既存のオシロスコーププローブの使い方：オシロスコーププローブのヒント

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各種オシロスコーププローブ

著者：Paul Denisowski、製品管理エンジニア

主に2種類のオシロスコーププローブがあります。すなわち、アクティブとパッシブです。どちらを選択するかは、結局のところ、シンプルさと高度さのトレードオフになります。

パッシブプローブは非常に単純で、外部電源を必要としません。また、コストパフォーマンスに優れています。信頼性が高く堅牢で非常に使いやすいプローブです。オシロスコープに接続してグランドリードを取り付ければすぐに測定できます。多くの場合、パッシブプローブのセットがオシロスコープに付属しているので、さまざまな基本測定にすぐに使用することができます。

アクティブプローブはそれと異なり、高い水準の精度と性能を、ベンチで利用できます。その名前が示しているとおり、このようなプローブにはアクティブコンポーネントが組み込まれていて、高周波信号を扱えるようになっています。そのため価格も高くなりますが、高い確度が求められるアプリケーションには、優れた柔軟性と高い感度を備えているこのようなプローブが欠かせません。

結局、パッシブプローブとアクティブプローブのどちらを選択するかは、目の前の作業に関する特定の要件によって決まります。測定の要求と、予算や必要な性能レベルのバランスを取ることが重要です。

パッシブオシロスコーププローブを補正する

パッシブプローブ補正を実行しなければ、確度と信頼性の高いオシロスコープ測定を確保できません。適切な補正を行わずにオシロスコープをパッシブプローブに接続すると、歪みが生じたり不正確な波形表示になったりする可能性があります。このような歪みは特に高周波領域で顕著になり、測定信号の忠実度に影響を与えます。補正によりプローブキャパシタンスを微調整する目的は、フラットで正確な周波数応答を、特にオシロスコープの帯域幅全体で実現することです。

補正プロセスでは、可変キャパシタンスの調整をパッシブプローブ内で行って、オシロスコープ固有の入力キャパシタンスを相殺する必要があります。多くのオシロスコープは、プローブ補正向けに1,000 Hzの方形波発生器を内蔵しています。

• ステップ1：プローブチップを信号源に接続します。
• ステップ2：プローブのグランドリードをグランドに接続します。
• ステップ3：プローブ補正出力が表示されるようにオシロスコープを設定します。
• ステップ4：プローブ補正ボックスの小さな穴に非伝導性ツールを差し込みます。
• ステップ5：このツールを回して、表示されている方形波ができるだけ矩形になるようにプローブキャパシタンスを調整します。

プローブが適切に補正されると、表示されている補正信号の上部がほぼ水平になります。プローブの補正が過剰だと信号の立ち上がりエッジにオーバーシュートが生じ、補正不足だと立ち上がりエッジにアンダーシュートが生じます。これを修正するには、波形エッジが明瞭な矩形になるまで補正キャパシターを調整する必要があります。通常はわずかに回せば十分に微調整できます。

パッシブオシロスコーププローブにはできるだけ短いグランドリードを使用する

もう1つの重要なヒントは、パッシブプローブを使用するときには、グランド接続の長さを最小限に抑えることです。パッシブプローブはシングルエンドで動作します。測定する電圧はグランドに対する相対値で、グランド接続線が必要になります。この接続は通常、ワニ口クリップ付きのグランドリードを介して構成されるため、このリードをできるだけ短くすることが重要です。グランドリードが長いと測定信号にインダクタンスが誘導され、高周波成分に影響を及ぼし、リンギング、オーバーシュート、アンダーシュートが方形波信号に生じる可能性があります。測定ポイントの近くにグランドポイントがある場合は、着脱式のスプリング・グランド・リードを使用すれば、グランド接続の長さを短くすることができます。

正しい入力インピーダンスを選択する

次に、チャネルの入力インピーダンスを詳しく検討します。一部のオシロスコープでは、ユーザーが柔軟に50 Ωまたは1 MΩの入力インピーダンスを選択することができます。信号源またはプロービングセットアップのインピーダンスに一致する入力インピーダンスを選択する処理を「終端」と言います。これは、オシロスコープのインタフェースを通じてチャネル単位で行います。オシロスコープ入力の「標準」インピーダンスは通常1 MΩに設定されています。これは、パッシブプローブを使用する場合に適した選択です。

ただし、アクティブプローブまたはBNCケーブルを使用した直接接続を採用する場合は、オプションの50 Ωの終端が必要になります。多くの電子計測器は、RFデバイスと同様に標準の終端として50 Ωを使用しています。正しい入力インピーダンスの選択が不可欠です。正しい設定をしないと、測定信号の振幅に影響を与える可能性があるからです。例えば、終端を50 Ωではなく1 MΩに設定すると、想定される電圧の2倍が観測される場合があります。

最後に、2種類の終端の安全な最大入力電圧は大きく異なる場合のあることに注意が必要です。終端を1 MΩではなく50 Ωに設定すると、多くの場合、安全な最大入力電圧のしきい値が低下します。オシロスコープの中には50 Ω終端をネイティブにサポートしていないものがありますが、このような場合は、特殊なフィードスルーアダプターを取り付けて、必要に応じて50 Ω終端を実現する場合があります。

電流プローブを消磁およびゼロ調整する

次に電流プローブについて説明します。電流プローブの強磁性プローブには、磁気すなわち「磁束」を保持するという特徴があります。これは電流がない場合にも当てはまります。これは一般的な現象で、オンとオフが切り替わる電流をプローブで測定した後に多く発生します。磁気が残留していると、オフセットが生じ、測定確度に影響する可能性があります。これに対処するために、多くの電流プローブには消磁機能（デガウス機能）が組み込まれており、これをプローブ上で直接またはオシロスコープのユーザーインタフェースを介してオンにすることができます。

消磁を開始すると特殊な波形が発生して、本質的にランダムな磁界を生成することでプローブのあらゆる残留磁気を「除去」します。これは通常かなり高速なプロセスで、わずか数秒しかかかりません。したがって、ゼロ調整の前と伝導測定の前の両方で電流プローブを消磁することをお勧めします。

巻き数を増やして感度を向上させる

電流プローブを使うためのヒントがもう1つあります。導線をプローブに何周か巻くことで測定感度を向上させることができます。プローブの感度は巻き数に比例して向上します。例えば、導線を4周巻くと、感度は4倍になります。オシロスコープは巻き数を自動的に判断できないので、適切なスケール値を手動で入力する必要があります。

巻き数が増えると挿入インピーダンスは巻き数の2乗の割合で大幅に上昇しますが、電流レベルが低い場合は測定への影響を無視できます。挿入インピーダンスの上昇は比較的小さいまま抑えられ、測定確度に大きな影響を与えることはありません。

電力測定でプローブをデスキューする

電力測定では多くの場合、電流プローブと電圧プローブを合わせて使用します。これは、正確に電力を評価するには電圧と電流の両方を測定する必要があるためです。しかし、電圧と電流がプローブリードを通過する伝搬時間が異なるために、測定される電圧波形と電流波形に時間オフセット（スキュー）が生じる場合があります。これにより、電力測定値が不正確になる可能性があります。

これを解決するためには、専用のデスキューフィクスチャを使用します。これは、スキューを検出して補正するために、時間が一致する電圧パルスと電流パルスを発生させるものです。このような同期パルスを、接続されている電流プローブと電圧プローブで同時に測定し、 テスト波形にスキューがある場合は、適切なデスキュー（時間オフセット値）をオシロスコープに入力することができます。この補正により、電流波形と電圧波形の位置が元通りそろうようになり、測定確度が向上します。

フローティング測定に差動プローブを使用する

オシロスコーププローブが通常測定する電圧はグランドに対する相対値です。これは「シングルエンド測定」と呼ばれます。しかし、「差動測定」が必要になる場合もあります。それは、グランドに接続されていないコンポーネントの両端にかかる電圧を測定する必要がある場合です。このような測定は「フローティング測定」と呼ばれることがあります。

差動測定を実行する方法の1つに、2本のシングルエンドプローブを使用して、2点でグランド基準電圧を測定し、オシロスコープでこれらの電圧差を計算する方法があります。これは、「準差動」測定と呼ばれます。

より効果的な手法は、専用の差動プローブを使用することです。このようなプローブは、差動アンプを内蔵していて、2つの接続ポイントの電圧差に対応する電圧を出力します。差動プローブがフローティング測定に優れている理由は次のとおりです。

• 2点間の電圧を測定することができます。
• コモンモードノイズ（両方の入力に共通なノイズ）を除去するため、多くの場合、高確度です。
• 偶発的または不注意なグランド接続によって生じる高い電流からデバイスと作業者の安全を保護するために重要な役割を担います。

困難な測定にはアクティブプローブを使用する

最後のヒントです：要求の厳しい測定にはアクティブプローブを使用します。先に述べたように、アクティブプローブは通常、増幅コンポーネントである電界効果トランジスタ（FET）をプローブチップに内蔵しています。アクティブプローブはその設計により、パッシブプローブよりもはるかに低い入力容量を実現しています。容量の低減には、注目に値する2つの利点があります。

• 回路負荷を最小限に抑えることで、オシロスコープ上で測定信号をより忠実に再現でき、回路動作への影響が少なくなります。
• 帯域幅が拡大します。これは、高速信号、特に方形波やパルス波のように高周波成分が目立つ信号を正確に測定するために重要です。

さらに、特定のアクティブプローブは、実際のオフセットを信号に加えることができます。この機能は、電源リップルのように、大きなDC信号に重畳している小さなAC信号を測定する場合に非常に役立ちます。