오실로스코프의 제품군별 특징과 활용

계측기 기술

자료제공 : 르크로이www.lecroy.com실제 필드에서 다루는 신호는 점점 빨라지고, 회로도 고속과 저속이 동시에 존재하며, 다루어야 할 신호들 또한 점점 복잡해지고 있다. 매일매일 이런 신호를 관측하면서 항상 엔지니어 옆에 있는 오실로스코프는 범용적으로 사용되는 가장 일반적인 계측장비이다. 이 오실로스코프의 가장 중요한 용도는 회로 디버깅 툴로써 사용되는 것이다. 디버그 툴로써 오실로스코프를 사용하기 위해서는 간헐적으로 발생할 수 있는 이벤트를 포착할 수 있는 주파수 대역, 샘플링 속도, 메모리 등의 기본 성능을 갖추어야 함은 물론 이벤트를 빠르게 찾아내고 분석할 수 있는 툴이 필요하다.르크로이에서 제공하고 있는 제품군들의 일반적인 특징들과 디버깅 과정에서 필요한 기능은 어떠한 것들이 있고 그 활용은 어떻게 적용하는 지에 대하여 설명하기로 한다.오실로스코프의 기본 사양그림 1에서는 가장 기본적인 오실로스코프의 블록도와 디버깅에 필요한 트리거스캔 블록이 포함되어 있는 블록도이다.오실로스코프의 채널을 통해 신호가 입력되면 프런트엔드를 거쳐 ADA에서 샘플링 과정을 거치게 되고 곧바로 모든 샘플링된 데이트들은 메모리에 저장이 되고, 그 데이터 값을 읽어 화면에 파형이 표시하도록 되어 있다.FE, ADC, 메모리 이 세 가지의 특성들이 오실로스코프의 파형을 포착할 수 있는 가장 기본적인 성능을 모두 좌우 하게 된다.프런트엔드는 오실로스코프의 대역폭을, ADC는 샘플링 속도를 결정한다. 그리고 메모리는 얼마나 많은 양의 데이터를 저장하고 표시할 수 있는지를 결정한다. 사양에 대하여 알아보기 전에 한 가지 기억해야 할 것은 프런트엔드(Bandwidth)는 오실로스코프가 입력받을 수 있는 입력 특성을 좌우하며, 오실로스코프 화면에 표현되는 파형은 ADC와 메모리에서 좌우된다는 것을 알아 두어야 한다.또한, ADC와 메모리는 매우 빠른 속도로 샘플링을 취해야 하고 메모리에서 데이터를 저장하고 또 읽는데 필요한 액세스 타임이 일반 램 메모리에서는 따라갈 수 없으므로, 오실로스코프 밴더들은 독자적으로 개발하여 사용하고 있다. 르크로이의 ADC는 현재 단일 칩에서 20GS/s의 속도로 샘플링을 수행하며 메모리는 액세스 타임을 빠르게 할 수 있도록 CMOS형 메모리를 개발하여 장비에 탑재하고 있다.르크로이의 오실로스코프 제품군르크로이의 오실로스코프는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 샘플링 기반의 오실로스코프인 샘플링 스코프(모델 : WE100H)와 실시간 오실로스코프로 나눌 수 있으며, 동작 모드의 상태에 따라 구분한다.모든 르크로이의 실시간 오실로스코프 제품들은 오실로스코프를 기반으로 하여 각종 애플리케이션별 전용 분석기가 추가된 형태로 구성되어 있다. 일반 오실로스코프는 60MHz~18GHz까지의 대역폭을 가지고 있으며, 시리얼 데이터 전용분석기인 Serial Data Analyzer, 디스크드라이브 분석기인 Disk Drive Analyzer, 오토모티브 솔루션을 탑재한 Vehicle Bus Analyzer 등으로 구성되어 있다.오실로스코프의 제품은 다시 주파수 대역별로 여러 가지 시리즈로 구성되어 있다. 제품군별로 살펴보면 3GHz~18GHz의 높은 주파수 대역을 제공하고 있는 SDA(Serial Data Analyzer) 시리즈, 3GHz~6GHz 대역의 WaveMaster Series, 1.5GHz~6GHz 대역의 WavePro 7Zi 시리즈와 범용제품군에 속하는 400MHz~2GHz 대역의 WaveRunner Xi 모델이 있다. 아울러 경제적인 솔루션 제품군인 WaveSufer(200MHz ~1GHz), WaveJet 300Series(100MHz~500MHz), WaveAce(60MHz~300MHz) 등으로 구분될 수 있다.아울러 분석기 제품군으로는 디스크 드라이브 분석기(DDA : 3GHz, 3.5GHz, 4GHz, 5GHz,6GHz)와 시리얼 데이터 분석기(SDA 2.5GHz~18GHz)와 자동차 애플리케이션 분석기 (VBA: 400MHz~2GHz) 등을 제공한다.모든 제품에 대한 상세한 설명은 논외로 하고, 일단 르크로이 오실로스코프에서 공통으로 제공하고 있는 기본적인 기능들과 디버깅에서 사용할 수 있는 기능 및 SDA에서 제공하는 몇 가지의 기능들에 대해서 자세히 살펴보기로 한다.XStream Technology르크로이에서는 400MHz 이상의 오실로스코프 및 모든 분석기 모델에서는 XStream 테크놀로지를 채택하여 사용하고 있다. XStream 기술은 오실로스코프의 ADC에서 메모리로 메모리에 저장된 데이터를 프로세싱할 때 발생할 수 있는 병목현상을 최소화 하여 파형의 분석 및 측정에서 빠른 속도로 파형을 업데이트 하고 측정의 정확성을 향상 시키는 기술이다.XStream 기술은 메모리에 샘플된 데이터가 모두 저장되기 전에 블록별로 데이터를 처리할 수 있으며, 또한 데이터를 순차처리하지 않고 병렬 처리가 가능하여 동시에 여러 가지 측정과 분석을 수행할 때 더욱 그 진가를 발휘한다.그림 2에서 보는 것과 같이 왼쪽의 일반 오실로스코프의 데이터 처리 방법에서는 파형을 포착하고 A, B, C의 세 가지 프로세싱을 하는 경우, 순차적으로 하나를 완성하여 결과를 낸 후에야 비로소 다음 프로세싱을 수행하는 반면, 스트리밍 방식에서는 동시에 ABC의 프로세싱을 특정 메모리 블럭별로 수행하므로 데이트를 처리하고 그 결과를 얻어내는 속도에서 매우 큰 차이를 보일 수 밖에 없다. 파형의 분석에 소요되는 시간이 절약되어 데이터의 결과 및 디버깅에서 매우 많은 시간을 절약할 수 있다.특히, 2008년 7월에 출시된 WavePro 7Zi(1.5GHz~6GHz, 40GS/s) 모델에서는 더욱 개선된 X-Stream II 기술을 채택하여 분석 중에 프런트 패널의 동작 또는 설정이 변경될 경우에도 빠르게 응답할 수 있도록 구조가 개선되었으며, Windows VISTA Business 64비트 버전을 OS로 채택하여 안정적이면서 빠른 응답성을 보이고 있다.빠른 응답성과 분석기능빠른 동작과 응답성을 기본으로 하여 오실로스코프가 제공하는 기본 측정 파라미터가 60여 가지 이상, 연산 기능 40여 가지 이상을 제공하므로, 원하는 대부분의 측정과 분석을 단일 오실로스코프에서 수행할 수 있다.또한, 선행개발 또는 특수한 응용분야에서는 오실로스코프에서 제공하는 기본 기능 이외에 더욱 복잡한 분석이 필요한 경우, 오프라인 분석 툴을 사용하는 사용자들이 늘어 가고 있다. 이에 부응하기 위해 르크로이에서는 사용자가 직접 측정 파라미터 또는 분석 툴을 생성하여 사용할 수 있는 커스텀 마이제이션 기능을 제공하고 있다. 그림 3에서는 기존의 방식(그림 3-A)과 XStream 기술을 기반으로 한 방식(그림 3-B)을 비교하고 있다. 이들 두 방식에서의 가장 큰 차이점은 기존의 방식에서는 제3의 소프트웨어 데이터를 처리하는 경우, 오실로스코프에서 파형 데이터를 저장하고 저장매체에 저장하여 소프트웨어가 설치된 PC에서 결과 파형을 관측하는 방식이다. 이 경우는 전체 현상 중에서 저장된 상황의 결과만을 분석할 수 밖에 없게 된다.반면, 스트리밍 기반의 르크로이 오실로스코프에서는 제3의 소프트웨어에서 사용하는 툴을 오실로스코프 프로세서에서 인식하여 데이터를 처리한 후 곧바로 오실로스코프 화면에서 그 결과를 확인하는 방식을 취하게 되므로, 다른 응용 소프트웨어에서 분석된 결과를 추가적으로 측정, 분석을 수행할 수 있도록 되어 있으며, 실시간으로 데이터가 처리되므로 연속적인 파형의 분석이 가능하다.그림 4에서는 입력신호를 오실로스코프가 기본 탑재한 FFT와 동시에 Matlab에서 필터링을 수행한 후 결과를 동시에 비교하고 있다. 오실로스코프에서 matlab 결과를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 그 결과에 대한 측정을 수행할 수 있으므로, 더욱 자세한 분석을 하나의 장비에서 모두 처리할 수 있는 장점이 있다.스캔 기능오실로스코프는 일반적인 파형을 포착하여 측정 분석용으로 사용하거나 또는 회로를 디버깅할 때 주로 사용된다. 일반적인 파형 측정 분석에 필요한 것은 파형을 충실하게 표현할 수 있는 사양, 즉 주파수대역폭, 샘플링 속도, 메모리 등의 기본적인 사항과 분석 툴이 필요하다.또 다른 용도인 디버깅에서는 에러신호들을 효과적으로 트리거 하거나 에러가 존재하는 부분을 빠르게 검색할 수 있어야 한다. 르크로이에서는 디버깅 툴로써 강력한 분석 기능 외에 트리거 스캔과 웨이브스캔이라는 기능을 제공하고 있다.일반적인 디버깅 과정의 절차는1) 어떤 경우에 이러한 문제가 발생할 수 있는지를 예측하는 가설을 설정하고2) 가설을 검증할 수 있는 신호를 파악3) 트리거를 이용하여 에러 신호만을 선택적으로 화면에 포착하고4) 문제신호를 포착하여, 발생 빈도, 다른 회로에 주는 영향 등을 파악하는 절차를 거치게 된다.가설을 세우고 그것을 검증할만한 신호를 포착해내는 방법은 대략 두 가지의 방법을 사용한다. 그 첫 째는 에지트리거를 이용하여 화면에 파형을 누적하여 잔상을 남겨두는 방법과 두 번째 방법은 정확하게 에러의 특징을 알아내고 그것을 포착할 수 있는 트리거를 사용하는 방법이다.첫 번째 방법의 경우, 파형의 상승 또는 하강에지에서 트리거를 발생시키는 방식이므로, 오실로스코프의 트리거 레이트가 중요한 요소로 동작하게 되며, 현재 나와있는 장비의 트리거 레이트는 가장 빠른 경우 400KHz이다. 이 방식을 이용하는 경우 파형의 에지레이트(주파수)가 트리거 레이트보다 빠르게 되면 대부분의 신호를 관측할 수 없게 되며, 픽셀 기반으로 동작하므로 데이터를 보존하지 못한다는 단점이 존재하게 된다.이러한 단점을 최소화 할 수 있도록 르크로이에서는 트리거스캔이라는 새로운 기술을 WavePro7Zi에 탑재하고 있다. 트리거스캔에서는 트리거 설정을 기반으로 하므로 에러 신호만을 포착하도록 오실로스코프를 설정하게 된다. 트리거스캔은 정상적인 또는 일반적인 신호를 포착하고 트리거 트레이닝이라는 과정을 거치면서 정상적인 파형의 진폭, 주기, 상승, 하강 시간 등의 정보를 얻어내고 정상 신호의 특성을 제외한 조건으로 트리거 설정 리스트를 생성하고, 두 번째로는 리스트 업한 트리거 설정들을 Dwell Time에서 지정한 시간동안 파형을 계속적으로 트리거하는 방식으로 동작한다. 따라서 드물게 발생하는 이벤트들을 더욱 빠르게 포착할 뿐만 아니라 , 기본적인 특성들을 바로 파악할 수 있는 장점을 제공한다.200MHz의 클록 신호에서 25초에 5개의 런트 펄스가 존재하는 신호의 런트 펄스를 포착하는 실제 시험에서 에지트리거에 의존하는 방법보다 트리거 스캔을 이용하여 포착해 본 결과, 파형의 업데이트에 의존하는 경우 수 시간이 소요된 반면 트리거스캔을 이용하였을 때 2분 이내에 이상펄스를 포착하였다. 그림 6에서는 트리거스캔 기능과 시퀀스 기능을 조합하여 사용한 예를 보이고 있다. 트리거 스캔에서는 오실로스코프가 가지고 있는 모든 기능과 조합하여 사용할 수 있으며, 샘플링속도, 메모리의 길이 등도 사용자가 자유롭게 설정할 수 있다. 그림 6의 Between Segment 화면에서 약 25초마다 5개의 런트 펄스가 연속적으로 발생하고 있음을 곧바로 확인할 수 있다.이렇게 트리거 조건을 이용하여 스캔하는 방식 외에 WaveScan이라는 기능에서는 트리거 과정을 거치지 않은 상태에서 입력 신호의 모양(에지 레이트, 런트 또는 Non-monotonic)등의 스캔 기능 외에 측정 파라미터를 이용하여 파형을 검색할 수 있는 기능을 제공한다.트리거 기능을 이용하는 경우 약 10여종의 트리거를 이용하는 반면 파라미터의 조건을 이용하는 웨이브스캔을 이용하는 경우, 그 범위를 수 십여 가지 이상으로 확장할 수 있다. 아울러 오버레이, 히스토그램 테이블 형식의 데이터를 표시하여 에러의 위치를 쉽게 찾아 낼 수 있다.결론르크로이는 고속 신호 회로를 디자인하고 디버깅 하는 엔지니어에게 최고의 주파수 대역과 빠른 응답성을 제공하는 기본 기능, 그리고 디버깅에 필수적인 에러신호를 검출하는 기능을 탑재하여 포괄적인 범위에서 사용할 수 있다.특히, WavePro7Zi 시리즈 오실로스코프에서는 1.5GHz~6GHz 전 모델에서 모든 채널에 50옴, 1M옴 입력단을 제공하여, 저속 신호와 고속신호가 혼재되어 있는 시스템의 검증에서 유용하게 사용할 수 있으며, 르크로이의 분석 툴들이 대폭 강화되어 설계 및 검증, 분석, 컴플라이언스 테스트에서 뛰어난 분석을 수행한다.르크로이의 오실로스코프는 기존의 스코프처럼 단순히 신호를 관측하는 것에 만족하지 않고 파형을 관측하는 동시에 파형을 완벽하게 분석할 수 있도록 디자인 되어진 제품이다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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