絶縁入力モジュール用
    DC~200MHz(-3dB) 減衰比:1/100
    3540V(DC+Acpeak):CATⅠプローブ単体
    1000V(DC+Acpeak):CATⅡプローブ単体
    100MΩ/約7pF 1.5m
    販売単位:1
    価格 ¥28,000 (税抜)
  • 5GHz帯域  450Ω(10:1)/950Ω(20:1)
    DLM6000/ DL6000/ DL9000/ DL9700/ DL9500/ SB5000シリーズ用
    販売単位:1
    価格 ¥95,000 (税抜)
  • 入力インピーダンス2.5MΩ 1.8pF 900MHz帯域
    販売単位:1
    価格 ¥90,000 (税抜)
  • 500MHz帯域、400Vrms、ケーブル長:1.2m
    販売単位:1
    価格 ¥30,000 (税抜)
  • 350MHz 10:1 400Vrms 10MΩ/約18pF 3m
    DL1700E/ DL7400シリーズ用
    販売単位:1
    価格 ¥60,000 (税抜)
  • 10MΩ(10:1) 200MHz帯域 1.5m
    販売単位:1
    価格 ¥15,000 (税抜)
  • 10MΩ(10:1) 400MHz帯域 1.5m
    販売単位:1
    価格 ¥20,000 (税抜)
  • 10MΩ(10:1)、500MHz、1.5m
    DL9000/ DL9700/ DL9500/ SB5000シリーズ用
    販売単位:1
    価格 ¥25,000 (税抜)
  • 10MΩ(10:1)、500MHz 1.3m
    販売単位:1
    価格 ¥20,000 (税抜)
概要:

(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。

概要:

(THE T&M LINK(Vol.16)2005年5月1日掲載)
通信・測定器事業部
第2開発PJTセンター
ハガ ケンイチロウ

はじめに

昨今、デジタル家電をはじめ様々な機器に組み込まれるデバイスや電子回路の高速化にともない、信号波形観測に使用されるオシロスコープやプローブも高速広帯域化しています。ところが、せっかく高速広帯域の測定器を用意しても、思ったような信号波形が観測できなかったり、観測波形の再現性が良くない、ということを時折耳にします。
測定対象の信号が高速化すると、特にプロービングにおいて、それまでは問題にならなかったような原因で正しい測定ができない場合がありますので、ここでは高速信号をプロービングする際のヒントをいくつか紹介します。

電圧プローブの種類

電圧プローブは電圧センサの一種で、測定対象の電圧や出力インピーダンス、周波数成分等に合わせて、最適なプローブを選択する必要があります。プローブにはそれぞれ一長一短があり、プローブの種類によって入力インピーダンス(抵抗値、容量値)や周波数帯域が大きく異なるため、より信頼性の高い測定をするためにそれぞれのプローブの性質を理解することが大切です。一般的な高周波回路の測定によく使用されるプローブには次の3つが挙げられます。  

パッシブプローブ

減衰比10:1のパッシブプローブは、低価格、堅牢・高耐圧、低周波での高い入力インピーダンスにより、最も広く使われています。
弊社の代表的な10:1パッシブプローブの入力インピーダンスは10MΩと約14pFの並列、入力耐圧は600Vと、直流から低周波にかけては高い入力インピーダンスを持っており、一般的な用途では使いやすいプローブです。
一方、14pFの入力容量が高周波信号測定に与える影響が問題になることがあります。

500MHz帯域パッシブプローブPB500
500MHz帯域パッシブプローブPB500(DL9000シリーズ用)

アクティブプローブ/FETプローブ

高周波信号の測定によく使われているのがアクティブプローブ/FETプローブです。
パッシブプローブと違い、プローブ先端に近いところにインピーダンス変換用のバッファアンプを置くことで、パッシブプローブよりも高い周波数帯域と、一桁小さい1pF前後の入力容量を実現しています。電源供給が必要で、耐電圧がパッシブプローブよりも低いため取り扱いには若干注意が必要ですが、信頼性・再現性の高い高周波信号波形の測定には大きな効果があります。

2.5GHz帯域アクティブプローブPBA2500
2.5GHz帯域アクティブプローブPBA2500(DL9000シリーズ用)

低容量プローブ(500Ω抵抗プローブ)

あまり馴染みがないかもしれませんが、50Ω系入力の測定器には比較的古くから使われてきたプローブです。
プローブヘッドに内蔵されている高周波特性を考慮した特殊な450Ωの抵抗体で50Ω系同軸ケーブルを駆動しますが、入力容量が非常に小さいため今でも根強い人気があります。
入力抵抗が500Ωなので測定対象の信号源インピーダンスが高いと、直流バイアスや出力振幅に影響を与えることがありますが、入力容量はアクティブプローブの半分~数分の一程度なので、クロックのエッジ等、高速ディジタル信号の波形品位測定等に最適です。

5GHz帯域低容量プローブPBL5000
5GHz帯域低容量プローブPBL5000

 

高速信号のプロービングにおける問題点

負荷効果

測定対象回路にプローブを接続すると、プローブの入力インピーダンスにより測定対象に何らかの影響を与えます。これを負荷効果と呼びます。
たとえば、帰還回路を測定する場合、接続されるプローブのインピーダンスのために回路の位相マージンが変化して回路の動作が変化したり、発振回路の場合には発振周波数が変化したり、発振が停止してしまうこともあります。
特に静電容量に敏感な回路を測定する場合には、プローブの選定に注意が必要です。

プローブの入力容量による観測帯域の制限

特に100MHz以上の周波数成分を観測すると、信号源インピーダンスとプローブの負荷容量で形成されるローパスフィルタの影響が顕著に出る場合があります。
50Ω系の回路を例にみてみましょう(図1)。この例では、負荷(終端)で信号波形を観測する場合、等価信号源インピーダンスは25Ω(50Ωの並列)に見え、ここにプローブの入力容量が付加されると、プローブの入力ポイントにおけるカットオフ周波数は fc=1/2πRC となります。入力容量14pFのパッシブプローブを使うと fc=455MHzですが、入力容量0.9pFのアクティブプローブを使えば fc=7GHz となります。
出力インピーダンスが高い回路を測定する場合は負荷効果がさらに顕著に出ますので、入力容量の小さいアクティブプローブ/FETプローブのご使用をお勧めします。

50Ω系回路図

インダクタンスによる共振

測定対象とプローブは何らかのピンあるいはワイヤーを使って接続しますが、ある長さのピンやワイヤーがあると必ずインダクタンスが存在し、プローブの入力容量と共振を起こします。この共振周波数がオシロスコープの周波数帯域外にあれば波形観測に支障ありませんが、インダクタンスや容量が大きいと、測定対象の信号波形には本来無いピーキングやリンギングが観測されることがあります。
接続時のインダクタンスを10nH(1~2cm程度の長さ)として前述の3種類のプローブについて共振周波数を比較してみると表1のようになり、意外に共振周波数が低いことがわかります。このインダクタンスはプローブの入力側だけでなく、グラウンド接続のインダクタンスも影響しますので注意が必要です。

(表1)
PB500
パッシブプローブ
PBA2500
アクティブプローブ
PBL5000
低容量プローブ
入力容量
約14pF
約0.9pF
約0.25pF
共振周波数
(L=10nHの場合)
425MHz
1.68GHz
3.18GHz

ケーブルの特性変化

プローブ先端からオシロスコープに信号を伝送するために同軸ケーブルが使用されます。プローブには、実使用での取り回しの良さを考慮して柔軟性と高周波特性を両立したケーブルが選定されていますが、それでも小さい曲率で曲げると誘電体がつぶれ、その部分の特性インピーダンスが変化し、ケーブルの通過/反射特性が悪化して観測波形の高周波成分に影響が出てしまいます。高周波の波形観測において再現性が悪い原因の一つがこれなので、ケーブルをなるべく曲げないようにし、取り回しを一定にすることで測定の再現性を上げることができます。

プローブの性能をフルに活かすプロービング

プローブを使った波形観測における最大の障害はインダクタンスによる共振で、まずはこの共振を抑えこむことが大切です。
簡易的に信号を確認する場合(ブラウジング)、プローブの入力ピン及びグラウンド用リードはなるべく短いものを使用します。信頼性の高い波形観測が必要な場合は、あらかじめプリント基板にプローブを接続するためのスルーホールを用意しておき、プローブの信号入力ピンをパターン等に直接接続します(図2、図3)。グラウンドはインダクタンスを減らすために、なるべく太めの銅線や銅板を加工してプローブに接続します。
都合でどうしても最短で接続できない場合は、信号入力に50~100Ω程度の抵抗を入れて共振をダンピングする方法があります(図4)。この場合、抵抗により測定できる周波数帯域は下がりますが、共振によるピーキング、リンギングを抑えた測定対象本来の波形に近づけることができます。
また、特に立ち上がり付近の高周波信号成分は、前述のとおりケーブルの取り回しに影響されますので、取り回しが変わらないように図5のように作業台にテープで固定する等の工夫をすることで観測波形の再現性を上げることができます。

プロービングの方法

プロービングの方法

プロービングの方法

プロービングの方法

リンギングの波形比較

リンギングの波形比較
■インダクタンスが大きくてリンギングが見えてしまう場合

リンギングの波形比較
■インダクタンスを小さくしてリンギングを抑えた場合

ケーブルの取り回しの工夫

ケーブルの取り回しの工夫

おわりに

高速の信号波形を忠実に観測するためには、適切なプローブを選択し、さらにプローブ本来の性能を引き出すような工夫をすることが大切です。本コラムが、高周波プロービングを行う際のヒントになれば幸いです。

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