パッシブプローブとは？仕組み・特徴・選び方

パッシブプローブとは？仕組み・特徴・選び方

パッシブプローブは、抵抗器やコンデンサなどの受動部品で構成された、最も一般的なオシロスコープ用プローブです。外部電源を必要とせず、電子回路の動作確認、電源波形の観測、デジタル回路のデバッグなど、幅広い測定に使用されています。

ここでは、パッシブプローブの基本的な仕組み、減衰比による違い、プローブ補正、選定方法、使用上の注意点について解説します。

 

■パッシブプローブとは

パッシブプローブは、内部にトランジスタや増幅器などの能動素子を持たない電圧プローブです。一般的には、プローブ先端を回路上の測定ポイントに接続し、グランドリードを回路のGNDに接続して使用します。

主な構成部品は以下の通りです。

・　測定ポイントに接触させるプローブチップ
・　回路のGNDに接続するグランドリード
・　信号をオシロスコープへ伝送するプローブケーブル
・　周波数特性を調整する補正回路
・　オシロスコープへ接続するBNCコネクタ

構造が比較的シンプルで扱いやすく、多くのオシロスコープに標準で付属しています。

 

■パッシブプローブの動作原理

一般的なパッシブプローブは、プローブ内部の抵抗とオシロスコープの入力抵抗によって分圧回路を構成し、入力信号を一定の比率で減衰させてオシロスコープへ伝送します。

代表的な減衰比には以下があります。

・　1:1（1X）
・　10:1（10X）
・　100:1（100X）

10:1プローブの場合、プローブ先端に入力された信号を10分の1に減衰させてオシロスコープへ伝送します。例えば、プローブ先端に10Vの信号が入力された場合、オシロスコープの入力端子には1Vの信号が伝送されます。

オシロスコープ側のプローブ設定を「10X」に設定すると、減衰比が自動的に換算され、画面上には実際の測定値である10Vが表示されます。

 

■1:1プローブの特徴

1:1プローブは、測定信号を減衰させずにオシロスコープへ伝送します。

・　小振幅信号の測定に適している
・　プローブによる信号の減衰がない
・　入力抵抗は一般的にオシロスコープの入力抵抗と同程度
・　入力容量が比較的大きい
・　10:1プローブより周波数帯域が狭い場合が多い

1:1プローブは小さな信号を測定しやすい一方で、入力容量による回路への負荷が大きくなりやすいため、高速信号の測定には適さない場合があります。

 

■10:1プローブの特徴

10:1プローブは、一般的な電子回路の測定で最も広く使用されているパッシブプローブです。

・　入力信号を10分の1に減衰
・　1:1プローブより入力抵抗が高い
・　入力容量が比較的小さい
・　回路に与える負荷を抑えやすい
・　測定可能な電圧範囲が広い
・　1:1プローブより広い周波数帯域に対応

一方で、信号を10分の1に減衰させるため、微小信号を測定する場合は、オシロスコープ自身のノイズの影響が相対的に大きくなることがあります。

 

■プローブ補正とは

10:1パッシブプローブには、オシロスコープの入力容量に合わせて周波数特性を調整するための補正回路が設けられています。

補正が正しく行われていない場合、方形波が本来の形で表示されず、測定結果に誤差が生じます。

・　補正不足：方形波の角が丸くなる
・　適正補正：平坦で正しい方形波になる
・　過補正：立上り部分にオーバーシュートが発生する

補正を行う際は、プローブをオシロスコープ前面の校正信号出力端子に接続します。表示された方形波を確認しながら、付属の調整工具を使用してプローブの補正用トリマを調整します。

プローブを別のオシロスコープや別の入力チャンネルに接続した場合は、測定前に補正状態を確認することが重要です。

 

■入力抵抗と入力容量

パッシブプローブを回路に接続すると、プローブ自身の入力抵抗と入力容量が測定対象の回路に加わります。この影響を「プローブ負荷」と呼びます。

直流や低周波の測定では、主に入力抵抗が回路へ影響します。一方、周波数が高くなると入力容量の影響が大きくなり、測定ポイントの電圧を低下させたり、信号の立上りを遅くしたりすることがあります。

正確な測定を行うためには、以下の特性を確認する必要があります。

・　入力抵抗
・　入力容量
・　周波数帯域
・　立上り時間
・　減衰比

特に高インピーダンス回路や高速デジタル回路では、入力容量の小さいプローブを選ぶことが重要です。

 

■パッシブプローブの選定ポイント

パッシブプローブを選定する際は、測定対象とオシロスコープの仕様に合わせて、以下の項目を確認します。

・　プローブの周波数帯域
・　プローブの立上り時間
・　減衰比
・　入力抵抗と入力容量
・　最大入力電圧
・　オシロスコープの入力容量との補正範囲
・　コネクタとプローブ識別機能の互換性
・　プローブチップやグランドアクセサリの種類

プローブの周波数帯域がオシロスコープ本体の帯域幅より狭い場合、測定システム全体の帯域幅も制限されます。そのため、オシロスコープ本体だけでなく、プローブを含めた測定システム全体で性能を確認する必要があります。

 

■グランド接続の注意点

一般的なベンチトップ型オシロスコープでは、プローブのグランドリードが保護接地に接続されています。このため、グランドクリップを回路上のGND以外の場所に接続すると、短絡や感電、測定機器の損傷につながるおそれがあります。

また、グランドリードが長いと寄生インダクタンスが増加し、以下のような波形異常が発生しやすくなります。

・　リンギング
・　オーバーシュート
・　高周波ノイズの重畳
・　立上り波形の変形

高速信号を測定する場合は、グランドリードをできるだけ短くし、必要に応じてグランドスプリングを使用します。

 

■最大入力電圧の注意点

プローブに印加できる電圧は、プローブの最大入力電圧を超えてはいけません。また、最大入力電圧は周波数に関係なく一定とは限りません。

周波数が高くなるにつれて、許容される入力電圧が低下するプローブもあります。この特性は「電圧ディレーティング」と呼ばれます。

測定前には、以下の項目を必ず確認します。

・　最大入力電圧
・　測定カテゴリ（CAT）
・　周波数に対する電圧ディレーティング
・　オシロスコープ本体の最大入力電圧
・　測定対象で予想される過渡電圧

プローブとオシロスコープで最大入力電圧が異なる場合は、より低い方の定格を超えないようにします。

 

■まとめ

パッシブプローブは、外部電源を必要とせず、幅広い電圧測定に使用できる基本的なオシロスコープ用プローブです。特に10:1プローブは、入力抵抗が高く、入力容量を比較的小さくできるため、一般的な電子回路の測定に広く使用されています。

正確な波形を測定するには、プローブの帯域幅、減衰比、入力抵抗、入力容量、最大入力電圧を確認し、使用するオシロスコープに合わせて適切に補正することが重要です。また、高速信号の測定ではグランド接続をできるだけ短くし、プローブ負荷や寄生成分による波形への影響を抑える必要があります。

 

■T&Mコーポレーション株式会社の取り扱いプローブ

T&Mコーポレーション株式会社では、パッシブプローブ、アクティブプローブ、差動プローブ、高電圧プローブ、高電圧差動プローブ、電流プローブ、ロゴスキーコイル電流プローブ、光アイソレーション差動プローブなど、さまざまな用途に対応したプローブを取り扱っております。

測定対象の電圧・電流、周波数帯域、絶縁性能、使用するオシロスコープなどに応じて、適切なプローブをご提案いたします。プローブの選定、製品仕様、対応機種、お見積りなどについては、T&Mコーポレーション株式会社までお気軽にお問い合わせください。