オシロスコーププローブは、アナログ測定システムの基本部分です。適切なプローブがなければ、最高のオシロスコープでも役に立ちません。そのため、検査対象回路をオシロスコープに接続するには、適切なプローブを選択することが不可欠です。プローブを選択する前に、プローブの仕組みと仕様について理解することが重要です。減衰比、帯域幅、インピーダンス、およびキャパシタンスの仕様は、オシロスコープを使用する前にすべてのユーザーが理解しておく必要があります。
オシロスコーププローブは、テストポイントに物理的に接触し、検査対象回路からオシロスコープに電気信号データを送信します。オシロスコーププローブには、パッシブ、アクティブ、差動、および電流プローブなど、さまざまなテストおよび計測のニーズに対応するタイプがあります。基本的に、オシロスコーププローブは、導電性プローブの先端、手動調整用のプローブヘッド、およびオシロスコープに接続するケーブルで構成されています。
図1:アクティブプローブとパッシブプローブは異なるアプリケーションに対応し、異なる計測基準を満す。詳細については、以下をご覧ください。
パッシブプローブプローブは、アプリケーションで最も広く使用され、受動回路素子のみで構成されています。これらのプローブは、検査対象ポイントからスコープ入力への1:1のストレート接続、または分圧回路やその他の回路を使用した特定の値の減衰を提供します。パッシブプローブは一般的に、低価格で堅牢性が高く、柔軟性に優れています。電圧測定に使用され、帯域幅は比較的低くなります。表1に記載されている各仕様の詳細については、引き続きお読みください。
パッシブプローブ | SP500X | SP500C | CP500X | CP400X |
---|---|---|---|---|
帯域幅 | 500 MHz | 500 MHz | 500 MHz | 400 MHz |
減衰比 | 10:1 | 100:1 | 10:1 | 10:1 |
入力抵抗 | 10 MΩ | 100 MΩ | 10 MΩ | 10 MΩ |
入力キャパシタンス | 11 pF | 4.6 pF | 10 pF | 13 pF |
キャパシタンス補正レンジ | 10-25 pF | 10-25 pF | 7-25 pF | 10-40 pF |
立ち上がり時間 | 0.9 ns | 0.9 ns | 0.7 ns | 0.9 ns |
最大入力電圧 | 300 V (DC + ピークAC) | 300 V (DC + ピークAC) | 60 V (DC + ピークAC) | 60 V (DC + ピークAC) |
オシロスコープ入力インピーダンス | 1 MΩ | 1 MΩ | 1 MΩ | 1 MΩ |
コネクタ | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 | BNCからBNC | BNCからBNC |
ケーブル長 | 1.2メートル | 1.2メートル | 1.2メートル | 2メートル |
表1: NIでは、NIオシロスコープの性能を最大限に引き出すために選ばれたパッシブプローブを提供している
全てのPXIオシロスコープが全てのプローブに対応するわけではありません。パッシブプローブの1 MΩ入力容量範囲が、特定のオシロスコープの1 MΩ入力容量に対応しない場合があります。NIのすべてのオシロスコーププローブにはBNC接続があるため、以下の表に記載されているように、SMAまたはSMBフロントパネルコネクタを備えたPXIオシロスコープにはアダプタが必要です。
NIオシロスコープ | SP500X | SP500C | CP500X | CP400X |
---|---|---|---|---|
PXIe-5105 | — | — | — | — |
PXIe-5110 | ||||
PXIe-5111 | ||||
PXIe-5113 | ||||
PXIe-5114 | — | — | — | |
PXIe-5122 | — | — | — | |
PXI-5124 | — | — | — | |
PXI-5142 | — | — | — | |
PXI-5152 | ||||
PXI-5153 | — | — | — | — |
PXI-5154 | — | — | — | — |
PXIe-5160 | ||||
PXIe-5162 | ||||
PXIe-5163 | ||||
PXIe-5164 | ||||
PXIe-5170 | — | — | — | — |
PXIe-5171 | — | — | — | — |
PXIe-5172 | 1 | 1 | 1 | 1 |
PXI-5922 | — | — | — | — |
1SMB - BNCアダプタが必要
表2: PXIオシロスコープは、パッシブプローブと互換性がある
オシロスコーププローブは、さまざまな方法で信号に影響を与えます。プローブの入力抵抗、キャパシタンス、および帯域幅によって、オシロスコープに送信する信号の変化が決まります。本節では、これらの変化を引き起こす物理現象について説明します。これらの効果の実用例については、負荷効果の例を参照してください。
回路のインピーダンスとオシロスコープの入力インピーダンスを合わせると、ローパスフィルタが生成されます。非常に低い周波数では、コンデンサは開回路として機能し、計測にはほとんど影響しません。高周波数では、キャパシタのインピーダンスが大きくなり、オシロスコープで検出される電圧が低下します。図2は、周波数領域でのこの効果を示します。入力が正弦波の場合、周波数が高くなるにつれて振幅が減少し、位相がずれます。
図2: パッシブプローブの周波数応答は、測定された信号の周波数が上がるとロールオフする
この負荷は、電圧のステップ変化に対するオシロスコープの応答にも影響を与えます。スコープの入力インピーダンス (およびプローブキャパシタンス) による負荷は、2つの部分に分けることができます。抵抗負荷と容量負荷。図3は、プローブとスコープの入力負荷を抵抗負荷と容量性負荷に分け、それぞれ独立して解析する方法を示します。抵抗負荷は完全にスコープの入力抵抗によるものであり、容量性負荷はプローブキャパシタンスとスコープ入力キャパシタンスの組み合わせによるものです。
図3:回路の負荷は、(a) 抵抗負荷と (b) 容量性負荷に分けられる
図3の抵抗負荷回路も分圧回路の例です。したがって、スコープ入力、V INに送られる電圧はVsを再現したものですが、振幅が小さくなっています。式1は、V MAXが与えられた場合の時間の経過に伴う電圧積の式を示しています。
式1: 抵抗負荷のある分圧回路の動作は、次の式で表される
容量性負荷の影響はより複雑であり、電圧に指数関数的応答をもたらします。 VIN は、式2に示すように、時間の経過とともに0 VからVMAX VになるVS電圧ステップの積です。
式2: 容量性負荷効果により、時間の経過とともに対数的挙動が生じる
2つの負荷効果によるステップ応答を図4に示します。抵抗負荷は電圧ステップの大きさを変更しますが、波形の形状は変更しません。容量性負荷はステップの立ち上がり時間を遅くしますが、最終的には理想的な応答と同じ最終値に収束します。システムの帯域幅と立ち上がり時間は逆の関係にあります。機器の帯域幅が実質的に減少しているため、パルス入力の立ち上がり時間と立ち下がり時間が長くなります。
この解析に使用される回路モデルは、すべての実用回路に正確であるとは限りません。デジタル回路の出力抵抗 (駆動能力) は出力電圧により変化し、負荷効果が異なる結果をもたらすことがあります。このモデルはそのような回路に100%正確ではないとしても、抵抗負荷および容量性負荷の基本原則は当てはまります。つまり、負荷キャパシタンスによって信号の立ち上がり時間が遅くなり、抵抗負荷によって出力振幅が変化する傾向があります。デジタル回路で増加した立ち上がり時間は、信号が次の論理ゲートに到達すると遅延の増加に変換されます。これは、信号が論理しきい値まで上昇するまでに時間がかかり、次のゲートが後で切り替わるためです。一般的なオシロスコープの1 MWの入力インピーダンスは、ほとんどのデジタル回路に対して抵抗負荷を防ぐのに十分大きいですが、1:1プローブの容量性負荷は信号に大きな遅延を引き起こします。
図4:抵抗負荷 (a) はステップの電圧レベルを変更し、容量性負荷 (b) は指数関数的応答を引き起こす
このセクションでは、プロービング回路によって引き起こされる負荷効果の例を2つ示します。各サンプルでは、回路をプローブした結果、デバイスの動作が根本的に変化したり、完全に機能しなくなったります。
LC回路 (タンク回路) には、インダクタとコンデンサが並列に配置されています。この回路の最終的な影響は、インダクタコイルがインダクタとコンデンサによって決定される特定の値で共振周波数を発生させることです。周波数は式3によって制御されます。
式3:この式は、LC回路の共振周波数を制御する
この回路は商用RFIDタグに使用されており、その負荷効果を示す例として取り上げます。図5は、RFIDチップの一般的なLC回路を示します。
図5:LC回路はRFIDタグに使用されている。これは非常に一般的なRFID LC回路である
この回路を設計またはテストするエンジニアは、コンデンサを含むラインをプローブする場合があります。エンジニアがこの回路の高電位ポイントにSP500Xプローブを接続すると、プローブのキャパシタンスがC1と並列に追加され、高電位とグランドの間に接続されます (図6参照)。
図6:プローブの入力キャパシタンスは、電流の流れを妨げる方法でプローブされないと回路に追加される
プローブのキャパシタンスが増加すると、LC回路の共振周波数が式4に従って変化します。
式4:SP500Xプローブによって導入される追加のキャパシタンスにより、LC回路の共振周波数が元の周波数の0.93倍に変化する
この周波数変化により、RFIDタグは、意図された送信機の周波数とは大きく異なる周波数を発信するようになり、センサによって検出されるのに十分なエネルギーを蓄積できず、正しい動作の機能評価も行えません。
図7の発振回路には、CMOSインバーターと並列接続された10 MΩの抵抗が含まれています。プローブの入力抵抗は10 MΩで、プローブを通る電流を最小限に抑え、検査対象回路に影響を与えないようにしています。この場合、検査対象回路には高抵抗素子が含まれます。
図7:腕時計の発振回路は、抵抗負荷が動作に与える影響を示すために、機能的に簡略化して表現できる
エンジニアは、図8に示すように、10 MΩ抵抗器のCTRAと水晶発振器の電源の接合部の電位に注目することがあります。このプローブポイントは、プローブの10 MΩの入力抵抗を10 MΩの抵抗器と並列に接続し、分圧回路を形成します。この回路の水晶発振器は、所定の電圧で動作することを想定しています。発振器が想定電圧の半分を受信すると、散発的に動作するか、まったく動作しない可能性があります。
図8:水晶発振回路において、10 MΩ抵抗と並列にプロービングを行うと、分圧回路が形成され、機能が停止する可能性がある
1:1 (one-to-one) プローブ、別名1xプローブは、オシロスコープの1 MΩのインピーダンス入力を測定対象の回路に接続します。これらは損失が最小限で簡単に接続できるように設計されていますが、それ以外はケーブルを使用してスコープを接続するのと同じです。図4は、検査対象回路に接続された高インピーダンススコープ入力の回路図を示します。検査対象回路は、直列抵抗器を備えた電圧源としてモデル化されます。1:1プローブ (またはケーブル) は、スコープの入力と並列に現れるかなりの量のキャパシタンスを導入します。1:1プローブのキャパシタンスは約40~60 pFで、通常はオシロスコープの入力キャパシタンスよりも大きくなります。
1:1プローブの構造では、10:1プローブのセクションで説明するように、減衰プローブで想定されるのと同じレベルのパフォーマンスは得られません。
10:1プローブ (10xプローブ、ディバイダープローブ、または減衰プローブとも呼ばれる) には、抵抗とコンデンサ (並列) が組み込まれています。図8は、オシロスコープの高インピーダンス入力に接続された10:1プローブの回路を示します。R1C1 = R2C2の場合、この回路は両方のコンデンサの影響が正確にキャンセルされるという驚くべき結果になります。実際には、この条件は正確には満たされないかもしれませんが、概算できます。キャパシタは通常調整可能で、ほぼ完璧に一致するように調整できます。式5は、これらの条件下でのVsとVINの関係を示します。
式5:10Xプローブのような減衰プローブは、この式で説明される分圧の原理を使用する
この式は分圧器の式に似ています。 R2はスコープの高入力インピーダンス (1 MW)の入力抵抗で、R1 = 9R2です。 式6は、10Xプローブを使用した式5の結果を示します。
式6:10Xプローブでは、オシロスコープ入力の電圧が1/10になる
結果として、2つのコンデンサが効果的にキャンセルされるため、プローブとスコープの入力の組み合わせは、1:1プローブよりも帯域幅が非常に広くなります。発生するペナルティは電圧の損失です。オシロスコープは元の電圧の10分の1しか認識しません (したがって、10:1プローブと呼ばれます)。また、測定する回路の負荷インピーダンスがR1 + R2 = 10 MWであることに注目してください。これは、1:1プローブを使用した場合よりも大幅に高くなります。一部のプローブは、1:1と10:1の操作間で簡単に切り替えられるように設計されています。
図9:パッシブプローブのコンデンサの影響は、C1が適切に調整されるとキャンセルされる
10:1プローブでは、抵抗負荷および容量性負荷の影響が低減されます (1:1プローブと比較)。 スコープの入力キャパシタンスは理想的にはキャンセルされますが、プローブCPROBEによりキャパシタンスが残ります。このキャパシタンスは製造元により指定されており、検査対象回路に負荷をかけます。
測定対象の電圧が10で割ってもスコープで読み取れないほど小さくない限り、電圧の10分の1の損失は問題になりません。つまり、スコープの感度と信号電圧は、10:1プローブを使用するかどうかを判断する要因となる可能性があります。ほとんどのオシロスコープでは、ユーザーは10:1プローブが使用されていることを覚えておき、結果の測定値を10倍にしなければなりません。これは手間がかかるため、一部のオシロスコープには、1:1プローブ用と10:1プローブ用の2つのスケール目盛りが用意されています。他のオシロスコープは一歩進んで、減衰プローブが使用されると測定値を自動的に正しい値に調整します。
一部の10:1プローブでは、プローブ入力に抵抗器が接続されており、抵抗負荷が1 MΩになることに注意してください。これらのプローブは、1:1プローブと比較して抵抗負荷が改善されているわけではありませんが、容量性負荷が少ない特徴があります。
減衰プローブには、50:1や100:1のプローブなど、さまざまな値のものがあります。これらのプローブの基本原理は 10:1分圧プローブと同じです。帯域幅を広げるために電圧レベルと帯域幅をトレードオフし、プローブでの損失が増加し、スコープ入力に供給される電圧が減少します。低レベル測定では、より高感度なスコープが必要な場合があります。また、より広い帯域幅を持つ50 Ωインピーダンスパッシブプローブもありますが、アプリケーションには制限があります。
減衰プローブの帯域幅を最大化するには、スコープの入力容量がキャンセルされるようにプローブコンデンサを正確に調整する必要があります。これは、補正と呼ばれる手順によって行われます。
スコーププローブは、スコープに組み込まれているキャリブレータと呼ばれる方形波ソースに接続されます。次に、プローブを調整して、方形波が可能な限り正方形で平坦になるようにします。
図10:プローブ補正を行うには基準信号が必要である。NIオシロスコープのPFIラインは、方形波基準の生成に使用できる
1.プローブのBNC端子をオシロスコープのCH0に接続します。プローブに複数の減衰設定がある場合は、キャパシタンスを補正できるものを選択します。
2.プローブの先端に接続アダプタを取り付けて、キャリブレータとのインターフェースを可能にします。
3.プローブの先端をキャリブレータソースに接続します。NI PXIオシロスコープの場合、キャリブレータはPFI1です。
4.伝送ケーブルとは別のプローブチップを使用している場合は、この時点でそれらを接続して測定回路を完成させます。この方法で動作するプローブの先端は、通常、BNCまたはSMB接続で接続されます。
5a.スコープソフトフロントパネルを開きます (スタートメニュー → プログラム → National Instruments → NI-SCOPE → NI-SCOPEソフトフロントパネル)。PXIシステムに複数のオシロスコープまたはデジタイザがある場合は、プローブ補正に適切なオシロスコープを選択します。スコープのソフトフロントパネルツールバーにあるユーティリティメニューからプローブ補正信号をアクティブにします。プローブ補正信号は、NI-SCOPE計測器ドライバを使用してプログラムからアクティブにすることも可能です。
図11: NI-SCOPEソフトフロントパネルには、プローブ補正ユーティリティが組み込まれている
5b.従来型ボックスまたはベンチトップ型オシロスコープを使用している場合、計測器のフロントパネルにキャリブレーション信号が表示されます。
6.可変容量コンデンサを調整して、波形が可能な限り方形波に見えるようにします。図12aおよび12bは、過剰補正プローブおよび補正不足プローブを使用した補正中のオシロスコープ表示を示します。図12cは、プローブが適切に補正された場合の表示を示します。
図12: 過剰補正 (a) および補正不足 (b) プローブは、信号を正しく表現できず、測定が正しく行われない。適切に補正されたプローブ (c) は信号の本質を表す
7.追加のチャンネルおよびプローブに対して手順1~6を繰り返します。オシロスコープのチャンネルは非常に類似するように設計されていますが、コンポーネントを少し変更するだけで入力キャパシタンスが若干異なる場合があることに注意してください。プローブの公称キャパシタンスにもわずかな違いが生じます。このため、各オシロスコープのチャンネルとプローブの組み合わせを個別に補正する必要があります。
ここまでで説明したプローブはすべて、トランジスタやアンプなどのアクティブなコンポーネントを持たないシンプルな受動回路です。アクティブプローブは、高周波測定で極めて低いキャパシタンスが必要な場合、または測定が所定のグランド基準から絶縁する必要がある場合に最適です。アクティブプローブは、入力にキャパシタンスがほとんどないアンプを使用します。アンプの出力は通常、オシロスコープの50 Ω入力を駆動するように調整されます。これにより、プローブとスコープ間で50 Ωのケーブルを容量性負荷効果なしで使用できます。
表3は、これまでに論じてきたさまざまなタイプのアクティブ電圧スコーププローブの標準仕様をまとめたものです。実際の特性はメーカーおよびモデルによって異なります。
アクティブプローブ | SA1000X1 | SA1500X1 | SA2500X1 | DA200025X1 |
---|---|---|---|---|
帯域幅 | 1000 MHz | 1500 MHz | 2500 MHz | 2 GHz |
端子構成 | シングルエンド | シングルエンド | シングルエンド | 差圧 |
減衰比 | 10:1 | 10:1 | 10:1 | 25:1 |
最大入力電圧 | 20 V | 20 V | 20 V | ± 60 V (DC + ピークAC) |
コモンモード入力電圧 | ± 8 V | ± 8 V | ± 8 V | ± 60 V (DC + ピークAC) |
差動入力電圧 | — | — | — | ± 20 V (DC + ピークAC) |
入力抵抗 | 1 MΩ | 1 MΩ | 1 MΩ | 500 kΩ |
入力キャパシタンス | 0.9 pF | 0.9 pF | 0.9 pF | 1.2 pF |
オシロスコープ入力インピーダンス | 50 Ω | 50 Ω | 50 Ω | 50 Ω |
コネクタ | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 |
1 同梱されている補助電源の使用が必要です。
表3:NIでは、PXIオシロスコープの測定機能を拡張するアクティブプローブを提供している
このような低負荷効果により、NIが提供するすべてのアクティブ電圧プローブは、以下の注意事項を除き、すべてのPXIオシロスコープと互換性があります。
一部のスコープには、入力の両方のリード線をグランドから離して接続できる浮動入力または差動入力があります。この場合、接地の問題は回避されます。
チャンネル1-2 (2つのチャンネルの差) を表示可能な2チャンネルスコープは、1チャンネル浮動入力スコープとして使用できます。オシロスコープは1-2を表示するように設定されています。チャンネル1は、正の電圧とみなされる回路のポイントに接続されています。チャンネル2は他の電圧ポイントに接続され、オシロスコープのグランドは回路グランドに接続されます。したがって、スコープは2つの電圧ポイントの差を表示しますが、どちらも接地する必要はありません。
差動プローブは、スコープのグランドに対して浮動可能な2つのスコーププローブ入力を提供することで、この問題を解消します。プローブの出力電圧は2つの入力端子間の電圧差であり、オシロスコープのグランド基準入力を駆動することができます。差動増幅は完全ではなく、誤差はコモンモード除去比 (CMRR) で指定されます。CMRRを測定するには、両方の入力を同じ信号で駆動します。理想的には、出力 (2つの入力の差) は常に0です。しかし、実際のプローブには小さな出力電圧があります。
式7: 差動プローブでは、アクティブチャンネルと基準チャネルの間に誤差が生じる。この誤差はプローブの入力電圧と出力電圧の差によって測定できる
通常、差動プローブのCMRRは低周波数に最適であり、高周波数で劣化します。CMRRは通常dB単位で表されます。
高電圧アクティブプローブは、高DCオフセット、コモンモード、または大きな電圧レンジを含む測定に使用されます。一部の高電圧プローブは、非常に高いコモンモードを持つ信号の小さな変化を観察するために使用されます。たとえば、送電線の信号のわずかな変化を測定する場合が考えられます。高電圧アクティブプローブのもう1つの用途は、非常に大きな電圧レンジを実現することです。アクティブプローブの中には、最大数キロボルトの信号を送信できるものがあります。
電流プローブは通常、2つの技術のいずれかを使用します。最も簡単なものは、トランスの原理を利用し、トランスの一方の巻線を測定対象の導線とするものです。変圧器はAC電圧と電流のみで動作するため、このタイプの電流プローブは直流電流を測定しません。
もう1つの電流プローブ (NIが販売しているタイプ) は、ホール効果の原理を使用しています。ホール効果は、印加された磁界に存在する電流に飯能して電界を生じます。この方法では、外部電源を使用する必要がありますが、交流電流と直流電流 (ACおよびDC) の両方を測定します。
電流プローブはそのクランプ部分で囲まれた電流を測定するため、電流プローブ特有のいくつかの技術が使用できます。プローブとオシロスコープの組み合わせの感度が特定の測定には低すぎる場合、電流を通すワイヤーをクランプ部分に数回巻き付けることができます。プローブは、実際にはより大きな電流を測定することになります (元の電流に巻き数を掛けたもの)。同様に、対象となる2本の導線を挿入し、電流が逆方向に流れる場合、その電流差を計測することができます (同じ方向に流れる場合は電流の合計が計測されます)。もちろん、導線と電流プローブの物理的なサイズが、挿入できる導線の本数を決定する要因となります。電流は直接電気接続を必要としませんが、検査対象回路からエネルギーを削除します。通常、このわずかなエネルギー損失は回路に影響を与えませんが、場合によっては要因となることがあります。
電流プローブ1 | CC0550X | CC05120X | CC3050X | CC30100X | CC15010X | CC5002X |
---|---|---|---|---|---|---|
最大連続電流 | 5 ARMS | 5 ARMS | 30 ARMS | 30 ARMS | 150 A | 500 A |
出力電圧レート (V/A) | 1 V/A | 1 V/A | 0.1 V/A | 0.1 V/A | 0.01 V/A | 0.01 V/A |
帯域幅 | 50 MHz | 120 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 10 MHz | 2 MHz |
立ち上がり時間 | 7 ns | 2.9 ns | 7 ns | 3.5 ns | 35 ns | 175 ns |
オシロスコープ入力インピーダンス | 1 MΩ | 1 MΩ | 1 MΩ | 1 MΩ | 1 MΩ | 1 MΩ |
コネクタ | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 | BNCからプローブ先端 |
1 2チャンネルPS-OP01電源または4チャンネルPS-OP02電源を使用する必要があります。
表4: NIでは、数種類の日置電流プローブを再販しているが、各プローブには日置電源が必要である。
図13. 4チャンネル電源に接続された日置電流プローブ
すべてのPXIオシロスコープがすべてのプローブで使用できるわけではありません。日置電流プローブは、1 MΩ入力のPXIオシロスコープとのみ互換性があります。隣接するBNCオシロスコープチャンネルで電流プローブを使用するには、近接性のため短いBNC-BNCアダプタを使用する必要があります。
NIオシロスコープ | 日置電流プローブの全機種 |
---|---|
PXIe-5105 | 1 |
PXIe-5110 | |
PXIe-5111 | |
PXIe-5113 | |
PXIe-5114 | |
PXIe-5122 | |
PXI-5124 | |
PXI-5142 | |
PXI-5152 | |
PXI-5153 | — |
PXI-5154 | — |
PXIe-5160 | |
PXIe-5162 | |
PXIe-5163 | |
PXIe-5164 | |
PXIe-5170 | — |
PXIe-5171 | — |
PXIe-5172 | 1 |
PXI-5922 |
1SMB - BNCアダプタが必要
表5: PXIオシロスコープは、電流プローブとの互換性が多岐にわたる
図14: 日置電流プローブを近接したオシロスコープチャンネルと使用する場合、短いBNCアダプタが必要になる場合がある
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