オシロスコープと信号発生器について

質問

先日も同じような質問をしましたが，
違う状況で同じような現象が起こってしまったので，
再度，質問させてください．

抵抗の両端に正弦波信号を入力して，
その抵抗の両端の電圧をオシロスコープで観測しています．

当たり前のことですが，本来なら，
発信器で発生させた電圧振幅をオシロで観測できるはずですが，
周波数が10MHzを越えたあたりから，
観測される振幅が減数していまいます．

どのような原因が考えられますでしょうか？

ちなみに発信器の入力端子で分岐コネクタを用いて，
オシロと抵抗の各々に信号を送っています．

オシロの入力インピーダンス：50Ω　16pF
被測定抵抗：1MΩ

回答No.6

tance · ベストアンサー

tanceです。

様子がつかめてきました。10MHz以上を問題にするときは1Mオーム
という抵抗は全くないとの等しく、問題にする必要はありません。
それよりMOSFETの入力容量とかミラー容量の方がはるかに問題です。

それと、60cmも同軸ケーブルを剥くと、心線がインダクタとして働き、
50Ωの負荷との間でLRタイプのローパスフィルタになります。直径1mm
の線（心線はこのくらい）の、長さ600mmの線は大体800nHくらいの
インダクタンスを持ちます。これは50Ωとの間で約10MHzのカットオフ
周波数のローパスフィルタを構成します。

まさにこの効果が見えていたようですね。

1Mオームの抵抗を入れたときの電圧を観測すること自体は全く意味を
持ちませんが、発振器からケーブルを通してオシロまでの50Ω系の
帯域ということに限定すれば、この60cmの長さを1cmくらいにして
やってみてください。おそらく10MHzは全く問題なくなるはずです。

他の方のおっしゃるとおり、1Mオームの影響を計るときに50Ω系で
計ることはナンセンスです。10円玉の重さを量るのに、10円玉を手に
持って体重計で測るのと似ています。（数万倍の質量なのでまさに
1Mオームと50Ωの比に近い）

お礼

いろいろとお世話になりました．

結果，
発振器からT型コネクタで分岐したあとの
抵抗側の同軸ケーブルの長さを短くした（1m→25cm）ことで，
10MHzより高周波側でも振幅が一定となりました．

同軸ケーブルの長さの問題だったようです．

回答No.5

info22

#2です。
A#2の補足の質問の回答

>>この1MΩはなぜこんな値を選んだのですか？
>大きな抵抗に電圧をかけた場合を想定した測定を行いたいためです．
その場合は、その大きな抵抗に比べ、更に十分大きな入力インピーダンスの測定系を使わないといけません。50Ωの測定系（50Ωの同軸＋入力抵抗50Ωのオシロ終端で整合）でも大きな抵抗に並列に50Ωの抵抗が接続されているのと同じように働きますので、大きな抵抗を繋いだ時の測定にはなりません。
少なくとも、入力インピーダンス1MΩのオシロに10:1のプローブ（入力抵抗10MΩ）でかつ入力容量ができるだけ少ないプローブを使って、負荷の1MΩの両端に直接接続して下さい。そのオシロの帯域も測定したい帯域より広い帯域のオシロを使ってください。
http://www.yokogawa.co.jp/tm/Bu/acc/701919probe.pdf

>>或いは、なぜ、入力インピーダンスが50Ωのを使いますか？
>オシロのカップリングを1MΩにして，
>50Ωのコネクタを使えばよいのでしょうか？
これでは、測定したい抵抗に並列に（1MΩ+50Ω｝入ることになり、実質抵抗がほぼ半分になってしまいます。また観測電圧波形が1/20000に小さくなってしまいます。
50Ωのコネクタ（50Ω終端抵抗入り）はよくないですね。オシロの50Ωと並列になってよくないですね。
オシロによっては、入力端子の入力インピーダンスが50Ωと1MΩを切替えるタイプがあります。50Ωでなく1MΩの方を使うべきです。

同軸ケーブルは周波数が低い場合は単にただの配線として容量性の負荷として機能し、周波数が高くなると分布定数回路として機能し、特性インピーダンスに等しい抵抗がつながっているような特性を示すようになります。http://www.geocities.jp/rfpagejp/tokusei-z.htm#cable_ftoku
この特性にあるように測定系のインピーダンスが周波数と共に低下して、ある周波数以上で同軸の特性インピーダンス（一定）になります。

周波数が低い所では1MΩ負荷に並列の同軸系の影響が少なく、徐々に影響が大きくなって合成インピーダンスが低下して行きます。そして最終的には1MΩ//(50Ω//16pF)の並列合成インピーダンスになります。周波数が増加するにつれ発信器からの出力電流が増加していき、発信器の出力定格電流制限や出力インピーダンスの影響がでて、発信器の出力電圧が急速に低下してしまう（この状態では負荷抵抗//50Ωの合成抵抗≒50Ωの特性に16pFの入力容量で更に入力インピーダンスが低下し観測波形の振幅が小さくなる）減少が起こります。このことが観測波形の振幅が10MHz付近から急速に減衰する原因でしょう。つまり、測定系（オシロの入力インピーダンスの高いオシロを使用し、同軸を使わないで、10:1の高帯域プローブを使用する）を変更しないと正確な測定は無理でしょう。

>無負荷の状態では100MHzの信号まで減衰することなく観測できます．
そうならオシロの帯域は100MHz以上あるでしょう。

>２　オシロの入力インピーダンスが50Ωという理由から，
>　　50Ωのコネクタは使用していません．
>２番の考え方が間違っているのでしょうか？？
考え方自体は、間違っていません。しかし50Ωの測定系を使うこと自体に問題があります。

補足

大変参考になりました．ありがとうございます．

１　同軸ケーブルを用いない．
２　オシロの入力カップリングを1MΩ，1:10のプローブを使用する．

で，週明けにもう一度測定してみたいと思います．

50Ωの測定系に問題がありそうです．

回答No.4

tance

tanceです。

どうも事情が飲み込めないのですが、何か勘違いをされているように
思います。たとえば、今やろうとしている実験は、発振器とオシロが
ともに50オームであり、50Ωの同軸ケーブルを使って理想的な接続を
しているのに、途中分岐があったり、1Mオームという、ほとんど意味の
ない高抵抗が入っていたり、オシロのコネクタが50Ωのモノかどうかに
こだわっていたり・・・

そして、周波数特性が良くないとすると、何か伝わっていない内容が
あるように思えてなりません。1Mオームは信号と直列に入っている
なんていうことはないですよね。

同軸ケーブルの線を長く剥いて接続しているとか、途中で外皮と芯線が
逆になっているとか・・・何らかの想定できていない何かがあるのでは
ないかと思います。

状況をもう少し詳しく教えてください。

また、1Mオームの抵抗という、無いのと同じような抵抗を入れてみた
理由は何なのでしょうか。この抵抗をはずしたら周波数特性はどう
なりますか？

補足

回答ありがとうございます．大変参考になります．

>1Mオームは信号と直列に入っているなんていうことはないですよね。
発信器の+-端子がそれぞれ，抵抗の両端にかかっているので，
間違ってはいないと思います．

>同軸ケーブルの線を長く剥いて
確かに長いかも知れません．具体的には60cmくらいです．

>1Mオームの抵抗という、無いのと同じような抵抗を入れてみた理由は何なのでしょうか。
MOSFETのゲート入力を考えたときの入力抵抗の代わりとして，
十分に大きな抵抗を選びました．

>この抵抗をはずしたら周波数特性はどうなりますか？
抵抗をはずして，抵抗側の同軸ケーブルの先をオープンにしても
同じ現象が起こるようです．
上の方もおっしゃられていますが，
同軸ケーブルの影響があるようです．

回答No.3

tance

オシロの入力インピーダンスが50Ωというのは確かに異様ですが、
周波数特性が10MHzくらい以上で落ちてくることとは別問題のように
思います。

まず、オシロの帯域を教えてください。

発振器の出力振幅は10MHz以上までフラットであることは確認されて
いるのでしょうか。分岐とか負荷など一切なしで直接周波数応答を
見てみるべきでしょう。

ケーブルはシールド線などではなく同軸ケーブルでしょうか（失礼な
質問でしたらご容赦ください）

補足

回答ありがとうございます．

>オシロの帯域を教えてください。
仕様が今，見れないので明言はできませんが，
無負荷の状態では100MHzの信号まで減衰することなく観測できます．

>発振器の出力振幅は10MHz以上までフラットであることは確認されて
いるのでしょうか。
確認が取れています．

>同軸ケーブルでしょうか
同軸ケーブルを用いています．

回答No.2

info22

>発信器の入力端子で
出力端子の間違い？

>オシロの入力インピーダンス：50Ω　16pF
>被測定抵抗：1MΩ
この1MΩはなぜこんな値を選んだのですか？
或いは、なぜ、入力インピーダンスが50Ωのを使いますか？通常は入力インピーダンスが1MΩのオシロを使わないといけないはずです。
1MΩには、オシロノ入力インピーダンスの50Ωと16pFが並列に入るとのと同じ状態になります。並列等価抵抗が殆ど50Ωになってしまいます。
（50Ωの入力インピーダンスのオシロは別の用途に使います。）
16pFの入力容量から判断するとオシロスコープの帯域が10MHz程度しか無いように思われます。帯域が10MHz位のオシロに10MHz以上の周波数の信号を入力しても、観測される振幅波形は減衰して当たり前です。

いまどき10MHz位の帯域しかないオシロはもう製造中止でしょうね。

補足

回答ありがとうございます．

>出力端子の間違い？
出力端子の間違えです．すみません．

>この1MΩはなぜこんな値を選んだのですか？
大きな抵抗に電圧をかけた場合を想定した測定を行いたいためです．

>或いは、なぜ、入力インピーダンスが50Ωのを使いますか？
オシロのカップリングを1MΩにして，
50Ωのコネクタを使えばよいのでしょうか？

>オシロスコープの帯域が10MHz程度しか無いように思われます。
何も負荷をつけずに，発信器からの電圧だけを見ると，
100MHz程度まで信号は減衰せずに観測できます．

回答No.1

amelielico

状況がちょっと読みにくいのですが、以下のような感じでしょうか。
信号発生器（50Ω）から出て分岐し一方がオシロの1chに（５０Ω）で入力され、基盤への入力波形を見ている。
一方が、５０Ωのコネクタで抵抗に接続されていて信号がかけられている。
その抵抗の両端をオシロの2chの「プローブ」で「オシロの入力インピーダンス：50Ω　16pF」の設定で観測している。

もしそうであれば、2chの「入力インピーダンス：50Ω」これが問題ですね。１ＭΩなどで測定しましょう。
通常、５０Ωが同軸ケーブルの特性インピーダンスでケーブル直結のときに使うものですから。
上記のように使えば、2chでは「ローパスフィルター」のように不整合がおこります。

なんてことないですよね。
参考にしてほしいですが、参考にならないですよね^^;

補足

回答ありがとうございます．

状況はだいたい合っていますが，

１　抵抗の両端にかかる電圧はオシロで観測していません．

２　オシロの入力インピーダンスが50Ωという理由から，
　　50Ωのコネクタは使用していません．

２番の考え方が間違っているのでしょうか？？