現実世界でのオシロスコープ・プローブの分析

オシロスコープのプローブは、オシロスコープをお持ちの場合、ラボ設定に不可欠な部分ですが、プローブが回路の挙動を理解したり、コンポーネントの性能を分析したりするために慎重に研究している信号にどのように影響を与えているかを考えたことはありますか？

この記事では、異なるオシロスコープのプローブを見て、性能を比較し、プローブが見ているものにどのように影響するかを見て、アプリケーションに最適なプローブを決定します。包括的な結果を得るために、私は高品質のプローブに加えて、AmazonやDigi-Keyで入手可能な最も安価なプローブもいくつか使用して違いを見ました。

利用可能な異なるオプションを見るとき、安価なプローブはすべて悪いと予想され、高価なプローブは一般的に良いとされていました。しかし、結果は驚くかもしれません。

オシロスコーププローブ分析

オシロスコーププローブの性能分析は、異なるプローブタイプについての詳細を発見し、実際のシナリオでの一連のプローブを使用して測定にどのように影響するかを理解することを目的としていました。

プローブの性能は、特に高速信号を見るときには特に重要であり、品質の悪いプローブは正確な波形を表示するだけでなく、その静電容量と誘導特性が監視しようとしている回路の動作に影響を与える可能性があります。したがって、どのプローブを使用しているか、そしてそれが測定しようとしている信号にどのように影響するかを理解することが非常に重要です。

プローブの違いによる問題は、特に多くの異なるタイプのプローブにアクセスできる大規模なラボで特に問題となる場合があります。回路をテストして記録した測定値は、他のプローブを使用して再測定すると異なる可能性があります。これは、公式の検証および検証テストに使用するテスト機器、プローブ、リードなどの完全な記録を保持する必要がある理由の1つです。

テストされたオシロスコープのプローブは以下の通りです：

• Rigol PVP2150 150MHzプローブ
• Rigol PVP2350 350MHzプローブ
• Keysight N2140A 200MHzプローブ
• Keysight N2889A 350MHzプローブ
• Keysight N2894A 700MHzプローブ
• Pico Technology TA375 100MHzプローブ
• Digilent P6100 460-004 100MHzプローブ
• Youmile P6100 100MHzプローブ
• YPioneer高電圧P4200 100MHzプローブ

オシロスコーププローブの説明

理想的なオシロスコーププローブは、回路基板上で測定される信号をオシロスコープで絶対的な忠実度で複製し、回路をロードしたり、ノイズが信号を劣化させたりすることなく表示します。現実には、常に何らかの信号歪み、ローディング、およびノイズが存在します。典型的なトレードオフは、予算の制約内で回路基板と測定された信号の両方に対する悪影響を最小限に抑えることです。

プローブには、主にパッシブプローブとアクティブプローブの2種類があります。名前が示すように、パッシブプローブは受動部品を使用して信号を減衰させ、測定される信号の最大電位差がオシロスコープの限界内に収まるようにします。最も単純な形態では、減衰のないパッシブプローブは実質的にワイヤーの長さです。アクティブプローブは、入力インピーダンスを最小限に抑え、感度を向上させるために、通常はオペアンプを基にしたアクティブ回路を使用します。理想的なプローブは、高い入力インピーダンスと低い入力容量を持っています。

通常、プローブはノイズを最小限に抑えるためにスクリーン付き同軸ケーブルを使用しますが、これはパッシブプローブの誘導特性と容量特性に影響を与えます。通常、プローブには、プローブが接続されている回路に与える影響を最小限に抑えるために、インピーダンスパラメータの手動調整を可能にする補償回路が含まれています。もちろん、このインピーダンスは周波数によって変化するため、測定される信号の周波数に補償を調整することが常に重要です。また、プローブヘッドとオシロスコープコネクタの間のケーブル長が測定に影響を与えることがわかります。特に帯域幅に関してです。この影響は、プローブリードが有用である程度の長さを持つ一方で、必要以上に長くない理由です。

一般的な電子回路基板では通常見られない高電圧測定などのアプリケーション用の特殊なオシロスコーププローブも利用可能です。これらには、ユーザーを電気ショックのリスクから保護するための安全機能が含まれています。

オシロスコーププローブを選択する際には、いくつかの重要な要因を考慮する必要があります。

• 帯域幅は、プローブが正確に測定できる効果的な最大周波数を定義し、信号の-3dB点を使用して指定されます。この周波数を大幅に超える信号は、最良の場合でも減衰して失われ、最悪の場合は極端に歪んで誤解を招く測定結果をもたらします。
• 立ち上がり時間は、プローブが正確に測定できる最速の過渡信号変化を定義し、基本的には急速に変化する信号の勾配の急さです。

オシロスコープとプローブは、正確に測定できる最大周波数と立ち上がり時間を制限します。これは、正確な立ち上がり時間が正方波信号の高周波信号成分の正確な測定に依存するデジタルクロック信号を見る際に、深刻な制限要因となる可能性があります。

プローブが正確に測定できる最大電位差は動的範囲です。これは一般に直流信号成分について指定され、信号周波数が増加するにつれて通常は減少します。共通モードと差動モードの動的範囲の値を指定する差動測定プローブが利用可能です。電源を測定するために設計されたプローブもあり、大きな直流信号に重畳された小さな交流信号を測定するように調整されています。

オシロスコーププローブのテストアプローチ

テストプロセスでは、広い周波数帯域にわたって利用可能な各種プローブに対して、ボード線図に基づく周波数応答分析が使用されました。プローブテストに使用されたオシロスコープは、このタイプのテストの内部機能を持っていますが、最大50MHzまでという制限があります。より広範囲で代表的な帯域幅を比較するために、Siglent SDG7102A 任意波形発生器が700kHzから700MHzの周波数をステップスルーするようにプログラムされました。プローブテストに使用されたオシロスコープが、このテスト帯域幅を制約しました。波形発生器はまた、上昇エッジの速度が500ピコ秒の信号を生成することができ、立ち上がり時間応答のテストを可能にしました。

テストの焦点は、単に高速正弦波を測定するのではなく、高速要素を持つ信号をプローブする典型的な使用ケースに主に置かれました。このテスト方法は、オシロスコーププローブの典型的な使用を代表し、回路設計者により価値ある結果を提供します。周波数応答分析がいくつかの興味深い洞察を提供したことがわかります。

テストの重要な側面の一つは、プローブの正しい補償を確保し、結果を相互に相関させて比較し、質的な性能評価を生成することでした。

オシロスコーププローブテストの発見

この記事の付随するビデオでテスト結果を最もよく見ることができます。そこでは、各プローブによって生成された波形を観察し、結果の違いや、場合によっては結果の違いがないことを見ることができます。

たとえば、指定帯域幅が150MHzと350MHzの2つのRigolプローブをテストした結果、周波数応答がほぼ同一であり、波形の形状と持続的なオーバーシュートを含んでいました。

これらの結果は、機能的には同一であり、単に異なるラベルが付けられていることを示唆しています。この結果は、これらのプローブのユーザーからの逸話的な証拠と相関しています。

主要な発見の一つは、帯域幅の結果であり、一部のプローブは、仕様値を大幅に超える-3dB点を示しました。たとえば、Rigolのプローブは、約750ピコ秒の上昇エッジを持つ信号を捕捉し、これは約460MHzの帯域幅に相当します。これは、指定された帯域幅150MHzと350MHzを超えています。興味深いことに、Keysight N2140A 200MHzプローブも約460MHzの観測帯域幅を持っていました。

Rigol結果の要約

Rigol PVP2150 150MHzプローブとRigol PVP2350 350MHzプローブは、ほぼ同一の測定波形を生成しました。

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Keysightの結果の概要

予算に優しいKeysight N2140Aは、工場補正が正確で、非常に速いエッジテストの測定結果を持つ2つのプローブパックとして提供されます。測定された波形はソーステスト信号と大いに相関し、優れた測定精度を提供しました。

より高い評価を受けたKeysight N2889A 350MHzプローブの観察では、安価なRigolモデルよりも信号波形に比べてより代表的な測定波形を生成したことが示されました。このプローブは、約460MHzの帯域幅にわたるエッジレートの例外的な波形表現を生成しました。しかし、そのコストは低価格のRigolオプションの5倍以上であるにもかかわらず、結果は著しく良くありませんでした。注目すべき点は、このプローブの入力容量が、低帯域幅のKeysightプローブテストよりも高いことであり、これは回路基板上の容量性負荷に敏感な点をプロービングする際に重要です。

トップレートのKeysight N2894A 700MHzは、予算プローブよりも約10倍の価格ですが、入力容量は約半分です。テスト結果は、上昇エッジの測定速度が約520MHzの帯域幅に相当することを示しました。しかし、この値は高インピーダンス入力のオシロスコープの帯域幅を超えているため、このプローブが200MHzプローブほど波形をよく表現していない可能性がありますが、オシロスコープのフロントエンドの帯域幅制限が原因かもしれません。理論上、700MHzのKeysightプローブが最良の選択肢であり、テストとプローブの校正の制限が解決された後の実世界ではそうである可能性があります。

この制限は、オシロスコープの帯域幅よりも速いコンポーネントを持つ信号を測定する際に重要です。テスト用オシロスコープの50オーム入力は、6.3GHzの帯域幅を持ち、テスト波形を生成するために使用された機能ジェネレーター信号の能力をはるかに超えています。予算に優しいN2140Aプローブは、一般的により高評価のN2894Aモデルよりもクリーンな波形を生成しました。

Pico Technologyの結果の概要

PicoTest USBオシロスコープシリーズ用のPico Technology TA375プローブは、比較的低い帯域幅を持ち、最も代表的でない波形を生成します。

テストの結果、立ち上がり応答は比較的速いが、大きな35%のオーバーシュートを含んでいます。テスト信号の立ち上がり時間を約2ナノ秒に減らすことで、オーバーシュートを許容範囲内に抑え、3ナノ秒まで下げた場合には比較的クリーンな測定信号を生成しました。

結論として、この低予算のプローブは、典型的に20MHzのオシロスコープと組み合わせて低周波数作業に優れています。

Digilentの結果の要約

予算カテゴリーにしっかりと位置づけられているのは、"P6100"とラベル付けされたDigilent 460-004で、後で見るYoumileプローブと同じモデル番号であることがわかります。

この100MHz帯域幅のプローブも、100MHzの正方波を測定したときに35%のオーバーシュートを示しました。しかし、この貧弱な性能は立ち上がり応答に限定され、測定された波形の残りの部分はテスト信号をかなり代表していました。

立ち上がりエッジを2.5ナノ秒以下に減らすことで、155MHzの帯域幅を表し、オーバーシュートを5%以下に下げましたが、これはまだ広告されている仕様よりもはるかに高いです。これらの低コストのプローブは、Analog Discoveryやその他のDigilent USBオシロスコープなど、帯域幅が最小限のオシロスコープを使用する場合に優れているかもしれません。

Youmileの結果の要約

Youmile P6100プローブの最初の印象は、指定された帯域幅が同じで、わずかに高価であるものの、Digilent 460-004プローブと視覚的に同一であることです。しかし、テストの結果、不十分な工場調整のために周波数応答が急激に低下し、Digilentプローブと比較して劣っていることが示されました。

プローブの調整を試みた結果、トリムコントロールがその移動の端に達し、プラスチックのトリムツールが損傷し、調整には金属のトリムツールが必要でした。

校正後、Youmileプローブのテスト結果は期待外れでした。100MHzの方形波を使用してテストした際、測定された信号はほとんど似ておらず、測定ツールとしては使用できませんでした。プローブの指定帯域内に周波数を大幅に下げても、テスト信号を十分に代表する測定波形を生成することはできませんでした。

Digilentプローブは、初見ではYoumileのものと同じに見えましたが、全体的にはるかに優れた結果を出しました。

YPioneer高電圧結果の要約

高電圧YPioneer P4200は、この一連のテストで標準プローブとの性能を観察するために含まれた唯一の100:1プローブです。他のプローブとの比較テストのみを実施し、安全上の理由から高電圧テストは含めませんでした。

全体として、予算の高電圧プローブは、指定された100MHzの帯域幅内で比較的代表的な波形を生成し、500ピコ秒の立ち上がりエッジを測定する際には期待を上回る性能を発揮しました。性能は約1.5ナノ秒の立ち上がり時間で低下しましたが、これはプローブの定格帯域幅の2倍に相当します。

Keysightテストの発見

全てのテストには、強力な実験室機器であるKeysight MXRオシロスコープを使用しました。一つのハイライトは、優れたプローブ校正機能でした。

スコープ・プローブ校正前

スコープ・プローブ校正後

全体として、プローブテストの結果は、Keysightの二番目に安価なN2889A 200MHzプローブが、他の全ての受動プローブを大きな差で上回り、周波数応答分析は最高ではありませんでしたが、最終的にプローブに求められるのは、ソーステスト信号と最も密接に一致する測定波形を生成することであり、それを実現しました。

プローブを回路に接続すると、プローブのインピーダンスのおかげで回路の挙動が変わる可能性があることを覚えておくことが重要です。回路を正確に調整するためにプローブを使用しても、プローブを外した途端に回路の挙動が変わってしまうと、その調整は無意味になります。プローブの静電容量や誘導特性も、ボード上の信号を歪ませたり減衰させたりして、問題を診断しようとする際の性能を低下させる可能性があります。

このテストから得られる教訓は、プローブを選択する際に帯域幅が全てではないということです。帯域幅は優れた出発点を提供しますが、考慮すべき多くの要因のうちの1つに過ぎません。プローブの挙動を理解することは、信号を測定する際に結果を正しく解釈するために重要です。

結論

全体的な結果から、比較的安価なブランド名の200MHzプローブが、一連のテストで他のすべてを上回る性能を発揮することが示されました。Keysight N2140Aは、最も性能が低い予算プローブの約3倍のコストしかかかりませんが、3倍以上の性能を提供します。そのため、安価なプローブは、オシロスコープを使用する目的である正確な測定を妨げるため、偽の経済を表しています。また、Keysight、Tektronix、Rohde and Schwarzなどの主要なブランド名のプローブでは、品質管理とプローブ間の一貫性について合理的な信頼を持つことができます。

最後に、ボードをテストする際のプロービング技術は、信号測定に大きな影響を与える可能性があります。すべてのプローブテストでは同じ技術が使用されており、比較テストでの効果を相殺しますが、オシロスコープを実際に使用する際には、最良の結果を得るために最適なプロービングの実践に従うことが常に重要です。