オシロのプローブについて

質問

オシロのプローブは、100MHz用、200MHz用・・・といろいろあり、価格もそれなりに高価になって行きます。
（倍、倍・・という感じ(-_-;)）

どういうところが違うのでしょうか？

ケーブルの材質からいえば、例えばポリエチーテフロンの違いがあるとしても一段階で終わるはずで、このように多様な価格が付く理由が納得できません。
コネクタ部が異なるにしても、これだけ大きな価格差の要因とは考えられません。（高がBNC）
プローブ本体に大きな違いがあるのでしょうか？

例えば、400MHzの測定に100MHz用のプローブを使ったのでは、問題にならないくらい大きな差が出るでしょうか？
どういうところで”差が出た”と実感されるでしょうか？

なるべく詳しいご回答をお願いいたします。

回答No.7

vq100mg · ベストアンサー

ANo.6のお礼欄の内容に関してですが、誤解が生じていないか気ががりです。

> それにしても、5pFのケーブルというのが本当にあるのですか？
> すごいですね。
> 想像もつきません。
>（でも1GHzでは30Ωになる。(^_^;)）

ANo.3の方のおっしゃる 5pF というのは分圧を前提としたプローブ入力容量の事でしょうから、実現可能範囲だと思いますよ。　一方で、もしケーブル自体を、5pF/m にしようとすれば、1：100万 オーダの内外径比が要求されますから、これは不可能でしょう。

この入力容量 5pF ですが、確かに 10MΩ//5pF のような表現を鵜呑みにすれば 1GHz で 30Ω でしょう。　しかし、高域における等価回路はそうなりませんよね。　共振のダンプされた伝送ラインが後ろに繋がっている事に注目して下さい。　原理的には、その特性インピーダンス以下には成らないように思いますが・・・。

回答No.8

info22

#3です。
実際のオシロの広帯域（高周波用）オシロのプローブの入力容量（同軸部の容量ではありません。プローブの入力端子からプローブ内部を見た等価入力容量（実測可能な容量）です。下記URL参照）はパッシブプローブでは
参考URLにあるように実際に市販されている製品では
プローブの入力容量としては5pF程度が限界のようです。物理的な構造からいってもその位が限度です。プローブの等価回路は次のURLを参考にしてください。
ttp://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20070905/138795/?ST=measurement_PRINT
高周波帯域信号の測定の場合、プローブは測定系の容量とオシロの入力容量の影響も考考慮に入れないといけなくなって、プローブの長さは必然と短く（1m以下）,同軸部の芯線もの微細化と抵抗線の使用（反射波を減衰させる）などの高度な工夫がなされます。プローブのアース線も極力短かくなり、同時に測定回路でのアースのとり方も工夫が必要になります。
広帯域オシロを使いこなすには、プローブとオシロが幾ら広帯域でも測定技術が伴わないと、正確な波形の測定ができませんね。
プローブの細さ（加工技術と強度）や芯線の材料や構造（細さと強度）に限界がありますね。その限界が実用オシロでは5pF程度の製品がでているという事ですが、限界技術ですのでオシロごとにあわせてプローブの設計調整をしていて、他のプローブで間に合わせることができない世界になりますね。

更に広帯域プローブになるとプローブの入力容量を減らす為プローブの先端をFET入力の回路（FET入力では入力容量を１ｐF以下も可能）にして信号を受けてからインピーダンス変換してオシロの入力端子に接続する方式の
FET入力のアクティブプローブが使われます。それなら入力容量は更に小さくでき、市販オシロで測定帯域も10GHz以上までありますね。参考URL参照。

参考URL：

http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-6162JAJP.pdf

お礼

多くの方から素晴らしいご回答をいただき感謝に堪えません。
プローブに対する理解がかなり深まりました。
ポイントがお二方にしか差し上げられないことを申し訳なく
思っております。

有難うございました。

回答No.6

vq100mg

プローブケーブルの特徴としての低容量は、No.3 の方のおっしゃる通りだと思います。　ポリエチレンの50Ω ケーブルは、約100pF/mですが、これだと 10：1 では入力容量 10pF の 1.5m プローブが実現できません。　もう一つの特徴は芯線が抵抗線になっているところでしょう。　内外径比を 30 倍まで頑張った同軸 Air-Line でも特性インピーダンスは高々 200Ω です。　オシロスコープの入力端子のインピーダンス（例：1MΩ//30pF ）やプローブの入力インピーダンス（例：10MΩ//10pF ）から想像できるように、プローブの伝送ラインは整合されてはいません。　にもかかわらず、反射による波形の乱れや周波数特性のうねりが生じないのは高損失の伝送ラインのおかげでしょう。

とても細く硬めの単線が、誘電体に緩く支持されていたような記憶があります。　それが一般的かどうかはわかりませんが、適度な抵抗率で曲げの繰り返しに耐えられる材質や支持構造が採用されていることでしょう。

抵抗線損失ケーブルを用いた特性を回路シミュレータで試行錯誤してみるとおもしろいです。　抵抗線であることによって最初の難関 1/4 λ の共振は難なく越えられます。　100MHz、1.5m 長くらいの実現は割と簡単です。では 400MHz はどうでしょう。

500MHz、1.5m プローブの等価回路なるものが見つかりました：
http://www.home.agilent.com/agilent/faqDetail.jspx?cc=JP&lc=jpn&ckey=577108&nid=-536902770.0.00&id=577108
BNC端子側の補正回路も教科書的なものよりやや複雑になっています。　これを参考に、特性インピーダンス 150Ω、25pF/m、600nH/m、200Ω/m 付近で少しいじってみましたが、6dB リップル程度で行き詰まりました(波形観測という点では位相特性も評価の対象にすべきですが)。　根気が足りないだけかもしれませんが、一方、何か等価回路に記載されてないノウハウがあるのかもしれません。　例えば抵抗線の抵抗値が周波数の関数ならば自由度は増します。　抵抗率の違う材料を多重メッキすれば表皮効果と共にそんな特性が実現できるでしょう。　ただそれが大きなコストアップになるかどうかまではわかりません。　価格の違いは、販売数量とか開発費とか、また戦略にもよるかと思いますがいかがでしょう。

お礼

多くの方からご回答をいただき感謝しております。

特に、ANo.3,5,6さんのご回答は十分納得行くものです。
・・・が、未だ２，３疑問な点がありますので、しばらく時間を下さい。

それにしても、5pFのケーブルというのが本当にあるのですか？
すごいですね。
想像もつきません。
（でも1GHzでは30Ωになる。(^_^;)）

回答No.5

tohoho2

>例えば、400MHzの測定に100MHz用のプローブを使ったのでは、問題になら
>ないくらい大きな差が出るでしょうか？どういうところで”差が出た”と実>感されるでしょうか？

http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-7337JAJP.pdf
の9ページの「3. プローブはオシロスコープ以上に注意が必要」が参考になります。

回答No.4

outerlimit

質問者は　かなりの知識をお持ちの様ですが　実務が少ないと思われますね

高周波で広帯域に亘って　インピーダンスを一定に保つのは至難の業です

そのために、材料を吟味し、回路を検討します

要求帯域が2倍になれば、従来の材料・技術では対応できない場合が多く有ります
それが　高価になる理由です

インピーダンスが5％変わった場合に　測定にどの程度を影響を与えるかを試算してください
（プローブが被測定回路から無視できるくらい高インピーダンスの場合とインピーダンス整合を行っている場合の)

回答No.3

info22

高周波プローブになるほどプローブの太さが細くなること、
それに伴い、プローブの同軸部分の芯線が細くなり、外皮のメッシュ導体の網目も微細化し精緻な製造技術が要求されます。
高周波プローブは高い周波数まで信号周波数を通す必要がありますが、プローブの等価回路は構造的な浮遊容量を持っていてローパスフィルターの特性を持っています。ローパスフィルターのカットオフ周波数を高く持っていくために、この浮遊容量を減らす為にプローブの芯線が非常に細くなります。
ローパス特性の高周波遮断ひずみできるだけ減らす為、補償コンデンサーがついています（10:1プローブの場合）。1:1のプローブの場合は補償コンデンサーもつけられません。
プローブの入力端の容量は10pF,5pFと高周波プローブになるほど容量を小さくしないと、高周波測定信号をプローブ端子のコンデンサー分でショートする形になって、プローブを接続することにより、高周波信号源に影響を与えるてしまうことになります。測定系はプローブを接続する事で高周波信号源の信号に影響を与えないこと。あるいは無視できるほどの影響しか与えないこと。それが測定の原則です。
高周波プローブはプローブの容量分を減らす為に同軸部の芯線を
細く加工する事が要求されます。また高周波測定用ほどプローブの芯線が細くなりますので、取り扱いを丁寧にしないと芯線が断線して使えなくなります。
400MHzプローブを100MHzオシロに使っても使えますが、プローブが繊細なため取り扱いに注意しないといけません。芯線は髪の毛よりずっと細くなります。
逆に100MHzプローブを400MHzオシロに使う場合はオシロは100HHzオシロとしての信号の測定しかできなくなります。400MHzの信号源に対して100MHzプローブ端子のプローブ容量が大きすぎて高周波分をショートして信号源の波形は小さくなまった（ローパスファイルター効果）波形になって、オシロに表示される波形が、プローブを測定しない場合の本来の高周波信号波形より、振幅は小さく、波形はなまったものになって、高周波波形の観察の価値が低減してしまいます。つまり波形の概形が見えるけれど、それは本来の測定したい高周波信号ではなくなっている。という事です。
高価格のプローブはそれにあったオシロだけに使いたいですね。400MHzのプローブを20MHzのオシロに使われて、20MHzのプローブとして粗雑に使われて芯線が断線してしてしまったのでは泣くにもなけませんね。

高周波プローブは、プローブの容量を減らす為、同軸部の芯線が、測定プローブの帯域が上がるほど、細くなります。プローブ自体の細くなります。そのためプローブの製造には、プローブの測定帯域が高くなるほど、より精緻な加工製造技術や高周波損失を減らすためのプローブの材料に金メッキなど施されてたりするため、プローブの価格が上昇します。

回答No.2

tadys

オシロのプローブはオシロの入力インピーダンスに対応したものを使用しないと周波数特性がずれてしまいます。
その結果正しい波形が得られません。

400MHzの測定に100MHz用のプローブを使えば無視できないほどの誤差が発生します。

お礼

補足への追加です。

>400MHzの測定に100MHz用のプローブを使えば無視できないほどの誤差が発生します。

なぜ？どういう理由で？
をれをお尋ねしているのです。
質問文をよく読んでください。

補足

100MHz用、200MHz用・・・で、それぞれインピーダンスが異なるのですか？
初めて聞きました。

お尋ねしている内容はインピーダンス関係のお話ではないように思うのですが？

回答No.1

Denkigishi

物の価格は何で決まるかという本質的な議論をしないとこの質問の答は出てこないようです。
（１）材料　（２）技術料　（３）製造ノウハウ　（４）需要　（５）性能
他にもあるかも知れません。付加価値の高い製品は材料のウエイトは低いので、この場合も材料は余り価格には関係ないと思います。
＞400MHzの測定に100MHz用のプローブを使ったときの問題
100MHz以上の周波数成分が測定に必要なければ全く問題は無いし、必要なら大問題でしょう。要は使用目的次第です。

お礼

補足への追加です。

前半　一般的なお話であれば、そういうことになるのでしょうが、今はもう少し具体的な考察がほしいですね。

「なぜ高いのか」の具体的な理由がほしいのです。

補足

ご回答有難うございます。

前半　おっしゃる通りと思います。

後半　その違いを具体的にご教示願いたいのです。
（どういう違いが現れるか。現象・原因（理由））