오실로스코프 가이드 2



오실로스코프는 전자 세계에서만 실용적인 것이 아닙니다. 오실로스코프와 적절한 센서를 함께 사용하면 모든 종류의 현상을 측정할 수 있습니다. 센서는 소리, 기계적응력, 압력, 빛 또는 열과 같은 물리적 자극에 대응하여 전기 신호를 만들어내는 장치입니다. 한 예로 마이크는 소리를 전기 신호로 변환하는 센서입니다. 
오실로스코프는 물리학자부터 TV 수리 기술자에 이르는 모든 사용자에 의해 사용됩니다. 오토모티브 엔지니어는 오실로스코프를 사용하여 센서에서 수집한 아날로그 데이터를 엔진 제어 장치(ECU)의 직렬 데이터와 상호 연계시키고, 의학 연구원은 오실로스코프를 통해 뇌파를 측정합니다. 오실로스코프의 가능성은 무한합니다.

자료제공: 텍트로닉스 / www.tektronix.co.kr

오실로스코프의 시스템 및 컨트롤

기본적으로 오실로스코프는 수직 시스템, 수평 시스템, 트리거 시스템 및 디스플레이 시스템의 네 가지 다른 시스템으로 구성됩니다. 이러한 시스템을 이해하면 특정 측정 문제를 다루는 데 오실로스코프를 효율적으로 적용할 수 있습니다. 각 시스템이 모두 신호를 정확하게 재구성하는 오실로스코프의 기능에 영향을 미친다는 점을 잊지 마십시오.
본 절에서는 아날로그 및 디지털 오실로스코프에서 볼 수 있는 기본적인 시스템과 컨트롤에 대해 간략히 설명합니다. 아날로그 오실로스코프와 디지털 오실로스코프의 컨트롤은 일부 다를 수 있으며, 사용자의 오실로스코프에 여기에서 논의하지 않는 추가적인 컨트롤이 있을 수 있습니다.
오실로스코프의 전면부는 Vertical(수직), Horizontal(수평), Trigger(트리거)로 표시된 세 가지 주요 섹션으로 분할되어 있습니다. 모델과 유형(아날로그 또는 디지털)에 따라 사용자의 오실로스코프에 다른 섹션이 있을 수도 있습니다(그림 21 참조). 본 절을 읽으면서 그림 21과 자신의 오실로스코프 전면부 섹션의 위치를 찾아보십시오.
오실로스코프를 사용할 때는 입력 신호에 적합하도록 다음과 같은 세 가지 기본 설정을 조정해야 합니다:

·신호의 감쇠 또는 증폭. 볼트 영역 컨트롤을 사용하여 신호의 진폭을 원하는 측정 범위로 조정하십시오.
·시간축, 초 영역 컨트롤을 사용하여 화면 전체에서 수평으로 표시되는 영역별 시간의 양을 설정하십시오.
·오실로스코프의 트리거링. 트리거 레벨을 사용하여 반복 신호를 안정화하거나 단일 이벤트에 대해 트리거하도록 설정하십시오.

수직 시스템 및 컨트롤
수직 컨트롤은 파형의 수직 방향 위치와 스케일을 조정하는 데 사용됩니다. 수직 컨트롤은 또한 본 절에서 나중에 설명할 입력 커플링 설정 및 기타 다른 신호 조정에도 사용됩니다.

위치 및 볼트 영역
볼트 영역 설정(일반적으로 volts/div으로 표기)은 화면의 파형 크기를 변경합니다.
볼트 영역 설정은 스케일 단위로 조정됩니다. 볼트 영역 설정이 5V라면 8개의 수직 영역 각각이 5V이며, 전체 화면은 8개의 주요 영역을 눈금으로 나타내어 맨 아래에서 맨 위까지 총 40V가 표시됩니다. 설정이 0.5V/div이라면 화면의 맨 아래에서 맨 위까지 4V가 표시되는 식입니다.
화면에 표시할 수 있는 최대 전압은 볼트 영역 설정에 수직 영역의 수를 곱한 수치입니다. 또한 사용자의 프로브(1X 또는 10X)도 스케일에 영향을 준다는 점에 유의하십시오. 오실로스코프에서 자동으로 처리되지 않는다면 볼트 영역 스케일을 프로브의 감쇠 계수로 나눠야 합니다.
일부 볼트 영역 스케일에는 표시된 신호를 특정 영역의 수로 조정할 수 있는 가변 게인 또는 정밀 게인 컨트롤이 있는 경우도 있습니다. 이 컨트롤을 사용하면 상승 시간 측정에 도움이 됩니다.

입력 커플링
입력 커플링이란 전기 신호를 한 회로에서 다른 회로로 연결하는 데 사용되는 방법을 가리키는 용어입니다. 이 경우, 입력 커플링은 테스트 회로와 오실로스코프 사이의 연결을 의미합니다. 커플링은 DC, AC 또는 접지로 설정할 수 있습니다.
DC 커플링은 입력 신호를 모두 보여 줍니다. AC 커플링은 신호의 DC 컴포넌트를 차단함으로써 파형이 0V 주변으로 모이도록 만듭니다. 그림 22에 이러한 차이가 나와 있습니다. AC 커플링 설정은 전체 신호(교류+직류)가 볼트 영역 설정에 비해 너무 클 경우 유용합니다. 접지 설정은 수직 시스템에서 입력 신호를 단절함으로써 화면에서 0V의 위치를 찾을 수 있도록 해 줍니다. 접지 입력 커플링과 자동 트리거 모드를 사용하면 화면에서 0V를 나타내는 수평선을 볼 수 있습니다. DC에서 접지로 전환했다가 다시 DC로 전환하는 방법을 사용하면 신호 전압 레벨을 접지와 비교하여 손쉽게 측정할 수 있습니다.

대역폭 제한
대부분의 오실로스코프에는 오실로스코프의 대역폭을 제한하는 회로가 있습니다. 대역폭을 제한함으로써 표시된 파형에 간혹 나타나는 노이즈를 줄여 더 깨끗한 신호가 표시되도록 할 수 있습니다. 대역폭 제한 기능은 노이즈를 제거하는 동시에 고주파 신호 성분도 줄이거나 없앨 수 있다는 점에 유의하십시오.

대역폭 확대

일부 오실로스코프는 오실로스코프의 채널 응답을 개선하는 데 사용될 수 있는 DSP 임의 이퀄라이제이션 필터를 제공하기도 합니다. 이 필터는 대역폭을 확대하고, 오실로스코프의 채널 주파수 응답을 평탄화하며, 위상 선형성을 개선하고, 더 뛰어난 채널 간 매칭을 제공합니다. 더불어 상승 시간을 줄여 주며 시간 영역 단계 응답을 개선해 줍니다.

수평 시스템 및 컨트롤
오실로스코프의 수평 시스템은 입력 신호의 획득과 가장 밀접한 관련이 있으며, 샘플링 속도와 레코드 길이가 고려 대상입니다. 수평 컨트롤은 파형의 수평 방향 위치와 스케일을 조정하는 데 사용됩니다.

획득 컨트롤
디지털 오실로스코프는 획득 시스템에서 신호를 처리하는 방법을 제어할 수 있는 설정을 제공합니다. 본 절을 통해 사용 중인 디지털 오실로스코프의 획득 옵션에 대해 살펴보십시오. 그림 24에 획득 메뉴의 예가 나와 있습니다.

획득 모드
획득 모드는 샘플 포인트에서 파형 포인트를 생성하는 방법을 제어합니다. 샘플 포인트는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에서 직접 산출되는 디지털 값입니다. 샘플 간격이란 이러한 샘플 포인트 사이의 시간을 의미합니다. 파형 포인트는 디지털 값으로 메모리에 저장되며 파형을 구성하도록 표시됩니다. 파형 포인트 사이의 시간 값 차이를 파형 구간이라고 부릅니다.
샘플 간격과 파형 구간은 같을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 따라서 하나의 파형 포인트가 순차적으로 획득된 여러 샘플 포인트로 구성되어 있는 여러 가지 다양한 획득 모드가 존재하게 됩니다.
또한 다수의 획득에서 얻은 샘플 포인트의 컴포지트를 통해 파형 포인트를 만들 수도 있으며, 이는 또 하나의 획득 모드가 됩니다. 가장 흔히 사용되는 획득 모드에 대한 설명이 이어집니다.

획득 모드의 유형
·샘플 모드: 가장 간단한 획득 모드로, 오실로스코프는 각 파형 구간마다 하나의 샘플 포인트를 저장하여 파형 포인트를 만듭니다.
·피크 탐지 모드: 오실로스코프는 두 파형 구간 동안 얻은 샘플 포인트의 최소 및 최대 값을 저장하고 이러한 샘플을 대응하는 2개의 파형 포인트로 사용합니다. 피크 탐지 모드를 지원하는 디지털 오실로스코프는 매우 느린 시간축 설정(느린 시간축 설정은 긴 파형 구간을 의미)에서도 빠른 샘플링 속도로 ADC를 작동하며, 샘플 모드일 경우 파형 포인트 사이에서 발생하는 빠른 신호 변화를 캡쳐할 수 있습니다(그림 25). 피크 탐지 모드는 특히 시간상 멀리 떨어진 좁은 펄스를 발견하는 데 유용합니다(그림 26).

·고해상도 모드: 고해상도 모드는 피크 탐지와 유사하게 ADC가 시간축 설정에서 요구하는 것보다 빠르게 샘플링할 수 있을 경우 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 이 경우, 한 파형 구간에서 얻은 여러 샘플을 함께 평균하여 하나의 파형 포인트를 만듭니다. 그 결과 저속 신호에서 노이즈가 줄어들며 분해능이 높아집니다. 평균 모드에 비해 고해상도 모드의 장점은 1회성 이벤트에도 사용할 수 있다는 점입니다.

·엔벨로프 모드: 엔벨로프 모드는 피크 탐지 모드와 유사합니다. 하지만 엔벨로프 모드에서는 다수의 획득에서 얻은 최소 및 최대 파형 포인트를 조합하여 시간 대비 최소/최대 누적을 보여 주는 파형을 생성합니다. 일반적으로 피크 탐지 모드는 조합되어 엔벨로프 파형을 구성하는 레코드를 획득하는 데 사용됩니다.

·평균 모드: 평균 모드의 오실로스코프는 샘플 모드와 마찬가지로 파형 구간마다 하나의 샘플 포인트를 저장합니다. 하지만 연속적인 획득에서 얻은 파형 포인트를 함께 평균하여 최종적으로 표시될 파형을 만듭니다. 평균 모드는 대역폭 손실 없이 노이즈를 줄일 수 있는 방법이지만 반복되는 신호가 필요합니다.

획득 시스템의 시작 및 정지
디지털 오실로스코프의 가장 큰 장점 중 하나는 파형을 저장하여 나중에 확인할 수 있는 기능입니다. 이를 위해 전면부에 획득 시스템을 시작하거나 정지할 수 있는 버튼이 일반적으로 하나 이상 있어 파형을 편리한 시간에 분석할 수 있습니다. 더불어, 한 번의 획득이 완료되거나 또는 하나의 레코드 세트가 엔벨로프 또는 평균 파형으로 변환된 후에 오실로스코프를 자동으로 정지하도록 할 수도 있습니다. 이 기능은 흔히 단일 스위프 또는 단일 시퀀스라 불리며, 일반적으로 기타 획득 컨트롤 또는 트리거 컨트롤과 함께 배치되어 있습니다.

샘플링
샘플링이란 입력 신호의 일부분을 저장, 처리 또는 표시하기 위해 여러 개의 개별 일렉트릭 값으로 변환하는 절차를 의미합니다. 각 샘플 포인트의 크기는 신호가 샘플링되는 이상 신호의 입력 신호 진폭과 같습니다.
샘플링은 스냅샷을 찍는 것과 비슷합니다. 각 스냅샷은 파형에서 하나의 포인트에 해당합니다. 이러한 스냅샷을 적절한 시간 순서로 배열하는 것이 입력 신호를 재구성하는 것입니다.
디지털 오실로스코프에서 샘플 포인트의 배열은 그림 27과 같이 수직측에는 측정된 진폭, 수평축에는 시간의 형태로 디스플레이에 재구성됩니다.
그림 27의 입력 파형은 화면에서 일련의 점으로 나타납니다. 점이 멀리 떨어져 있어 파형으로 해석하기 어려운 경우 보간이라는 프로세스를 사용하여 점을 연결할 수 있습니다. 보간이란 점을 선 또는 벡터로 연결하는 기법입니다. 다양한 보간 방법을 사용하여 연속적인 입력 신호를 정확하게 재구성할 수 있습니다.

샘플링 컨트롤
 일부 디지털 오실로스코프는 실시간 샘플링 또는 등가 시간 샘플링 중에서 한 가지 샘플링방식을 선택할 수 있습니다. 이러한 오실로스코프에서 제공하는 획득 컨트롤을 사용하면 신호 획득에 사용할 샘플링 방식을 선택할 수 있습니다. 느린 시간축 설정에서는 이러한 설정이 별 영향이 없으며, ADC에서 한 번의 패스로 레코드를 파형으로 채우기에 충분할 만큼 빨리 샘플링하지 못하는 경우에만 효과가 있습니다.

샘플링 방식
 샘플링 기술은 여러 가지 다양한 방식으로 구현되지만, 최신 디지털 오실로스코프에는 실시간 샘플링과 등가 시간 샘플링의 두 가지 기본적인 샘플링 방식이 사용됩니다. 등가 시간 샘플링은 무작위 및 순차 방식의 두 가지 하위 범주로 나뉩니다.
각 방식은 실행되는 측정의 종류에 따라 뚜렷한 장점이 있습니다. 일반적으로 최신 오실로스코프에는 세 가지 수평 시간축 작동 모드를 선택할 수 있는 컨트롤이 제공됩니다. 간단한 신호 탐색과 함께 역동적인 신호를 다루고자 한다면 가장 생생한 디스플레이 업데이트 속도를 제공하는 자동 모드 또는 대화형 기본 모드를 사용하는 것이 좋습니다. 가장 높은 측정 정밀도를 제공하는 정밀한 측정과 최고의 실시간 샘플링 속도가 필요하다면 고정 샘플링 속도 모드가 최적입니다. 높은 샘플링 속도를 유지하며 최상의 실시간 분해능을 제공합니다. 마지막은 수동 모드로, 샘플링 속도와 레코드 길이를 개별적으로 직접 제어할 수 있습니다.

실시간 샘플링
실시간 샘플링은 주파수 범위가 오실로스코프 최대 샘플링 속도의 절반 미만인 신호에 이상적입니다. 이 때 오실로스코프는 그림 29와 같이 한 번의 파형 "스위프"에서 정확한 화면을 구성하는 데 충분하고도 넘치는 포인트를 획득할 수 있습니다. 실시간 샘플링은 디지털 오실로스코프로 고속의 1회성 이상 신호를 캡쳐할 수 있는 유일한 방법입니다.
그림 29와 같이 고주파의 이상 신호 이벤트를 정확하게 디지털화하는 데 필요한 샘플링 속도 때문에 실시간 샘플링은 디지털 오실로스코프에게 가장 까다로운 과제입니다. 이러한 이벤트는 단 한 번 발생하며 발생 당시와 동일한 시간 프레임 내에 샘플링되어야 합니다.

샘플링 속도가 충분히 빠르지 않다면 고주파 컴포넌트가 더 낮은 주파수로 "떨어져" 디스플레이에 앨리어싱을 일으킬 수 있습니다. 또한 실시간 샘플링은 디지털화된 파형을 저장하는 데 필요한 고속 메모리 때문에 한층 더 까다롭습니다. 고주파 컴포넌트를 정확하게 특성화하는 데 필요한 샘플링 속도와 레코드 길이에 대한 추가적인 자세한 정보는 성능 용어 및 고려 사항에 있는 샘플링 속도 및 레코드 길이 부분을 참조하십시오.
보간을 이용한 실시간 샘플링 디지털 오실로스코프는 표시 가능한 신호의 개별 샘플을 취합니다.

하지만 신호의 고주파 부분을 보여 주는 단 몇 개의 점만 보이기 때문에 점으로 표현된 신호를 시각화하기 어려울 수 있습니다.
일반적으로 디지털 오실로스코프에는 신호의 시각화를 지원하는 보간 디스플레이 모드가 있습니다.
간단히 설명하자면 보간이란 각 사이클 내에서 몇 번만 샘플링된 신호도 정확하게 표시되도록 "점을 연결"하는 것입니다. 실시간 샘플링과 보간을 함께 사용하면 오실로스코프가 실시간 모드에서 단일 패스로 신호에서 몇 개의 샘플 포인트를 수집하고 보간을 사용하여 공백을 메웁니다. 보간은 소수의 포인트를 기반으로 파형이 어떻게 보일지 추정하는데 사용되는 처리 기법입니다.

선형 보간은 샘플 포인트를 직선으로 연결하는 방식으로, 그림 30에 나와 있듯 방형파와 비슷하게 모서리가 직선인 신호로 재구성하도록 제한됩니다. 더 용도가 많은 sin x/x 보간은 그림 30에 나온 것처럼 샘플 포인트를 곡선으로 연결합니다. sin x/x 보간은 포인트를 계산하여 실제 샘플 사이의 시간을 메우는 수학적 프로세스입니다.
이 보간 방식은 순수한 방형파 및 펄스보다 실제 생활에서 훨씬 흔한 곡선의 불규칙한 신호에 적합합니다. 결과적으로 sin x/x 보간은 샘플링 속도가 시스템 대역폭의 3~5배인 애플리케이션에서 선호되는 방식입니다.

등가 시간 샘플링
고주파 신호를 측정할 때는 오실로스코프에서 단일 스위프로는 충분한 샘플을 수집하지 못할 수 있습니다.
그림 31에 나온 것처럼 등가 시간 샘플링을 사용하면 주파수가 오실로스코프의 샘플링 속도의 절반을 초과하는 신호도 정확하게 획득할 수 있습니다. 등가 시간 디지타이저(샘플러)는 자연적으로 발생하는 현상이나 인공 현상 대부분이 반복적이라는 사실을 활용합니다. 등가 시간 샘플링은 신호의 각 반복에서 일부 정보를 캡쳐하여 반복적인 신호의 그림을 구성합니다. 파형은 하나씩 비춰지는 빛줄기처럼 느리게 재현됩니다. 그 결과 오실로스코프의 샘플링 속도보다 훨씬 높은 주파수 컴포넌트를 가진 신호도 오실로스코프가 정확하게 캡쳐할 수 있습니다.
등가 시간 샘플링에는 무작위 및 순차 방식의 두 가지 유형이 있으며, 각각의 장점을 가지고 있습니다. 무작위 등가 시간 샘플링은 지연 라인을 사용하지 않고 트리거 포인트 전에 입력 신호를 표시할 수 있습니다. 순차적인 등가 시간 샘플링은 훨씬 뛰어난 시간 분해능과 정확도를 제공합니다. 두 방식 모두 입력 신호가 반복적이어야 합니다.

무작위 등가 시간 샘플링. 무작위 등가 시간 디지타이저(샘플러)는 그림 32에 나온 것처럼 입력 신호 및 신호 트리거와 비동기적으로 작동하는 내장 클럭을 사용합니다. 샘플은 트리거 위치와는 개별적으로 연속해서 수집되며, 샘플과 트리거 사이의 시간 차이를 기준으로 표시됩니다. 샘플이 시간상 순차적으로 수집되기는 하지만 트리거에 대해서는 무작위이므로 "무작위" 등가 시간 샘플링이라는 이름이 사용됩니다. 샘플 포인트가 오실로스코프 화면에 표시될 때는 파형을 따라 무작위로 나타납니다.

트리거 포인트 전에 샘플을 획득 및 표시할 수 있는 기능이 이 샘플링 방식의 주요 장점으로, 외부 프리 트리거 신호 또는 지연 라인이 필요하지 않습니다. 또한 샘플링 속도와 디스플레이의 시간 창에 따라 무작위 샘플링으로 트리거 이벤트마다 2개 이상을 샘플을 획득할 수도 있습니다. 하지만 스위프 속도가 더 빠르다면 디지타이저에서 트리거마다 샘플링하지 못할 때까지 획득 창이 좁아집니다.
대개 이와 같이 빠른 스위프 속도에서 매우 정밀한 타이밍 측정이 이루어지며, 순차적인 등가 시간 샘플러의 탁월한 시간 분해능이 가장 유용한 경우입니다. 무작위 등가 시간 샘플링의 경우 대역폭 제한이 순차적인 시간 샘플링보다 적습니다.

순차적인 등가 시간 샘플링. 순차적인 등가 시간 샘플러는 그림 33에 나온 것처럼 시간 영역 설정 또는 스위프 속도에 관계없이 트리거마다 하나의 샘플을 획득합니다. 트리거가 탐지되면 아주 짧지만 잘 정의된 지연 후에 샘플이 수집됩니다.
다음 트리거가 발생하면 이 지연에 약간의 시간(델타 T)이 증가되고 디지타이저에서 또 하나의 샘플을 수집합니다. 이 과정은 시간 창이 채워질 때까지 이전 획득에 "델타 T"가 매번 추가되면서 수차례 반복됩니다.
샘플 포인트가 오실로스코프 화면에 표시될 때는 파형을 따라 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 순차적으로 나타납니다.
기술적으로 보자면 무작위 샘플러에 필요한 트리거 포인트에 대한 샘플의 수직 및 수평 위치를 정확하게 측정하는 것보다 아주 짧고 매우 정밀한 "델타 T"를 만드는 것이 더 쉽습니다.

순차적인 샘플러가 탁월한 시간 분해능을 제공하는 이유는 바로 이와 같이 정밀하게 측정되는 지연 때문입니다. 순차적인 샘플링의 경우 트리거 레벨이 탐지된 후에 샘플이 수집되므로 아날로그 지연 라인 없이 트리거 포인트를 표시할 수 없으며, 결과적으로 계측기의 대역폭이 줄어듭니다. 외부 프리 트리거를 사용할 수 있는 경우 대역폭에는 영향이 없습니다.

 

그림 21. 오실로스코프의 전면부 컨트롤 섹션
그림 22. AC 및 DC 입력 커플링
그림 24. 획득 메뉴의 예
그림 25. 샘플링 속도는 시간축 설정에 따라 달라집니다. 시간축 설정이 느릴수록 샘플링 속도도 느려집니다. 일부 디지털 오실로스코프는 느린 스위프 속도에서 빠른 이상 신호를 캡쳐할 수 있는 피크 탐지 모드를 제공합니다
그림 26. 최소 20ps의 이상 신호 현상을 캡쳐할 수 있는 DPO70000B 시리즈 오실로스코프의 피크 탐지 모드
그림 27. 기본적인 샘플링. 샘플링 후의 포인트를 보간으로 연결하여 연속적인 파형을 만듭니다.
그림 28. 실시간 샘플링 방식
그림 29. 이 10ns 펄스를 실시간으로 캡쳐하려면 에지를 정확하게 정의하기에 충분할 만큼 샘플링 속도가 빨라야 합니다.
그림 30. 선형 및 sin x/x 보간
그림 30a. 100MHz 사인파의 언더 샘플링으로 인한 앨리어싱 현상
그림 31. 일부 오실로스코프는 등가 시간 샘플링을 사용하여 초고도의 반복적인 신호를 캡쳐 및 표시합니다.
그림 32. 무작위 등가 시간 샘플링에서 샘플링 클럭은 입력 신호 및 트리거와 비동기적으로 작동합니다.
그림 33. 순차적인 등가 시간 샘플링의 경우 각 사이클마다 증가되는 지연 시간 후에 인식된 각 트리거에 대한 단일 샘플이 수집됩니다.
 
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