補足 - オシロスコープのプローブ

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オシロスコープでプローブすることは、本来の信号電力の一部をオシロスコープへ分岐させることなので、分岐させる電力はなるべく小さくする必要がある。

市販のパッシブプローブは、線路のインピーダンス(10Ω)に対して、抵抗としては10MΩと十分大きいので直流電流はほとんど流れない。しかしこれだけ抵抗が大きいとプローブがGNDに対してもつ数10pFの寄生容量でさえ充放電できないので、プローブの先端に10pF程度のキャパシタをつけてC結合によって電圧変化を伝えるしくみになっている(補足)。 このため、例えば特性インピーダンス50Ωの線路をプローブすると、50Ωx10pF =0.5ns程度の時定数がついてしまい、クロックエッジの段差など高速な信号変化は見えない。

 

1 パッシブプローブの等価回路と測定波形

高速信号を見るだけならばアクティブプローブを買えばよいが、かなり高価、大きくて取り付けにくい、低温・高温では使えない、といった欠点がある。

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そんなとき便利なのが自作できる抵抗プローブ(50Ω同軸ケーブルの芯線に450Ω程度の直列抵抗をつけたもの)である。市販のパッシブプローブやアクティブプローブと違って、安価で、はんだ付けも簡単、ケーブル長も自由自在、である。

原理は、単純に信号を10%ぐらい分岐させてオシロスコープへ入れるだけである。オシロスコープ側がR2=50Ω終端に決まっているので同軸ケーブルも特性インピーダンス50Ωを選べば反射はない。分岐量が大きいので、本来の信号電圧が10%ぐらい低下してしまうが、TTLLVDSのようなデジタル信号ならばマージンの範囲内なので問題ない。

測定点の電圧Vmeasとオシロスコープ内の電圧Voscの比は次式で決まる。

電圧換算が簡単になるように1:10にしたければR1=450Ωだが、実際には470Ωか1kΩを選ぶとよい。取り付け時は、1/10に分岐させた信号にノイズが乗らないように同軸ケーブル端面からの芯線およびシールド線の引き出し長さは極力短くすること。

 

2 抵抗プローブの等価回路と測定波形

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(補足) パッシブプローブのしくみ

パッシブプローブの等価回路は次図のとおりで、測定点の電圧Vmeasとオシロスコープ内の電圧Voscの比が10:1になるように作られている。

まず直流では、本来の信号のインピーダンスより十分大きくなるようにMΩ程度とし、抵抗R1,R2の比は次式から決まり、R1=9MΩ,R2=1MΩ。

これだけ抵抗が大きいと、ケーブルの寄生容量の数10pFでさえ充放電できないので、プローブ先端にキャパシタC1を設けてC結合で電圧変化を伝えるようにしている。

キャパシタC1, (C0+C2)の比は次式から決まり、C1=10pF, (C0+C2)=90pF

このC1,(C0+C2)の比がぴったり合っていないと、次図のようにVosc1/10にならないので注意。

 

上記の等価回路では、ケーブルをキャパシタの集中定数で代用しているが、実際はケーブル長(20cm/nsぐらい)を無視できないので反射の影響を受けるはずである。

CQ出版の記事によるとケーブル芯線の抵抗をわざと大きくすることで反射を減衰させているそうである。ケーブルを損失線路(ltline)に置き換えてシミュレーションすると、等価回路と同じような波形になる。

 


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