パッシブ・プローブとは
パッシブ・プローブとは、測定ポイントの信号とオシロスコープの入力端子間を電気的に接続するためのものです。
オシロスコープによる波形観測の場合、被測定対象の信号を測定ポイントからオシロスコープまで信号を伝送するための機器と言えます。
オシロスコープのプローブには、信号増幅回路を内蔵したアクティブ・プローブと受動部品のみで構成されているパッシブ・プローブがありますが、本稿では後者に限定して説明します。
パッシブ・プローブの使用用途
パッシブ・プローブは、オシロスコープによる信号波形の観測の際、測定ポイントの信号を検出するために使用するものです。
当てたポイントの電圧をオシロスコープに伝達します。電流波形を直接観測する場合は、カレント・プローブを使う必要があります。
パッシブ・プローブの原理
プローブを使えばオシロスコープで正確な波形観察ができるものではありません。正確な測定には、プローブの扱いに充分注意が必要です。
1. 被測定回路に対するプローブの影響
オシロスコープとパッシブ・プローブを組み合わせて波形観測する場合、「被測定回路にはオシロスコープの入力インピーダンスとプローブのインピーダンスとの合成インピーダンスが接続された」と見做せます。すなわちち、プローブは内蔵抵抗Rpとそれと並列に調整用コンデンサCpを持ち、プローブのケーブル部には浮遊容量Csがあります。
オシロスコープの入力端子は、入力抵抗Ri (1MΩ) と入力容量Ciの並列回路で構成されているため、この合成インピーダンスを考慮することが重要です。
2. Cpの調整方法
周波数に拠らずプローブで一定の減衰率を得るには、下記の式を満足するようにCpを調整する必要があります。
Cp = (Cs + Ci) × Ri / Rp
調整用コンデンサCpは半固定タイプなので、オシロスコープ本体と組み合わせた上で最適値に設定します。オシロスコープには調整用コンデンサの最適値を設定するために、方形波の出力端子が設けられています。
プローブの先端をここに接続して、オシロスコープの表示部に矩形波が表示されるようCpの値を変化させます。
パッシブ・プローブのその他情報
1. パッシブ・プローブの使い方
パッシブ・プローブはオシロスコープを用いた測定に利用されるもので、内蔵抵抗器Rpによる減衰率1:1、1:10、1:100 の3種類から、被測定回路の特徴を踏まえて選択します。
1:1 プローブ
内蔵抵抗Rpと調整用コンデンサCpを持たないプローブです。信号が直接オシロスコープの入力端子に印加されるので、オシロスコープの入力インピーダンスである1MΩと入力容量Ciが被測定回路に接続されることになります。
被測定回路が高インピーダンスであると、測定回路に影響を及ぼすため注意が必要です。一方、小信号を扱う場合は、オシロスコープの入力感度がそのまま活用できるので、Rpを通す他のタイプより信号レベルの面で有利です。
10:1 プローブ
通常良く利用される一般的なプローブで、内蔵抵抗Rpは9MΩとなっています。入力インピーダンスはオシロスコープと組み合わせて10MΩになり、被測定回路に与える影響が小さく使い易いものです。
100:1 プローブ
内蔵抵抗Rp99MΩと調整用コンデンサCpを持ち、減衰率が1/100になるため、主に信号電圧が100Vを超えるような場合に利用されます。また、入力インピーダンスが100MΩと極めて高いので、被測定回路に与える影響が特に少ないことも特徴です。
グランド・リード線の接続ポイント
パッシブ・プローブの使い方で特に注意すべきものは、グランド・リードの接続とその処理方法です。多チャンネルのオシロスコープにて複数のポイントを同時に観測する場合、各チャンネルのプローブのグランド・リードは共通の1ヶ所 (一点アースが望ましい) に接続することが基本です。
異なるグランドラインに接続すると、グランドループにより微小な信号を測定する際に悪影響を与えます。
グランドリード線の長さ
グランド・リードは、長い方が測定ポイントへの接続の面では有利ですが、高周波信号を観測するとリンギングや信号振幅の大きな変動など、不具合現象が発生します。これは、グランド・リードの誘導性インダクタンス成分とプローブの入力端子容量とが共振して、その共振周波数付近で振幅が極端に大きくなることが原因です。
従って、周波数が10MHz以上の高周波信号を観測する場合は、グランド・リードの代わりにグランド・スプリングなどを使用することも考慮して下さい。
2. プローブの周波数特性
波形観測用の測定器は、オシロスコープ本体とプローブで構成され、両者を組み合わせた測定系の周波数帯域並びに立上り時間によって主要な測定性能が決まります。従って、オシロスコープ本体とそれに組合されるプローブ毎に周波数帯域や立上り時間がスペックとして公表されています。
3. ケーブルの浮揚容量
プローブの周波数特性に大きく影響を及ぼすファクターは、ケーブルの浮遊容量です。周波数が高くなるほど浮遊容量による容量性リアクタンスは小さくなり、その分被測定回路の負荷が大きくなります。
その結果、プローブ自体の周波数帯域幅を狭める、立上り時間が遅くなる等、悪影響を及ぼします。プローブの浮遊容量はケーブルの長さにも依存し、長いほど浮遊容量が大きくなる傾向があるため、プローブ長はなるべく短いものが周波数特性上有利です。
参考文献
https://detail-infomation.com/oscilloscope-calibration/
https://news.mynavi.jp/article/oscilloscope2-2/
http://www.ktek.jp/
https://cc.cqpub.co.jp/system/contents/1246/