​​アプリケーションに最適なオシロスコーププローブを選択する​

​オシロスコーププローブは、テストポイントに物理的に接触し、検査対象回路からオシロスコープに電気信号データを送信します。オシロスコーププローブには、パッシブ、アクティブ、差動、および電流プローブなど、さまざまなテストおよび計測のニーズに対応するタイプがあります。基本的に、オシロスコーププローブは、導電性プローブの先端、手動調整用のプローブヘッド、およびオシロスコープに接続するケーブルで構成されています。

^{​図1:アクティブプローブとパッシブプローブは異なる用途に対応し、異なる測定基準を満たします。}

パッシブプローブ

​パッシブプローブプローブは、アプリケーションで最も広く使用され、受動回路素子のみで構成されています。これらのプローブは、測定対象のポイントからスコープ入力への1:1のストレートスルー接続を提供する場合や、分圧器や他の回路を用いて特定の減衰値を提供する場合があります。パッシブプローブは一般的に、低価格で堅牢性が高く、柔軟性に優れています。電圧測定に使用され、帯域幅は比較的低くなります。表1に記載されている各仕様の詳細については、引き続きお読みください。

​パッシブプローブとNIオシロスコープとの互換性

​すべてのPXIオシロスコープがすべてのプローブと使用できるわけではありません。パッシブプローブの1 MΩの入力容量範囲が、特定のオシロスコープの1 MΩ入力容量に適合しないことがあります。すべてのNIオシロスコーププローブはBNC接続を備えているため、表2に記載の通り、SMAまたはSMBフロントパネルコネクタを持つPXIオシロスコープではアダプタが必要です。これらは個別でも、10個入りパックでも提供されています。

• ​SMB-BNCアダプタ (781449-01): 個別アダプタ

• SMB-BNCアダプタ (781449-10): 10個入りアダプタパック

​オシロスコーププローブは、さまざまな方法で信号に影響を与えます。プローブの入力抵抗、キャパシタンス、および帯域幅によって、オシロスコープに送信する信号の変化が決まります。本節では、これらの変化を引き起こす物理現象について説明します。これらの効果の実用例については、負荷効果の例を参照してください。

​回路のインピーダンスとオシロスコープの入力インピーダンスを合わせると、ローパスフィルタが生成されます。非常に低い周波数では、コンデンサは開回路として機能し、計測にはほとんど影響しません。高周波数では、コンデンサのインピーダンスが大きくなり、オシロスコープに入力される電圧が抑えられます。図2は、周波数領域でのこの効果を示します。入力信号が正弦波の場合、振幅は周波数の増加に伴って減少し、位相がずれます。

​この負荷の影響は、オシロスコープの電圧のステップ変化に対する応答にも現れます。スコープの入力インピーダンス (およびプローブのキャパシタンス) による負荷は、抵抗負荷と容量負荷の2つに大別されます。図3は、プローブとスコープの入力負荷を抵抗負荷と容量性負荷に分け、それぞれ独立して解析する方法を示します。抵抗負荷は完全にスコープの入力抵抗によるものであり、容量性負荷はプローブキャパシタンスとスコープ入力キャパシタンスの組み合わせによるものです。

図3の抵抗負荷回路も分圧回路の例です。したがって、スコープ入力、V _INに送られる電圧はV_sを再現したものですが、振幅が小さくなっています。式1は、V _MAXが与えられた場合の時間の経過に伴う電圧積の式を示しています。

容量性負荷の影響はより複雑であり、電圧に指数関数的応答をもたらします。 V_IN は、式2に示すように、時間の経過とともに0 VからV_MAX VになるV_S電圧ステップの積です。

​2つの負荷効果によるステップ応答を図4に示します。抵抗負荷は電圧ステップの大きさを変化させますが、波形の形状は変えません。容量性負荷はステップの立ち上がり時間を遅くしますが、最終的には理想的な応答と同じ最終値に収束します。システムの帯域幅と立ち上がり時間は逆の関係にあります。機器の帯域幅が実質的に減少しているため、パルス入力の立ち上がり時間と立ち下がり時間が長くなります。

​この解析に使用される回路モデルは、すべての実用回路に正確であるとは限りません。デジタル回路の出力抵抗 (駆動能力) は出力電圧により変化し、負荷効果が異なる結果をもたらすことがあります。このモデルはそのような回路に100%正確ではないとしても、抵抗負荷および容量性負荷の基本原則は当てはまります。つまり、負荷キャパシタンスによって信号の立ち上がり時間が遅くなり、抵抗負荷によって出力振幅が変化する傾向があります。デジタル回路で増加した立ち上がり時間は、信号が次の論理ゲートに到達すると遅延の増加に変換されます。これは、信号が論理しきい値まで上昇するまでに時間がかかり、次のゲートが後で切り替わるためです。一般的なオシロスコープの1 MW入力インピーダンスは多くのデジタル回路に対する抵抗負荷を防ぎますが、1:1プローブの容量負荷は信号に大きな遅延をもたらします。

このセクションでは、プロービング回路によって引き起こされる負荷効果の例を2つ示します。各サンプルでは、回路をプローブした結果、デバイスの動作が根本的に変化したり、完全に機能しなくなったります。

容量性負荷

タンク回路とも呼ばれるLC回路は、インダクタとキャパシタンスを並列に含みます。この回路の最終的な影響は、インダクタコイルがインダクタとコンデンサによって決定される特定の値で共振周波数を発生させることです。周波数は式3によって制御されます。

この回路は商用RFIDタグに用いられており、負荷の影響例として示します。図5は、RFIDチップの一般的なLC回路を示します。

この回路を設計またはテストするエンジニアは、コンデンサを含むラインをプローブする場合があります。エンジニアがこの回路の高電位ポイントにSP500Xプローブを接続すると、プローブのキャパシタンスがC1と並列に追加され、高電位とグランドの間に接続されます (図6参照)。

プローブのキャパシタンスが増加すると、LC回路の共振周波数が式4に従って変化します。

この周波数変化により、RFIDタグは、意図された送信機の周波数とは大きく異なる周波数を発信するようになり、センサによって検出されるのに十分なエネルギーを蓄積できず、正しい動作の機能評価も行えません。

抵抗負荷

​図7の発振回路にはCMOSインバータと並列に10 MΩの抵抗が含まれています。プローブは大きな電流流入を防ぎ、測定対象回路への影響を避けるために10 MΩの入力抵抗を備えています。この場合、測定対象回路には高抵抗素子が含まれています。

​図8に示すように、エンジニアはCTRA入力と10 MΩ抵抗、クリスタル発振器の電源の接点での電位に注目することがあります。この測定ポイントでは、プローブの10 MΩ入力抵抗が10 MΩ抵抗と並列になり、分圧回路を形成します。この回路の水晶発振器は、所定の電圧で動作することを想定しています。発振回路が期待する電圧の半分しか受け取れないと、動作が不安定になったり全く動作しなくなることがあります。

1.1プローブ

​1:1 (ワンツーワン) プローブ、別名1xプローブは、オシロスコープの1 MΩ入力インピーダンスを測定対象回路に直接接続します。これらは損失が最小限で簡単に接続できるように設計されていますが、それ以外はケーブルを使用してスコープを接続するのと同じです。図4は、検査対象回路に接続された高インピーダンススコープ入力の回路図を示します。検査対象回路は、直列抵抗器を備えた電圧源としてモデル化されます。1:1プローブ (またはケーブル) は、スコープの入力と並列に現れるかなりの量のキャパシタンスを導入します。1:1プローブは約40～60 pFのキャパシタンスを持ち、一般にオシロスコープの入力キャパシタンスより大きくなっています。

​1:1プローブの構造は、次に説明する10:1プローブのような性能水準にならないことがあります。

10:1プローブ

​10:1プローブ (10xプローブ、分圧プローブ、減衰プローブとも呼ばれる) には、抵抗とコンデンサ (並列) が内蔵されています。図8は、オシロスコープの高インピーダンス入力に接続された10:1プローブの回路を示します。R1C1=R2C2の関係が成立すると、この回路は両方のキャパシタンスの影響を完全に打ち消します。実際には、この条件は正確には満たされないかもしれませんが、概算できます。キャパシタは通常調整可能で、ほぼ完璧に一致するように調整できます。式5は、これらの条件下でのVsとVINの関係を示しています。

​この式は分圧器の式に似ています。R2は高入力インピーダンス (1 MW) のスコープの入力抵抗で、R1=9R2です。 式6は10Xプローブを利用した場合の式5の結果を示しています。

​式6: 10Xプローブはオシロスコープ入力電圧を1/10にします。

​そのため、このプローブとスコープ入力の組み合わせは、2つのキャパシタンスの効果的な打ち消しにより1:1プローブよりもはるかに広い帯域幅を持ちます。発生するペナルティは電圧の損失です。オシロスコープは元の電圧の10分の1しか認識しません (したがって、10:1プローブと呼ばれます)。また、測定回路が負荷として受けるインピーダンスがR1＋R2＝10 MWとなり、1:1プローブより大きいことに注意してください。一部のプローブは、1:1と10:1の操作間で簡単に切り替えられるように設計されています。

​10:1プローブでは、抵抗負荷および容量性負荷の影響が低減されます (1:1プローブと比較)。スコープの入力キャパシタンスは理想的にキャンセルされますが、プローブ由来のCPROBEというキャパシタンスが残ります。このキャパシタンスは製造元により指定されており、検査対象回路に負荷をかけます。

​測定対象の電圧が10で割ってもスコープで読み取れないほど小さくない限り、電圧の10分の1の損失は問題になりません。これは、スコープの感度および信号電圧が10:1プローブの使用可否を判断する要素となる可能性があることを意味します。ほとんどのオシロスコープでは、ユーザーは10:1プローブが使用されていることを覚えておき、結果の測定値を10倍にしなければなりません。この手間を避けるため、いくつかのスコープには1:1プローブ用と10:1プローブ用の2種類のスケール目盛りがあります。他のオシロスコープは一歩進んで、減衰プローブが使用されると測定値を自動的に正しい値に調整します。

​一部の10:1プローブは、プローブ入力に抵抗器を持ち、抵抗負荷が1 MΩになることに注意してください。これらのプローブは、1:1プローブと比較して抵抗負荷が改善されているわけではありませんが、容量性負荷が少ない特徴があります。

その他の減衰プローブ

​減衰プローブは50:1や100:1などの比率も存在します。これらのプローブは10:1分圧プローブと同様に、電圧レベルと帯域幅のトレードオフにより広帯域化を図り、プローブでの損失が増加しスコープ入力に供給される電圧が減少します。低レベル測定では、より高感度なスコープが必要な場合があります。また、50 Ωのインピーダンスを持ち広帯域ながら限定的な用途のパッシブプローブも存在します。

減衰プローブの帯域幅を最大化するには、スコープの入力容量がキャンセルされるようにプローブコンデンサを正確に調整する必要があります。これは、補正と呼ばれる手順によって行われます。

スコーププローブは、スコープに組み込まれているキャリブレータと呼ばれる方形波ソースに接続されます。次に、プローブを調整して、方形波が可能な限り正方形で平坦になるようにします。

1.プローブのBNC端子をオシロスコープのCH0に接続します。プローブに複数の減衰設定がある場合は、キャパシタンスを補正できるものを選択します。

2.プローブの先端に接続アダプタを取り付けて、キャリブレータとのインターフェースを可能にします。

3.プローブの先端をキャリブレータソースに接続します。NI PXIオシロスコープの場合、キャリブレータはPFI1となります。

4. 伝送ケーブルとは別のプローブチップを使用している場合は、この時点でそれらを接続して測定回路を完成させます。この方法で動作するプローブの先端は、通常、BNCまたはSMB接続で接続されます。

5a. スコープソフトフロントパネル (スタートメニュー→プログラム→National Instruments→InstrumentStudio) を開きます。オシロスコープ用に新しいソフトフロントパネルを作成します。PXIシステムに複数のオシロスコープまたはデジタイザがある場合は、プローブ補正に適切なオシロスコープを選択します。Scopeソフトフロントパネルの右上にある設定メニュー (歯車アイコン) からプローブ補正信号を有効にします。

5b. 従来型ボックスまたはベンチトップ型オシロスコープを使用している場合、計測器のフロントパネルにキャリブレーション信号が表示されます。

6. 可変容量コンデンサを調整して、波形が可能な限り方形波に見えるようにします。図12 (a) および (b) は、過剰補正および補正不足のプローブ使用時のオシロスコープ表示を示します。図12 (c) は、プローブが適切に補正された場合の表示です。

7. 追加のチャンネルやプローブについては、ステップ1～6を繰り返してください。オシロスコープのチャンネルは非常に類似するように設計されていますが、コンポーネントを少し変更するだけで入力キャパシタンスが若干異なる場合があることに注意してください。プローブの公称キャパシタンスにもわずかな違いが生じます。このため、各オシロスコープのチャンネルとプローブの組み合わせを個別に補正する必要があります。

ここまでで説明したプローブはすべて、トランジスタやアンプなどのアクティブなコンポーネントを持たないシンプルな受動回路です。アクティブプローブは、高周波測定で極めて低いキャパシタンスが必要な場合や、測定対象の回路から接地基準を絶縁する必要がある場合に理想的です。アクティブプローブは、入力にキャパシタンスがほとんどないアンプを使用します。アンプの出力は通常、オシロスコープの50 Ω入力を駆動するように調整されます。これにより、プローブとスコープ間で50 Ωのケーブルを容量性負荷効果なしで使用できます。

表3は、これまでに論じてきたさまざまなタイプのアクティブ電圧スコーププローブの標準仕様をまとめたものです。実際の特性はメーカーおよびモデルによって異なります。

アクティブプローブとNIオシロスコープとの互換性

このような低負荷効果により、NIのすべてのアクティブ電圧プローブは、以下の注意事項を除き、すべてのPXIオシロスコープと互換性があります。

• 隣接するBNCオシロスコープチャンネルでSA1000X、SA1500X、SA2500X、またはDA200025Xを使用する場合、近接しているため、短いBNCからBNCへのアダプタが必要になることがあります。
• NI PXIe-5105、NI PXIe-5108、NI PXIe-5172にはSMB-BNCアダプタが必要です。
• NI PXIe-5170、NI PXIe-5171にはSMA-BNCアダプタが必要です。

一部のスコープには、入力の両方のリード線をグランドから離して接続できる浮動入力または差動入力があります。この場合、接地の問題は回避されます。

チャンネル1-2 (2つのチャンネルの差) を表示可能な2チャンネルスコープは、1チャンネル浮動入力スコープとして使用できます。オシロスコープは1-2を表示するように設定されています。チャンネル1は、正の電圧とみなされる回路のポイントに接続されています。チャンネル2は他の電圧ポイントに接続され、オシロスコープのグランドは回路グランドに接続されます。したがって、スコープは2つの電圧ポイントの差を表示しますが、どちらも接地する必要はありません。

差動プローブは、スコープのグランドに対して浮動可能な2つのスコーププローブ入力を提供することで、この問題を解消します。プローブの出力電圧は2つの入力端子間の電圧差であり、オシロスコープのグランド基準入力を駆動することができます。差動増幅は完全ではなく、誤差はコモンモード除去比 (CMRR) で指定されます。CMRRを測定するには、両方の入力を同じ信号で駆動します。理想的には、出力 (2つの入力の差) は常に0です。しかし、実際のプローブには小さな出力電圧があります。

通常、差動プローブのCMRRは低周波数に最適であり、高周波数で劣化します。CMRRは通常dB単位で表されます。

高電圧プローブ

高電圧アクティブプローブは、高DCオフセット、コモンモード、または大きな電圧レンジを含む測定に使用されます。一部の高電圧プローブは、非常に高いコモンモードを持つ信号の小さな変化を観察するために使用されます。たとえば、送電線の信号のわずかな変化を測定する場合が考えられます。高電圧アクティブプローブのもう1つの用途は、非常に大きな電圧レンジを実現することです。アクティブプローブの中には、最大数キロボルトの信号を送信できるものがあります。

​電流プローブは通常、2つの技術のいずれかを使用します。最も簡単なものは、トランスの原理を利用し、トランスの一方の巻線を測定対象の導線とするものです。変圧器はAC電圧と電流のみで動作するため、このタイプの電流プローブは直流電流を測定しません。

​もう1種類の電流プローブ (NI製品) はホール効果の原理を使用しています。ホール効果は、印加された磁界に存在する電流に飯能して電界を生じます。この方式は外部電源の使用が必要ですが、交流 (AC) および直流 (DC) 電流の両方を測定可能です。

​電流プローブはそのクランプ部分で囲まれた電流を測定するため、電流プローブ特有のいくつかの技術が使用できます。プローブとオシロスコープの組み合わせの感度が特定の測定には低すぎる場合、電流を通すワイヤーをクランプ部分に数回巻き付けることができます。プローブは、実際にはより大きな電流を測定することになります (元の電流に巻き数を掛けたもの)。同様に、対象となる2本の導線を挿入し、電流が逆方向に流れる場合、その電流差を計測することができます (同じ方向に流れる場合は電流の合計が計測されます)。もちろん、導線と電流プローブの物理的なサイズが、挿入できる導線の本数を決定する要因となります。電流は直接電気接続を必要としませんが、検査対象回路からエネルギーを削除します。通常、このわずかなエネルギー損失は回路に影響を与えませんが、場合によっては要因となることがあります。 ​NIでは、互換性のあるPXIオシロスコープで使用するために日置電流プローブを推奨しています。各オシロスコープが機能するには日置電源が必要です。 プローブおよび電源のご購入は、日置へ直接ご連絡ください。

電流プローブとNIオシロスコープとの互換性

​すべてのPXIオシロスコープがすべてのプローブに対応しているわけではありません。日置電流プローブは表5に示すように、1 MΩ入力のPXIオシロスコープでのみ使用可能です。隣接したBNCオシロスコープチャンネルに電流プローブを使用する場合は近接性の問題から、図14に示すように短いBNC-BNCアダプタの使用が必要になることがあります。