オシロスコープ・プローブのしくみ

電子回路の分野ではさまざまな測定器が使われますが、オシロスコープは最もよく使われるものの一つです。オシロスコープではプローブを使って時間、周波数、電圧などの物理量を測定します。では、プローブはどのようにしてこれらを測定しているのでしょうか。

その答えを知るために、オシロスコープのプローブを分解して中を見てみましょう。プローブはシールド・ケーブル付きの BNC コネクタでオシロスコープに接続します。代わりに2本の電線でオシロスコープに接続すると、信号がひずんでしまいます。極端な場合、方形波を入力したのにのこぎり波のように表示されることもあります。なぜこのようなことが起こるのでしょうか。

オシロスコープは一般に、測定対象の回路への影響を抑えるため高い入力インピーダンスを持っています。そのため、プローブの BNC コネクタの先には1MΩの抵抗またはそれに相当する回路があります。入力部にはわずかな容量があり、これがフィルタを形成して、目に見える波形のひずみを生じさせます。この問題の解決方法はプローブの設計によって異なります。

一般に、オシロスコープのプローブには並列の可変コンデンサが使われており、ケーブル部分の影響を打ち消します。補償コンデンサを調整して理想的な状態にできるプローブもあります。オシロスコープに方形波の校正信号出力がある場合は、プローブをその端子に接続し、画面の方形波が最もきれいな「方形波」になるようコンデンサを調整します。容量が大きすぎるとプローブはローパス・フィルタとして働き、逆に小さすぎるとハイパス・フィルタとして働きます。最適な結果が得られるよう、注意して調整してください。

多くのプローブには、高い電圧を測定するために信号を減衰させる切り替え式の減衰器が付いています。例えば10倍の減衰を選んで1Vの信号を測定すると、オシロスコープには100mVと表示されます。表示される電圧が正しくなるよう、オシロスコープ側の入力設定をプローブと同じ減衰比に合わせてください。

プローブは測定対象の回路に影響を与えないよう高インピーダンスの回路になっていますが、低インピーダンスで測定する必要がある場合もあります。例えば50Ωの RF 出力回路は、一般的なオシロスコープ・プローブでの測定には向きません。BNC の T 分岐アダプタで50Ωの終端抵抗を接続し、もう一方を50Ω出力に直接接続する必要があります。