JP5071086B2 - パッシブプローブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、オシロスコープなどに用いられるパッシププローブ装置に関し、特に広い温度範囲で使用できるパッシププローブ装置に関する。

従来から、パッシブプローブはアクティブプローブと比較して、広い温度範囲と広い入力電圧範囲に対応しやすく、かつ堅牢であるなどの利点により、多くのオシロスコープで用いられている。

図４は、従来の一般的なオシロスコープ用パッシブプローブ装置を示す回路構成図である。オシロスコープ用パッシブプローブ装置１００は、被測定信号Ｖinが入力されるプローブヘッド１と、プローブヘッド１から出力される信号を伝搬するケーブル２と、ケーブル２を経由した信号のインピーダンス比を調整するインターフェース部３とからなり、被測定信号Ｖinを所定のインピーダンス比で分圧した信号をオシロスコープの入力部４に出力する。

プローブヘッド１において、抵抗器ＲheadとキャパシタＣheadからなる並列回路は入力端子１１にその一端が接続される。

ケーブル２は同軸ケーブルからなり、その一端において、内部導体が抵抗器ＲheadとキャパシタＣheadからなる並列回路の他端に接続され、その外部導体がＧＮＤ端子に接続される。ケーブル２はＧＮＤ端子との間で浮遊容量Ｃcableを持つ。

インターフェース部３において、ケーブル２の他端の内部導体は同軸ケーブル用の出力端子３１に接続され、外部導体はＧＮＤ端子に接続される。調整用可変キャパシタＣadjは、オシロスコープの入力インピーダンスと並列となるように、その一端がケーブル２の内部導体に接続され、他端がＧＮＤ端子に接続される。

オシロスコープの入力部４において、入力端子４１はパッシブプローブ装置１００の出力端子３１と接続される同軸ケーブル用の端子である。入力抵抗Ｒinと入力容量Ｃinはオシロスコープの等価入力インピーダンスで、それぞれその一端が入力端子４１に接続され、他端がＧＮＤ端子に接続される。アンプ４２は入力端子４１を介して入力された信号を増幅する。

図４の装置の動作を次に説明する。被測定信号Ｖinはプローブヘッド１に入力され、ケーブル２およびインターフェース部３を介して、所定のインピーダンス比で分圧された信号がオシロスコープの入力部４に出力される。

プローブヘッド１内の抵抗器ＲheadおよびキャパシタＣheadからなる並列回路と、オシロスコープ入力部４内の入力抵抗Ｒinおよび入力容量Ｃin、インターフェース部３内の調整用可変キャパシタＣadjおよびケーブル２の浮遊容量Ｃcableからなる並列回路とは被測定信号Ｖinに対し分圧器を構成する。

分圧比１０：１（電圧ゲイン１/１０）のパッシブプローブ装置の代表的な例を以下に示す。直流からＲheadとＣheadの時定数に対応する周波数ｆ１までは、プローブヘッド１の抵抗Ｒhead（９ＭΩ）とオシロスコープの入力抵抗Ｒin（１ＭΩ）とで９：１のインピーダンス比を構成して１０：１の分圧比を得る。周波数ｆ１以上では、プローブヘッド１の１０ｐＦ前後のキャパシタＣheadと、オシロスコープの入力容量Ｃinおよび、これと並列になる全ての静電容量Ｃin＋Ｃadj＋Ｃcable（９０ｐＦ前後）とで９：１のインピーダンス比を構成して１０：１の分圧比を得る。この場合、抵抗器については、比較的許容差の小さい抵抗器が入手可能なため通常は固定抵抗を使用するが、キャパシタや浮遊容量等は、許容差及び温度係数が大きいため、可変コンデンサＣadjを用いて上記の容量によるインピーダンス比を正確に９：１に調整する。

パッシブプローブ装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平６−３３１６５７号公報

従来のパッシブプローブ装置では、測定を行う環境温度において可変コンデンサＣadjを調整することで、規定の分圧確度による測定が行える。

しかし、恒温槽試験等を用いて広い温度範囲に渡って連続的に測定する場合には、恒温槽内の測定対象に直接接続されるプローブヘッド１は、測定対象物と同じ温度環境下に置かれるため、内部の抵抗ＲheadとキャパシタＣheadの温度ドリフトにより分圧比が変化する。また、抵抗ＲheadとキャパシタＣheadの温度係数が異なるため、基準温度状態でパッシブプローブ装置の調整をしても、抵抗によるインピーダンス比と容量によるインピーダンス比が一致しなくなるので、周波数特性に段差ができて正しい測定が行えなくなる。

図５は従来のパッシブプローブ装置の電圧ゲインの周波数特性を示す特性曲線図である。基準温度で調整したパッシブプローブ装置でそのまま測定した場合の平坦な周波数特性５１（実線）に対し、調整後に温度変化があった場合の周波数特性５２（点線）には段差が生じている。

本発明はこのような課題を解決しようとするもので、プローブヘッドが大幅な温度変化を受けた場合でも安定した分圧確度の得られるパッシブプローブ装置を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定信号がプローブヘッドに入力され、ケーブルおよびインターフェース部を介して、所定のインピーダンス比で分圧された信号をオシロスコープに出力するパッシブプローブ装置において、
前記オシロスコープの入力インピーダンスと並列となるように前記インターフェース部に設けられた可変抵抗手段および可変キャパシタ手段と、
前記プローブヘッドに設けられた温度センサと、
前記プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度変化による前記インピーダンス比の変化を相殺するように、前記温度センサの検出信号に対応して前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段を制御する補正制御手段と
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のパッシブプローブ装置において、
前記補正制御手段は、
前記プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度係数が予め格納されたメモリと、
前記温度センサから出力された検出信号に対応して前記メモリから出力される信号に基づいて前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段の補正値を演算し、この補正値に基づいて前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段を制御する制御回路と
を備えたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載のパッシブプローブ装置において、
前記補正制御手段は、
前記プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度変化に対する前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段の補正値が予め格納されたメモリと、
前記温度センサの検出信号に対応する前記メモリ出力に対応して前記可変抵抗手段および可変キャパシタ手段を制御する制御回路と
を備えたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置において、
前記可変抵抗手段は、
複数の抵抗素子と、
該複数の抵抗素子を切り換えるスイッチと
を備えたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置において、
前記可変キャパシタ手段は、
複数のキャパシタ素子と、
該複数のキャパシタを切り換えるスイッチと
を備えたことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置において、
前記可変抵抗手段として電子負荷を用いたことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置において、
前記可変キャパシタ手段として可変容量ダイオードを用いたことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、被測定信号がプローブヘッドに入力され、ケーブルおよびインターフェース部を介して、所定のインピーダンス比で分圧された信号をオシロスコープに出力するパッシブプローブ装置において、前記オシロスコープの入力インピーダンスと並列となるように前記インターフェース部に設けられた可変抵抗手段および可変キャパシタ手段と、前記プローブヘッドに設けられた温度センサと、前記プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度変化による前記インピーダンス比の変化を相殺するように、前記温度センサの検出信号に対応して前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段を制御する補正制御手段とを備えたことにより、プローブヘッドが大幅な温度変化を受けた場合でも安定した分圧確度の得られるパッシブプローブ装置を提供することができる。

以下本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るパッシブプローブ装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図４と同じ部分は同一の記号を付して重複する説明を省略する。

パッシブプローブ装置１０１において、温度センサ１３は、プローブヘッド１０の温度をモニタし、温度検出信号を伝送線２１に出力する。インターフェース部３０の制御回路３２１は、伝送線２１を介して入力した温度検出信号に対応してメモリ３２２から出力される信号に基づいて、可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣの値を制御する。メモリ３２２は、プローブヘッド１０の抵抗ＲheadおよびキャパシタＣheadの温度係数が予め格納された校正データ用メモリである。

ここで、制御回路３２１とメモリ３２２は、プローブヘッド１０の抵抗ＲheadおよびキャパシタＣheadの温度変化によるインピーダンス比の変化を補正で相殺するように、温度センサ１３の検出信号に対応して可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣを制御する補正制御手段３２を構成する。

図２は可変抵抗手段ＶＲの一例を示す回路図である。主抵抗素子Ｒmainと直列に、バイナリステップ等に重み付けされた複数の抵抗Ｒ1〜ＲnがスイッチＳ11〜Ｓ1nによって切り換えられるステップ切換回路が接続される。

図３は可変キャパシタ手段ＶＣの一例を示す回路図である。可変主キャパシタ素子Ｃmainと並列に、バイナリステップ等に重み付けされた複数のキャパシタＣ1〜ＣnがスイッチＳ21〜Ｓ2nによって切り換えられるステップ切換回路が接続される。
図１の装置の動作を次に説明する。

プローブヘッド１０内の温度センサ１３から出力される温度検出信号は伝送線２１を経由して制御回路３２１に送られる。制御回路３２１は温度検出信号に対応するプローブヘッド１０の抵抗ＲheadおよびキャパシタＣheadの温度係数をメモリ３２２から読み出し、この信号に基づいて、抵抗ＲheadおよびキャパシタＣheadの温度変化によるインピーダンス比の変化を相殺するように、可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣの補正値を演算する。この補正値に基づいて、制御回路３２１は可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣの値を制御する。

上記パッシブプローブ装置１０１の初期設定は以下のようにして行われる。
プローブヘッド１０の、抵抗ＲheadおよびキャパシタＣheadの温度係数を予め測定し、メモリ３２２に格納しておく。
また、常温においてパッシブプローブ装置１０１をオシロスコープに接続し、可変抵抗手段ＶＲを設定中心値に設定し、可変キャパシタ手段ＶＣを重み付けキャパシタＣ1からＣnによる可変範囲の中心に設定した状態において、周波数特性が平坦になるようにプローブの可変主キャパシタＣmainを調整しておく。可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣをこのように初期設定しておくことにより、プラスマイナス両方向に値を制御することができる。

パッシブプローブ装置１０１の動作中は、プローブヘッド１０の温度センサ１３は常にプローブヘッド１０の温度をモニタする。測定中に温度変化が検出されると、制御回路３２１はメモリ３２２からプローブヘッド１０の抵抗Ｒhead及びキャパシタＣheadの温度係数を読み出し、この温度係数データに基づいて９：１のインピーダンス比を保つための可変抵抗手段ＶＲ及び可変キャパシタ手段ＶＣの値を計算し、可変抵抗手段ＶＲ及び可変キャパシタ手段ＶＣの値として設定する。

上述のように、可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣは、バイナリステップ等に重み付けされた複数の抵抗Ｒ1〜Ｒn及びキャパシタＣ1〜Ｃnがスイッチによって切り換えられるとともに、主キャパシタＣmainが可変なので、インピーダンス比の補正に必要な調整範囲と設定分解能を得ることができる。

上記のような構成のパッシブプローブ装置によれば、アクティブプローブと比較して広い温度範囲と広い入力電圧範囲に対応しやすい丈夫なパッシブプローブ装置において、温度変化に対する補償回路を内臓し、プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度係数の影響を補正することができるので、オシロスコープ側に特別な仕組みを持つことなしに、広い温度範囲に渡って一定の分圧確度及び周波数平坦度を自動的に実現することができる。

なお、補正制御手段３２は、プローブヘッド１０の抵抗ＲheadおよびキャパシタＣheadの温度変化に対する可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣの補正値が予め格納されたメモリと、温度センサ１３の検出信号に対応するメモリ出力に対応して可変抵抗手段ＶＲおよび可変キャパシタ手段ＶＣを制御する制御回路とで構成してもよい。

また、プローブインターフェース部３０の可変抵抗手段ＶＲは、スイッチによるステップ切換えではなく、連続可変できる電子負荷等を用いても良い。

また、プローブインターフェース部３０の可変キャパシタ手段ＶＣは、スイッチによるステップ切換えではなく、連続可変できる可変容量ダイオード等を用いても良い。

また、インピーダンス比は９：１に限らず、任意の値をとることができる。

また、本発明に係るパッシププローブ装置はオシロスコープに限らず、各種計測器で用いることができる。

本発明の実施の形態に係るパッシブプローブ装置の一実施例を示す構成ブロック図である。 可変抵抗手段ＶＲの一例を示す回路図である。 可変キャパシタ手段ＶＣの一例を示す回路図である。 従来の一般的なオシロスコープ用パッシブプローブ装置を示す回路構成図である。 従来のパッシブプローブ装置の電圧ゲインの周波数特性を示す特性曲線図である。

符号の説明

１０ プローブヘッド
２１ ケーブル
１３ 温度センサ
３０ インターフェース部
３２ 補正制御手段
１０１ パッシブプローブ装置
３２１ 制御回路
３２２ メモリ
Ｃ1〜Ｃn 複数のキャパシタ素子
Ｃhead プローブヘッドのキャパシタ
Ｒ1〜Ｒn 複数の抵抗素子
Ｒhead プローブヘッドの抵抗
Ｓ11〜Ｓ1n 複数の抵抗素子を切り換えるスイッチ
Ｓ21〜Ｓ2n 複数のキャパシタを切り換えるスイッチ
ＶＣ 可変キャパシタ手段
ＶＲ 可変抵抗手段
Ｖin 被測定信号

Claims (7)

1. 被測定信号がプローブヘッドに入力され、ケーブルおよびインターフェース部を介して、所定のインピーダンス比で分圧された信号をオシロスコープに出力するパッシブプローブ装置において、
   前記オシロスコープの入力インピーダンスと並列となるように前記インターフェース部に設けられた可変抵抗手段および可変キャパシタ手段と、
   前記プローブヘッドに設けられた温度センサと、
   前記プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度変化による前記インピーダンス比の変化を相殺するように、前記温度センサの検出信号に対応して前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段を制御する補正制御手段と
   を備えたことを特徴とするパッシブプローブ装置。
2. 前記補正制御手段は、
   前記プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度係数が予め格納されたメモリと、
   前記温度センサから出力された検出信号に対応して前記メモリから出力される信号に基づいて前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段の補正値を演算し、この補正値に基づいて前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段を制御する制御回路と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載のパッシブプローブ装置。
3. 前記補正制御手段は、
   前記プローブヘッドの抵抗およびキャパシタの温度変化に対する前記可変抵抗手段および前記可変キャパシタ手段の補正値が予め格納されたメモリと、
   前記温度センサの検出信号に対応する前記メモリ出力に対応して前記可変抵抗手段および可変キャパシタ手段を制御する制御回路と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載のパッシブプローブ装置。
4. 前記可変抵抗手段は、
   複数の抵抗素子と、
   該複数の抵抗素子を切り換えるスイッチと
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置。
5. 前記可変キャパシタ手段は、
   複数のキャパシタ素子と、
   該複数のキャパシタを切り換えるスイッチと
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置。
6. 前記可変抵抗手段として電子負荷を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置。
7. 前記可変キャパシタ手段として可変容量ダイオードを用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッシブプローブ装置。

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