プローブ仕様書の見方と選定時の確認項目

プローブ仕様書の見方と選定時の確認項目

オシロスコーププローブを選定するときは、帯域幅や最大入力電圧だけでなく、入力容量、立上り時間、ノイズ、ダイナミックレンジ、安全定格などを総合的に確認する必要があります。

仕様書に記載された最大値や代表値だけで判断すると、測定対象に接続できても、必要な波形精度や安全性を確保できない場合があります。

　
　
■プローブ仕様書とは

プローブ仕様書は、プローブの電気性能、機械仕様、使用環境、対応機種、安全定格などを記載した資料です。

資料の名称には、次のようなものがあります。

・　データシート
・　仕様書
・　カタログ
・　ユーザーマニュアル
・　取扱説明書
・　選定ガイド
・　互換表
・　安全説明書
・　アプリケーションノート

製品概要だけを掲載したカタログでは、詳細な使用制限が省略されている場合があります。最終的な選定では、仕様書と取扱説明書の両方を確認します。

　
　
■保証仕様と代表値の違い

仕様書に記載される数値には、保証値、代表値、公称値、参考値などがあります。

・　保証仕様：規定条件下でメーカーが保証する値
・　代表値：複数の製品で一般的に得られる値
・　公称値：製品を分類または表現するための名目値
・　参考値：設計や使用の参考として示される値
・　最大値：超えてはならない上限値
・　最小値：満たすことが保証される下限値

「Typical」「Nominal」「Characteristic」などの表記は、保証仕様ではない場合があります。

　
　
■仕様が適用される条件

測定性能は、温度、ウォームアップ時間、オシロスコープ、アクセサリなどの条件によって変化します。

仕様表の脚注には、次のような条件が記載される場合があります。

・　周囲温度
・　湿度
・　ウォームアップ時間
・　校正後の経過時間
・　指定オシロスコープとの組み合わせ
・　指定入力レンジ
・　指定プローブチップ
・　ケーブル長
・　終端インピーダンス
・　帯域制限の有無

数値だけでなく、仕様が成立する条件と脚注を必ず確認します。

　
　
■プローブの種類を確認する

最初に、測定対象に適したプローブ方式を確認します。

・　パッシブプローブ：一般的な接地基準信号
・　アクティブプローブ：高速・低負荷測定
・　差動プローブ：2点間の差動電圧
・　高電圧差動プローブ：高い差動・コモンモード電圧
・　光アイソレーションプローブ：高dv/dt環境の微小信号
・　電流プローブ：電流波形
・　ロゴスキーコイル：大電流・高速パルス電流
・　ロジックプローブ：複数のデジタル信号
・　近磁界・近電界プローブ：EMIノイズ源の探索

測定対象の信号形式と基準電位を確認してから、個別の仕様を比較します。

　
　
■帯域幅の見方

帯域幅は、プローブが信号を規定された振幅誤差内で伝送できる周波数範囲です。一般的には、振幅が低周波時より3dB低下する周波数で示されます。

選定時には、次の帯域幅を区別します。

・　プローブ単体の帯域幅
・　指定オシロスコープとのシステム帯域幅
・　アクセサリ装着時の帯域幅
・　選択レンジごとの帯域幅
・　上限周波数
・　下限周波数

高帯域プローブでも、長い入力リードやクリップを使用すると帯域幅が低下する場合があります。

　
　
■システム帯域幅とは

実際の測定帯域は、プローブとオシロスコープを組み合わせたシステムとして決まります。

プローブとオシロスコープのうち、帯域幅が低い方だけで単純に決まるのではなく、両方の周波数応答が組み合わされます。

仕様書に「System Bandwidth」と記載されている場合は、対象となるオシロスコープ、入力チャンネル、アクセサリなどの条件を確認します。

プローブ単体の帯域幅が十分でも、使用するオシロスコープによって性能が制限される場合があります。

　
　
■立上り時間の見方

立上り時間は、ステップ信号に対するプローブの応答速度を示します。一般的には、波形が最終値の10％から90％へ変化するまでの時間で表されます。

確認すべき項目は、次のとおりです。

・　プローブ単体の立上り時間
・　システム立上り時間
・　使用アクセサリによる変化
・　オーバーシュート
・　リンギング
・　整定時間

高速パルスでは、帯域幅とともに時間領域の応答も確認します。

　
　
■減衰比の見方

減衰比は、プローブ入力信号をどの程度小さくしてオシロスコープへ伝送するかを表します。

代表的な減衰比には、次のものがあります。

・　1X
・　10X
・　20X
・　50X
・　100X
・　500X
・　1,000X

減衰比が大きいほど高い電圧に対応しやすくなりますが、オシロスコープへ届く信号も小さくなります。そのため、微小信号ではノイズや分解能の影響が大きくなる場合があります。

　
　
■入力抵抗の見方

入力抵抗は、直流および低周波において、プローブが測定対象へ与える抵抗性負荷を示します。

入力抵抗が測定対象の出力抵抗に対して十分に高くない場合、分圧によって測定点の電圧が低下します。

仕様書では、次の表記を確認します。

・　プローブ先端における入力抵抗
・　差動入力間の抵抗
・　各入力からグランドまでの抵抗
・　減衰レンジごとの入力抵抗
・　直流時の入力抵抗

差動プローブでは、差動インピーダンスとコモンモードインピーダンスを区別します。

　
　
■入力容量の見方

入力容量は、高速信号や高インピーダンス回路へ与える負荷を判断する重要な仕様です。

信号周波数が高くなるほど容量性インピーダンスが低下するため、数pFの入力容量でも測定波形を変化させる場合があります。

確認すべき項目は、次のとおりです。

・　プローブチップにおける入力容量
・　差動入力間の容量
・　各入力からグランドまでの容量
・　アクセサリを含む入力容量
・　周波数に対する入力インピーダンス

仕様書に記載された入力容量が、どのチップやアクセサリを使用した値かを確認します。

　
　
■入力インピーダンス曲線の見方

入力抵抗と入力容量だけでは、広い周波数範囲におけるプローブ負荷を完全に判断できません。

仕様書に入力インピーダンス対周波数のグラフがある場合は、実際の信号周波数におけるインピーダンスを確認します。

高周波では、入力インピーダンスが低下したり、寄生成分によって共振が現れたりする場合があります。

測定対象の出力インピーダンスと比較し、許容できる負荷かを判断します。

　
　
■最大入力電圧の見方

最大入力電圧は、プローブへ加えることができる電圧の上限です。

次の仕様は同じ意味ではありません。

・　最大DC入力電圧
・　最大AC RMS電圧
・　最大ピーク電圧
・　DC＋ピークAC電圧
・　最大差動入力電圧
・　各入力から接地までの最大電圧
・　非破壊最大入力電圧
・　測定可能範囲

信号の定常値だけでなく、オーバーシュート、アンダーシュート、サージなどを含む最大ピークを確認します。

　
　
■電圧ディレーティング曲線の見方

プローブの許容入力電圧は、周波数が高くなると低下する場合があります。

仕様書に電圧対周波数のディレーティング曲線がある場合、測定信号の周波数における許容電圧を確認します。

方形波やスイッチング波形では、基本周波数だけでなく、高速な立上り・立下りに含まれる高周波成分も考慮します。

帯域幅内の信号であっても、最大入力電圧で測定できるとは限りません。

　
　
■差動測定範囲の見方

差動測定範囲は、プラス入力とマイナス入力の間で、正確に測定できる電圧範囲です。

仕様書では、次の項目を区別します。

・　差動入力レンジ
・　最大差動入力電圧
・　非破壊差動入力電圧
・　入力レンジごとの感度
・　オフセット使用時の測定範囲

差動測定範囲を超えると、波形のクリッピング、アンプの飽和、回復時間などが発生する場合があります。

　
　
■コモンモード電圧範囲の見方

コモンモード電圧範囲は、差動プローブの両入力に共通して加えることができる電圧範囲です。

差動電圧が小さくても、コモンモード電圧や各入力から接地までの電圧が定格を超える場合があります。

確認すべき項目は、次のとおりです。

・　コモンモード電圧範囲
・　各入力から接地までの最大電圧
・　連続動作電圧
・　最大フローティング電圧
・　周波数ディレーティング
・　過渡電圧定格

これらのうち、すべての条件を満たす必要があります。

　
　
■CMRRの見方

CMRRは、差動プローブが両入力に共通する信号をどの程度除去できるかを表します。

CMRRは比率またはdBで表示され、一般に周波数が高くなるほど低下します。

確認時には、次の値を区別します。

・　DCにおけるCMRR
・　低周波におけるCMRR
・　スイッチング周波数におけるCMRR
・　高速エッジに相当する周波数でのCMRR
・　指定アクセサリ使用時のCMRR

高コモンモード電圧下で微小信号を測定する場合は、高周波CMRRが特に重要です。

　
　
■ダイナミックレンジの見方

ダイナミックレンジは、プローブが線形性と波形精度を保ちながら測定できる差動信号の範囲です。

最大入力電圧や非破壊入力電圧とは異なります。

ダイナミックレンジを超えると、プローブが破損しなくても、次の問題が発生します。

・　波形のクリッピング
・　ゲイン誤差
・　波形歪み
・　アンプ飽和
・　回復時間の増加
・　オフセット誤差の増加

入力レンジごとのダイナミックレンジを確認します。

　
　
■オフセット範囲の見方

オフセット範囲は、一定の直流成分を表示上で相殺し、その上に重畳する小さな変動成分を拡大表示するための範囲です。

例えば、48Vの直流電圧に重畳した100mVのリップルを測定するときに有効です。

確認すべき項目は、次のとおりです。

・　設定可能なオフセット範囲
・　入力レンジごとのオフセット範囲
・　オフセット精度
・　オフセット分解能
・　オフセットドリフト
・　ダイナミックレンジとの関係

オフセットを設定しても、プローブ入力へ実際に加わる電圧は変わりません。

　
　
■ノイズ仕様の見方

微小信号測定では、プローブ自身のノイズが測定限界を決める場合があります。

ノイズ仕様には、次のような表記があります。

・　入力換算RMSノイズ
・　ピーク・ツー・ピークノイズ
・　ノイズ密度
・　帯域制限時のノイズ
・　レンジごとのノイズ
・　オシロスコープを含むシステムノイズ

ノイズ値は測定帯域によって変化します。数値だけでなく、帯域幅、レンジ、終端などの測定条件を確認します。

　
　
■ゲイン精度とオフセット精度

ゲイン精度は、入力信号の変化に対して表示振幅がどの程度正確かを示します。オフセット精度は、基準位置または直流レベルの誤差を示します。

測定誤差を評価するときは、次の要素を組み合わせます。

・　プローブのゲイン誤差
・　オシロスコープの垂直軸誤差
・　オフセット誤差
・　ノイズ
・　温度ドリフト
・　CMRRによる誤差
・　アクセサリによる誤差

プローブ単体の精度だけでなく、測定システム全体の誤差を考慮します。

　
　
■温度ドリフトの見方

プローブ内部のアンプ、ホール素子、抵抗などの特性は、温度によって変化します。

温度ドリフトは、周囲温度または内部温度の変化によって、ゲインやゼロ点がどの程度変動するかを示します。

微小な直流信号や長時間測定では、次の仕様を確認します。

・　ゼロ点温度係数
・　ゲイン温度係数
・　オフセットドリフト
・　ウォームアップ時間
・　動作温度範囲
・　校正が保証される温度範囲

温度条件が仕様範囲内でも、測定途中の温度変化によって誤差が発生する場合があります。

　
　
■プローブの位相特性

電圧と電流から電力を計算する場合や、複数の波形を比較する場合は、振幅特性だけでなく位相特性も重要です。

確認すべき項目には、次のものがあります。

・　位相誤差
・　伝搬遅延
・　群遅延
・　チャンネル間スキュー
・　周波数に対する位相特性
・　デスキュー可能範囲

電圧プローブと電流プローブの伝搬遅延差は、専用治具を使用して補正します。

　
　
■電流プローブの最大電流

電流プローブでは、次の電流定格を区別します。

・　連続最大電流
・　最大ピーク電流
・　最大RMS電流
・　周波数に対する最大電流
・　温度に対する最大電流
・　アンペア秒積
・　直流と交流の組み合わせ条件

ピーク電流が定格内でも、パルス幅、デューティ比、直流バイアスなどによって測定限界を超える場合があります。

　
　
■電流プローブの感度とノイズ

電流プローブの感度は、1A当たりに出力する電圧で表されることがあります。

例えば、100mV/Aのプローブでは、1Aに対して100mVを出力します。

選定時には、次の項目を確認します。

・　出力感度
・　選択可能な測定レンジ
・　最小検出電流
・　RMSノイズ
・　ピーク・ツー・ピークノイズ
・　ゼロドリフト
・　最大出力電圧

大電流測定用プローブは、微小電流に必要な感度を持たない場合があります。

　
　
■挿入インピーダンスの見方

電流プローブは導体を切断せずに測定できますが、磁気コアを装着することで、測定回路へわずかなインピーダンスを追加します。

仕様書に挿入インピーダンス対周波数のグラフがある場合は、測定周波数における値を確認します。

高周波、低インピーダンス、大電流の回路では、わずかな挿入インピーダンスでも回路動作へ影響する場合があります。

　
　
■最大導体径と機械仕様

電流プローブやクランプ式センサーでは、最大測定電流だけでなく、導体を物理的に挟めるかを確認します。

・　最大導体径
・　開口寸法
・　バスバー対応寸法
・　クランプ外形
・　プローブ重量
・　ケーブル長
・　最小曲げ半径
・　コネクタ形式

周辺部品や筐体との干渉を含め、実際の測定場所へ装着可能かを確認します。

　
　
■測定カテゴリと安全規格

プローブ仕様書では、最大入力電圧とともにCAT定格を確認します。

代表的な表記には、次のものがあります。

・　CAT II 1,000V
・　CAT III 600V
・　測定カテゴリなし
・　IEC 61010-031適合
・　IEC 61010-2-032適合

定格電圧が高くても、測定場所に必要なCAT定格がなければ使用できない場合があります。

プローブ、リード、クリップ、アダプタの中で最も低い定格が、測定システム全体の上限です。

　
　
■絶縁仕様の見方

絶縁型プローブでは、次の仕様を区別して確認します。

・　連続動作電圧
・　最大フローティング電圧
・　絶縁耐電圧
・　インパルス耐電圧
・　基本絶縁
・　二重絶縁
・　強化絶縁
・　汚染度
・　最大使用高度

高い絶縁耐電圧が記載されていても、その電圧を連続して測定できるとは限りません。

　
　
■動作環境の見方

プローブの性能と安全性は、規定された環境条件を前提としています。

仕様書では、次の条件を確認します。

・　動作温度
・　保管温度
・　相対湿度
・　最大使用高度
・　汚染度
・　結露の有無
・　屋内または屋外使用
・　耐振動・耐衝撃
・　電磁環境

高温、高湿度、高地、導電性粉じんのある環境では、電圧定格や絶縁性能が低下する場合があります。

　
　
■対応オシロスコープの確認

専用インターフェースを持つプローブでは、対応するオシロスコープ型名を確認します。

次の条件によって、使用可能な機能が変わる場合があります。

・　オシロスコープのシリーズ
・　インターフェースの世代
・　入力チャンネル
・　ファームウェアバージョン
・　必要な変換アダプタ
・　プローブ電源容量
・　同時接続台数
・　ソフトウェアオプション

同じメーカーの製品でも、すべての組み合わせに互換性があるとは限りません。

　
　
■標準アクセサリの確認

プローブ本体価格に含まれる標準アクセサリを確認します。

代表的な標準アクセサリには、次のものがあります。

・　プローブチップ
・　グランドリード
・　グランドスプリング
・　フックチップ
・　入力リード
・　ワニ口クリップ
・　調整工具
・　保護キャップ
・　収納ケース
・　取扱説明書

製品写真に写っているすべてのアクセサリが標準付属とは限りません。

　
　
■オプションアクセサリの確認

測定用途によっては、別売アクセサリが必要です。

・　PCBはんだ付け式チップ
・　高電圧クリップ
・　長尺入力リード
・　SMA変換アダプタ
・　プローブホルダー
・　デスキュー治具
・　専用プローブ電源
・　インターフェース変換アダプタ
・　交換用チップ
・　校正用治具

オプションアクセサリを使用すると、帯域幅、入力容量、最大電圧、安全定格などが変化する場合があります。

　
　
■注文情報の見方

注文情報には、プローブ本体、アクセサリ、電源、校正オプションなどの型名が記載されています。

確認すべき項目は、次のとおりです。

・　正確な製品型名
・　帯域幅またはレンジの違い
・　コネクタ仕様
・　ケーブル長
・　地域別の電源コード
・　標準付属品
・　必要な別売品
・　校正証明書の有無
・　保証期間
・　納入形態

型名末尾の記号によって仕様や付属品が異なる場合があります。

　
　
■用途から仕様を整理する

プローブ選定前に、測定条件を整理します。

・　測定する信号の種類
・　最大電圧または最大電流
・　最小信号レベル
・　信号の立上り時間
・　必要な帯域幅
・　差動またはシングルエンド
・　コモンモード電圧
・　必要なCMRR
・　測定対象の出力インピーダンス
・　測定場所のCAT区分
・　使用するオシロスコープ
・　必要な接続アクセサリ

測定条件を数値化すると、候補製品を比較しやすくなります。

　
　
■仕様比較でよくある誤り

プローブ仕様を比較するときは、次の誤りに注意します。

・　帯域幅だけで選ぶ
・　最大入力電圧だけで選ぶ
・　代表値と保証値を同じように扱う
・　低周波CMRRだけを比較する
・　入力容量を確認しない
・　アクセサリ使用時の性能低下を考慮しない
・　オフセット範囲と最大入力電圧を混同する
・　CAT定格を確認しない
・　対応オシロスコープを確認しない
・　仕様表の脚注を読まない

同じ数値でも、測定条件や定義が異なる製品を単純に比較できない場合があります。

　
　
■最終選定時のチェックリスト

プローブを注文する前に、次の項目を確認します。

・　測定信号に適したプローブ方式である
・　システム帯域幅が十分である
・　立上り時間が十分に短い
・　入力容量と入力抵抗が許容範囲である
・　最大入力電圧と電流に余裕がある
・　周波数ディレーティングを満たしている
・　差動レンジとコモンモード範囲を満たしている
・　必要な高周波CMRRがある
・　ノイズとダイナミックレンジが適している
・　安全定格とCAT区分が適切である
・　オシロスコープとの互換性がある
・　必要なアクセサリがそろっている

不明な仕様は、購入前にメーカーまたは販売元へ確認します。

　
　
■まとめ

プローブ仕様書では、帯域幅、立上り時間、減衰比、入力抵抗、入力容量、最大入力電圧、ダイナミックレンジ、ノイズなどを総合的に確認します。

差動プローブでは差動電圧、コモンモード電圧、高周波CMRR、電流プローブではピーク電流、連続電流、アンペア秒積、導体径などが重要です。

数値だけでなく、保証値か代表値か、どのオシロスコープやアクセサリを使用した値か、温度や周波数などの適用条件も確認することが、適切なプローブ選定につながります。

　
　
■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、高電圧差動プローブ、光アイソレーションプローブ、電流プローブ、ロジックプローブ、近磁界・近電界プローブおよび各種アクセサリを取り扱っています。

測定対象、信号レベル、帯域幅、入力容量、コモンモード条件、安全定格および使用するオシロスコープに応じて、仕様書を比較しながら適切な製品をご提案します。製品選定や仕様の確認についても、お気軽にお問い合わせください。