オシロスコーププローブとは？測定品質に関わる種類と選び方

「プローブ」とは、信号の検出と、オシロスコープまでの信号伝送を行う機器のことです。オシロスコープ用のプローブでは、測定対象に接触・接続するなどして信号を検出し、その信号を測定器へ伝送することで、波形や測定値を確認できます。

オシロスコープは電気信号の波形を映し出しますが、正確な測定を行うには、測定対象や条件に合ったプローブを使用することが重要です。プローブは信号の検出と伝送を担うため、本体を使いこなすうえで欠かせない機器のひとつです。

プローブの役割

それでは、プローブの役割について詳しく見ていきましょう。

測定対象への負荷を軽減する

オシロスコープにおけるプローブの重要な役割のひとつは、測定対象への負荷を軽減することです。電子回路の信号を測定する際は、測定対象にプローブを接触・接続するなどして信号を検出しますが、その際に回路へ負荷がかかり、測定結果に影響を及ぼすことがあります。

プローブは、測定対象への負荷をできるだけ抑えるように設計されています。測定対象や条件に合ったプローブを使用することで、回路への影響を抑えながら測定しやすくなります。ただし、回路への影響がゼロになるわけではありません。

測定に必要な周波数帯域を確保する

オシロスコープで測定する信号に必要な周波数帯域を確保することもプローブの重要な役割のひとつです。本体とプローブには、それぞれ測定できる周波数帯域が定められています。実際に測定できる周波数帯域は、オシロスコープ本体とプローブを組み合わせた測定系によって決まります。

そのため、測定する信号や波形に応じて、オシロスコープ本体との組み合わせを確認し、必要な帯域を備えたプローブを選択することが重要です。

外部で発生するノイズの影響を抑える

オシロスコープのプローブには、外部で発生するノイズの影響を抑える役割もあります。測定系には周囲からの外来ノイズが混入することがありますが、多くのプローブでは、シールド構造のケーブルなどによって、その影響を抑えられます。

このように、プローブは、観測波形への外来ノイズの影響を抑える役割も担います。

オシロスコープのプローブの仕組み

オシロスコープのプローブは、次のような仕組みで動作します。

高い入力インピーダンスにより回路への影響を軽減

電圧測定に用いる多くのプローブでは、高い入力インピーダンスにより、測定対象となる回路への影響を軽減します。その入力インピーダンスは、プローブの種類や減衰比、信号周波数などによって異なり、周波数が高くなると、入力容量による負荷の影響が大きくなることがあります。汎用オシロスコープ本体の入力抵抗は1MΩが一般的ですが、製品によっては50Ωに切り替えられるものもあります。測定対象や使用するプローブに応じて、オシロスコープ本体の入力条件とプローブの仕様が適合していることを確認し、適切な組み合わせで測定することが重要です。

方形波信号を用いて補正用コンデンサを調整する

受動電圧プローブの中には、プローブのケーブルやオシロスコープの入力特性による影響を含め、組み合わせた測定系の周波数特性を補正するため、補正用コンデンサが設けられているものがあります。プローブ補正用の方形波信号を測定し、波形が適切に表示されるよう、必要に応じて補正用コンデンサを調整します。

減衰比とアッテネータ設定を確認する

電圧プローブには、アッテネータによって測定信号を一定の比率で減衰させ、オシロスコープへ伝送するものがあります。測定した電圧値を正しく表示するには、プローブの減衰比がオシロスコープ側で正しく認識または設定されているかの確認が必要です。減衰比が正しく認識または設定されていないと、表示される電圧値が測定対象の実際の電圧値と一致しません。

オシロスコープの測定品質を左右するプローブ

オシロスコープの多様化や機能拡張に対応するために、さまざまなプローブが存在します。プローブは、オシロスコープの測定品質を大きく左右します。そのため、必要な性能や機能に応じて、オシロスコープ本体に適合するプローブを選択することが重要です。

本記事では、プローブに関する基礎的な知識と選択のヒント、そして利用頻度が高い受動電圧プローブと電流プローブについてご紹介します。

オシロスコーププローブの種類は、測定対象や用途に応じて多岐にわたります。主要メーカーでは、電圧・電流の別、周波数帯域、測定範囲、減衰比、接続方式などに応じて、幅広い製品を展開しています。

※図は代表的な分類例です。図中の数値や説明は一例であり、最大入力電圧、減衰比、周波数帯域、DC測定への対応などは、製品や検出方式によって異なります。実際の測定では、各製品の仕様をご確認ください。

オシロスコーププローブは、測定する信号の振幅や種類に応じて使い分ける必要があります。電圧測定に使用する電圧プローブは、代表的には受動プローブと能動（アクティブ）プローブに分けられます。受動プローブには汎用受動プローブや高電圧受動プローブがあり、能動プローブには高電圧差動プローブ、差動プローブ、シングルエンドのアクティブプローブなどがあります。高電圧受動プローブと高電圧差動プローブは、いずれも高電圧プローブとして扱われます。なお、能動プローブにも減衰比を持つ製品があります。

電流測定に使用する電流プローブには、代表的なものとして、電流トランス方式などを用いるAC測定用の受動電流プローブや、ホール効果センサなどを用いてAC/DC測定に対応する能動電流プローブがあります。

このように多くの種類があるのは、測定対象や用途に加え、オシロスコープの機種や機能が多種多様であることも理由のひとつです。同じ種類のプローブでも、周波数帯域、測定範囲、減衰比、電源方式、接続インターフェースなどが異なる製品があります。

オシロスコーププローブの選び方

オシロスコーププローブを選ぶ際は、測定対象が電圧か電流か、必要な周波数帯域、測定範囲、測定対象への負荷、オシロスコープ本体との適合性を確認します。

また、プローブを測定対象に接続・装着すると、程度の差はあるものの、測定対象や信号に影響を与える可能性があります。そのため、理想的なプローブの条件を踏まえたうえで、測定対象や用途に適したプローブを選択する必要があります。

理想的なプローブとは？

• 接続が容易で、扱いやすい
• 信号を変化させずに忠実に伝送できる
• 信号源に負荷を与えない
• 外来ノイズの影響を受けない

ただし、実際のプローブでこれらの条件をすべて完全に満たすことはできません。選定時には、周波数帯域、測定範囲、入力抵抗・入力容量などのプローブ仕様に加え、オシロスコープ本体の入力仕様や接続インターフェースとの適合性を確認する必要があります。また、減衰比やスケールの自動認識、リードアウト、波形ID、プローブ電源など、組み合わせによって利用できる機能も確認し、測定対象や用途に適したプローブを選択することが重要です。

※図はプローブ選択の一般的な目安です。図中の数値や選択条件、接続方法に関する説明は一例であり、必要な周波数帯域、測定範囲、入力負荷、接続方式などは、信号の波形や立ち上がり時間、測定対象、製品仕様、オシロスコープとの組み合わせによって異なります。実際の選定では、各製品の仕様とメーカーの推奨条件をご確認ください。