오실로스코프 가이드 4,
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
성능 용어 및 고려 사항
앞서 설명한 것처럼 오실로스코프는 사용자가 관찰 및 해석할 수 있도록 신호 이미지를 캡처하는 카메라와 유사합니다. 셔터 속도, 조명 조건, 조리개 및 필름의 ASA 등급 등은 모두 이미지를 선명하고 정확하게 포착하는 카메라의 성능에 영향을 줍니다.
오실로스코프의 기본 시스템과 마찬가지로, 오실로스코프의 성능 고려 사항도 필요한 신호 무결성을 달성할 수 있는 역량에 크게 영향을 줍니다.
새로운 기술을 익히려면 대개 새로운 용어를 함께 공부해야 합니다. 오실로스코프의 사용법을 익힐 때도 마찬가지입니다. 본 절에서는 유용한 측정 용어와 오실로스코프 성능 용어에 대해 설명합니다. 여기서 설명하는 용어들은 용어에 적합한 오실로스코프를 선택하는 데 중요한 기준을 설명할 때 사용됩니다. 이러한 용어를 이해하면 자신의 오실로스코프를 평가하고 다른 모델과 비교하는 데 도움이 됩니다.
대역폭
대역폭이란 신호를 측정하는 오실로스코프의 기적적인 기능을 결정하는 요소입니다. 신호 주파수가 증가하면 신호를 정확하게 표시할 수 있는 오실로스코프의 역량이 감소합니다. 이 사양은 오실로스코프에서 정확하게 측정할 수 있는 주파수 범위를 나타냅니다.
오실로스코프의 대역폭은 사인파 입력 신호가 신호 유효 진폭의 70.7%(-3dB 포인트, 로그자 기반 용어)로 감쇠되는 주파수로 정의됩니다(그림 45 참조).
오실로스코프가 적절한 대역폭을 지원하지 않는다면 고주파 변화를 분석할 수 없습니다. 진폭은 왜곡되며, 에지가 사라지고, 세부 정보가 손실됩니다. 적절한 대역폭이 지원되지 않으면 오실로스코프의 모든 기능은 아무런 소용이 없습니다.
사용자의 특정 애플리케이션에서 신호 진폭을 정확하게 특성화하는 데 필요한 오실로스코프 대역폭을 판단하려면 5배 규칙을 활용하십시오.
5배 규칙을 사용하여 오실로스코프를 선택하면 측정 결과의 오류는 +/-2% 미만이 되며 이는 일반적으로 오늘날 애플리케이션에 충분한 수준입니다. 하지만 신호 속도가 증가하면 이러한 일반론을 적용하지 못할 수도 있습니다. 대역폭이 높으면 신호를 더 정확하게 재현할 가능성도 높아진다는 점을 항상 유의하십시오(그림 46 참조).
일부 오실로스코프는 디지털 신호 처리를 통해 대역폭을 향상시키는 기능을 제공합니다. DSP 임의 이퀄라이제이션 필터가 오실로스코프의 채널 응답을 개선하는 데 사용될 수 있습니다. 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.
상승 시간
디지털 분야에서 상승 시간 측정은 매우 중요합니다. 펄스나 스텝과 같은 디지털 신호를 측정할 때는 상승 시간이 더 좋은 성능 고려 사항이 될 수 있습니다. 오실로스코프에는 고속 트랜지션의 세부 정보를 정확하게 캡처하는 데 충분한 상승 시간이 제공되어야 합니다.
상승 시간은 오실로스코프의 유효 주파수 범위를 의미합니다. 신호 유형에 필요한 오실로스코프 상승 시간을 계산하려면 다음 방정식을 사용하십시오.
이러한 오실로스코프 상승 시간 선정 기준이 대역폭의 경우와 유사하다는 점에 유의하십시오. 대역폭의 경우와 마찬가지로, 최신 신호의 엄청난 속도를 고려할 때 일반론이 항상 적용되는 것은 아닙니다. 더 빠른 상승 시간을 지원하는 오실로스코프가 고속 트랜지션의 주요 세부 정보를 더 정확하게 캡처할 수 있다는 점을 항상 기억하십시오.
경우에 따라 신호의 상승 시간 밖에 알 수 없을 때도 있습니다. 다음 방정식을 사용하면 상수를 통해 오실로스코프의 대역폭과 상승 시간을 계산할 수 있습니다.
샘플링 속도
샘플링 속도는 초당 샘플 수(S/s)로 정의되는데 디지털 오실로스코프에서 신호의 스냅샷 또는 샘플을 획득하는 빈도를 의미하며 영화 카메라의 프레임과 유사합니다. 그림 49에 나온 것처럼 오실로스코프의 샘플링이 빠를수록 즉, 샘플링 속도가 높을수록 표시되는 파형의 분해능과 세부 정보가 뛰어나며, 핵심 정보 또는 이벤트를 놓칠 확률이 적습니다. 오랜 시간에 걸쳐 느리게 변하는 신호를 검사해야 하는 경우에는 최소 샘플링 속도도 중요합니다. 일반적으로 수평 스케일 컨트롤에 변화가 있을 경우 표시되는 파형 레코딩에 포함되는 파형 포인트 수를 일정하게 유지할 수 있도록 표시되는 샘플링 속도도 변화됩니다.
Sin(x)/x 보간을 사용하여 정확하게 재구성하려면 오실로스코프의 샘플링 속도가 신호의 최대 주파수 컴포넌트보다 최소 2.5배 높아야 합니다. 선형 보간을 사용하는 경우 샘플링 속도가 신호의 최대 주파수 컴포넌트보다 최소 10배 이상 높아야 합니다.
필요한 샘플링 속도를 어떻게 계산할 수 있습니까? 그 방법은 측정하는 파형의 유형과 오실로스코프에서 사용하는 신호 재구성 방식에 따라 달라집니다.
Nyquist 원칙에 따르면 신호를 정확하게 재구성하고 앨리어싱을 방지하려면 신호를 최대 주파수 컴포넌트보다 최소 2배 빠른 속도로 샘플링해야 합니다. 하지만 이 원칙은 무한 레코드 길이와 연속 신호를 가정한 것입니다.
무한 레코드 길이를 지원하는 오실로스코프는 존재하지 않으며, 당연히 글리치도 연속적이지 않으므로 최대 주파수 컴포넌트의 2배 속도로 샘플링하는 것으로는 충분하지 않습니다.
실제로 정확한 신호의 재구성 여부는 샘플링 속도와 샘플 사이의 공백을 메우는 데 사용되는 보간 방식에 따라 결정됩니다. 일부 오실로스코프에서는 사인파 신호를 측정할 때 sin (x)/x 보간을, 방형파, 펄스 및 기타 신호에 대해서는 선형 보간을 선택할 수 있습니다. 샘플링 속도 20GS/s, 대역폭 5인 측정 시스템의 경우 대역폭의 최대 5배 오버 샘플링으로 초고속 1회성 및 이상 신호 이벤트를 캡처할 수 있도록 최적화 되었습니다.
파형 캡처 속도
오실로스코프는 깜박입니다. 이는 초마다 정해진 횟수만큼 아이를 열어 신호를 캡처하고 그 사이에는 아이를 닫고 있음을 의미합니다. 이를 파형 캡처 속도라고 칭하며, 초당 파형 수(wfms/s)로 표현합니다. 샘플링 속도가 한 파형 또는 사이클 내에서 오실로스코프가 입력 신호를 샘플링하는 빈도를 나타내는 것이라면, 파형 캡처 속도는 오실로스코프가 파형을 얼마나 빨리 획득하는지를 나타내는 용어입니다.
파형 캡처 속도는 오실로스코프의 유형 및 성능 수준에 따라 크게 달라집니다. 파형 캡처 속도가 빠른 오실로스코프는 신호 동작에 대해 훨씬 많은 시각적 정보를 제공하며, 지터, 런트 펄스, 글리치 및 트랜지션 오류와 같은 이상 신호 현상을 신속하게 캡처할 수 있는 확률도 현저히 높습니다(그림 50 및 그림 51 참조).
디지털 스토리지 오실로스코프(DPO)는 직렬 프로세싱 아키텍처를 사용하여 10~ 5,000wfms/s의 캡처 속도를 제공합니다. 일부 DPO는 여러 캡처를 다량의 메모리에 분출하여 일시적으로 높은 파형 캡처 속도를 제공한 다음 프로세싱의 장시간 정지로 간헐적인 이벤트를 캡처할 가능성이 낮은 특별한 모드를 제공하기도 합니다.
대부분의 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)는 병렬 프로세싱 아키텍처를 채택하여 훨씬 뛰어난 파형 캡처 속도를 제공합니다. 일부 DPO는 단 몇 초 안에 수백만 개의 파형을 획득할 수 있어 간헐적이며 놓치기 쉬운 이벤트를 캡처하고 신호의 문제를 신속하게 파악할 수 있는 가능성이 현저히 높아졌습니다. 더구나 DPO는 신호 동작(진폭, 시간, 시간별 진폭 분산)을 실시간으로 획득하여 3차원으로 표시하는 기능을 제공하므로 신호 동작에 대해 탁월한 수준의 시각을 확보할 수 있습니다.
레코드 길이
레코드 길이는 각 채널에서 캡처할 수 있는 데이터의 양을 결정하는 요소로, 전체 파형 레코드를 구성하는 포인트의 수로 표현됩니다. 오실로스코프는 제한적인 수의 샘플만을 저장할 수 있으므로 파형 지속 시간은 오실로스코프의 샘플링 속도에 반비례합니다.
최신 오실로스코프에서는 사용자의 애플리케이션에 필요한 세부 정보 수준을 최적화할 수 있도록 레코드 길이를 선택할 수 있습니다. 극도로 안정적인 사인파 신호를 분석하는 경우라면 500포인트의 레코드 길이면 충분하지만, 복잡한 디지털 데이터 스트림에서 발생하는 타이밍 이상의 원인을 찾는 경우라면 수백만 포인트 이상의 일정한 레코드 길이가 필요할 것입니다.
트리거링 기능
오실로스코프의 트리거 기능은 신호의 정확한 포인트에서 수평 스위프와 동기화되며, 이는 정확한 신호 특성화에 필수적입니다. 트리거 컨트롤을 사용하면 반복적인 파형을 안정화하고 1회성 파형을 캡처할 수 있습니다. 트리거링 기능에 대한 자세한 내용은 성능 용어 및 고려 사항에 있는 트리거 부분을 참조하십시오.
유효 비트
유효 비트란 사인파 신호의 형태를 정확하게 재구성할 수 있는 디지털 오실로스코프의 기능 척도입니다. 이 척도는 오실로스코프의 실제 오류를 이론상의 "이상적" 디지타이저의 오차와 비교합니다. 실제 오류에는 노이즈와 왜곡이 포함되므로 신호의 주파수와 진폭이 명시되어야 합니다.
주파수 응답
대역폭만으로는 오실로스코프가 고주파 신호를 정확하게 캡처할 수 있는지를 확인할 수 없습니다. 오실로스코프 설계의 목표는 특정한 유형의 주파수 응답 즉, MFED(Maximally Flat Envelope Delay)입니다. 이 유형의 주파수 응답은 최소한의 오버슈트와 링잉(ringing)으로 뛰어난 펄스 충실도를 제공합니다. 디지털 오실로스코프는 실제 증폭기, 어테뉴에이터, ADC, 상호 연결, 릴레이로 구성되어 있으므로 MFED 응답이 접근 가능한 유일한 목표입니다. 펄스 충실도는 모델과 제조사에 따라 상당히 다릅니다(그림 44에 설명된 개념 참조)
수직 감도
수직 감도는 수직 증폭기가 약한 신호를 얼마나 증폭할 수 있는지에 대한 지표로, 일반적으로 영역당 밀리볼트(mV)로 측정됩니다. 범용 오실로스코프에서 탐지 가능한 최소 전압은 일반적으로 수직화면 영역당 1mV 정도입니다.
스위프 속도
그림 54. TDS3000C 시리즈 오실로스코프는 표준 Centronics 포트와 옵션 이더넷/RS-232, GPIB/RS-232 및 VGA/RS-232 모듈과 같은 광범위한 통신 인터페이스를 제공합니다. 또한 전면부에 USB 포트(그림에는 나와 있지 않음)도 있습니다.
스위프 속도란 트레이스가 오실로스코프 화면을 얼마나 빠르게 지나가면서 세부 정보를 볼 수 있도록 하는지 나타내는 지표입니다. 오실로스코프의 스위프 속도는 영역당 시간(초)으로 표시됩니다.
게인 정확도
게인 정확도란 수직 시스템이 신호를 얼마나 정확히 감쇠 또는 증폭하는지에 대한 지표로, 일반적으로 백분율 오차로 표시됩니다.
수평 정확도(시간축)
수평 정확도(시간축)이란 수평 시스템이 신호의 타이밍을 얼마나 정확히 표시하는지에 대한 지표로, 일반적으로 백분율 오차로 표시됩니다.
수직 분해능(아날로그-디지털 컨버터)
ADC 즉, 디지털 오실로스코프의 수직 분해능이란 입력 전압을 얼마나 정확하게 디지털 값으로 변환하는지 나타내는 지표입니다. 수직 분해능은 비트 단위로 표시됩니다. 고해상도 획득 모드와 같은 계산 기법을 사용하면 유효 분해능을 높일 수 있습니다. 오실로스코프의 시스템 및 컨트롤 부분에서 수평 시스템 및 컨트롤 부분을 참조하십시오.
연결
측정 결과를 분석하는 것은 언제나 가장 중요한 과제입니다. 정보와 측정 결과를 고속 통신 네트워크를 통해 간편하게 자주 문서화 및 공유해야 하는 필요성 또한 중요해지고 있습니다. 오실로스코프의 연결 기능은 고급 분석 기능을 제공하며 결과의 문서화 및 공유를 간소화해 줍니다. 일부 오실로스코프는 표준 인터페이스(GPIB, RS-232, USB, 이더넷)와 네트워크 통신 모듈을 통해 폭넓은 기능과 컨트롤을 제공합니다.
일부 고급 오실로스코프에서는 다음과 같은 기능을 지원합니다.
■ 사용자 고유의 환경에서 계측기를 사용하는 도중에 오실로스코프에서 문서 작성, 편집 및 공유
■ 네트워크 프린팅 및 파일 공유 리소스 액세스
■ Windows짋 데스크톱 액세스
■ 타사분석 및 문서화 소프트웨어 실행
■ 네트워크에 연결
■ 인터넷 액세스
■ 이메일 송수신
확장성
오실로스코프는 사용자의 요구 변화를 수용할 수 있어야 합니다.
일부 오실로스코프에서는 다음과 같은 기능을 제공합니다.
■ 긴 레코드 길이를 분석할 수 있도록 채널에 메모리 추가
■ 애플리케이션별 측정 기능 추가
■ 완벽한 구성의 프로브와 모듈로 오실로스코프의 기능 보완
■ 널리 사용되는 타사 분석 및 Windows 호환 생산성 소프트웨어 지원
■ 배터리 팩 및 랙마운트 등의 액세서리 추가
애플리케이션 모듈과 소프트웨어를 활용하면 오실로스코프를 지터 및 타이밍 분석, 마이크로프로세서 메모리 시스템 검증, 통신 표준 테스트, 디스크드라이브 측정, 비디오 측정, 전력 측정 등 다양한 기능을 수행할 수 있는 고도로 전문화된 분석 툴로 변환할 수 있습니다.
사용 편의성
오실로스코프는 최대 효율성 및 생산성을 제공하기 위해 익히기 쉽고 사용하기 쉬워야 합니다. 차량 운전자가 전형적인 한 가지의 유형만 있는 것이 아니듯이, 오실로스코프 사용자의 유형도 다양합니다. 전통적인 계측기 사용자가 있는가 하면 Windows짋 인터넷 시대에 성장기를 보낸 사용자도 있습니다. 따라서 사용자 그룹을 만족시킬 수 있는 작동 방식의 유연성이 제공되어야 합니다.
많은 오실로스코프는 사용자가 계측기를 다양한 방식으로 작동할 수 있도록 지원함으로써 성능과 단순성 사이에 적절한 균형을 제공합니다. 전면부 레이아웃은 전용 수직, 수평 및 트리거 컨트롤을 제공합니다. 다양한 아이콘으로 구성된 그래픽 사용자 인터페이스는 고급 기능을 이해하고 직관적으로 사용하는 데 도움이 됩니다.
터치 스크린 디스플레이는 선명한 온스크린 버튼을 제공하며 복잡한 작업대와 관련한 문제를 해결해 줍니다. 온라인 도움말은 편리한 내장 참조 설명서를 제공합니다. 직관적인 컨트롤을 통해 오실로스코프를 자주 쓰지 않는 사용자라도 자동차를 운전하는 것처럼 오실로스코프를 편하게 사용할 수 있으며, 자주 이용하는 사용자는 오실로스코프의 최첨단 기능에 손쉽게 액세스할 수 있습니다. 더불어, 많은 오실로스코프는 휴대가 가능하여 실험실이나 현장 등 다양한 작업 환경에서 효율적으로 활용할 수 있습니다.
프로브
프로브는 신호 무결성을 보장하고 오실로스코프의 모든 성능과 기능에 액세스하도록 지원함으로써 측정 시스템에서 핵심적인 컴포넌트 역할을 합니다. 자세한 내용은 오실로스코프의 시스템 및 컨트롤 부분에 있는 전체 측정 시스템 또는 텍트로닉스의 프로브 기초 입문서를 참조하십시오.
그림 45. 오실로스코프의 대역폭은 사인파 입력 신호가 신호 유효 진폭의 70.7%(-3dB 포인트)로 감쇠되는 주파수입니다.
그림 46. 각각 250MHz, 1GHz, 4GHz 대역폭 범위로 캡처된 신호에서 볼 수 있는 것처럼 대역폭이 높을수록 신호가 더 정밀하게 재현됩니다.
그림 47. 고속 디지털 신호에 상승 시간 특성화
그림 48. 일부 로직 그룹은 다른 것보다 본질적으로 빠른 상승 시간을 가집니다.
그림 49. 더 빠른 샘플링 속도는 더 높은 신호 분해능을 제공하여 간헐적인 이벤트의 확인을 보장합니다.
그림 50. DPO는 비반복적인 고속 멀티 채널 디지털 설계 분야에 이상적인 솔루션입니다.
그림 51. DPO는 훨씬 뛰어난 파형 캡처 속도와 3차원 디스플레이를 통한 신호 동작에 대해 탁월한 수준의 시각을 제공하므로 광범위한 분야에서 최고의 범용 설계 및 문제 해결 툴이라고 할 수 있습니다.
그림 52. 이 변조된 85MHz의 반송파에 대한 고주파 세부 정보를 캡쳐하려면 고해상도 샘플링(100ps)이 필요합니다. 신호의 완벽한 변조 엔벨로프를 확인하려면 긴 지속 시간(1 ms)이 필요합니다. 긴 레코드(10MB)를 사용하면 오실로스코프에서 이를 모두 표시할 수 있습니다.
그림 53. 텍트로닉스 오실로스코프는 사람과 장비를 연결하여 시간을 절약하고 전체 작업 그룹의 생산성을 높여 줍니다.
그림 54. TDS3000C 시리즈 오실로스코프는 표준 Centronics 포트와 옵션 이더넷/RS-232, GPIB/RS-232 및 VGA/RS-232 모듈과 같은 광범위한 통신 인터페이스를 제공합니다. 또한 전면부에 USB 포트(그림에는 나와 있지 않음)도 있습니다.
그림 55. DPOJET 소프트웨어 패키지는 최신 고속 디지털 설계자의 지터 및 아이 측정 요구를 충족하기 위해 특별히 고안된 제품입니다.
그림 56. 고급DDRA 분석 툴은 read/write 버스트의 분리, JEDEC 측정 등과 같은 복잡한 메모리 작업을 자동화합니다.
그림 57. TDS3000C 시리즈 오실로스코프는 TDS3SDI 비디오 모듈로 비디오 문제 해결을 위한 신속한 만능 툴이 됩니다.
그림 58. MATLAB과 같은 고급 분석 및 생산성 소프트웨어를 Windows 기반 오실로스코프에 설치하여 로컬 신호 분석을 수행할 수 있습니다.
그림 59. 위치, 스케일, 명암 등을 제어하는 기존 아날로그 스타일의 노브로 익히 알고 있는 형태 그대로입니다.
그림 60. 터치 스크린 디스플레이는 선명한 온스크린 버튼을 제공하며 복잡한 작업대와 카트 관련 문제를 자연히 해결해 줍니다.
그림 61. 그래픽 컨트롤 창을 사용하면 가장 복잡한 기능에도 손쉽고 자신 있게 액세스할 수 있습니다.
그림 62. 많은 오실로스코프는 휴대가 가능하며 다양한 작업 환경에서 효율적으로 활용할 수 있습니다.
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