프로브 가이드 ①
프로브는 오실로스코프의 측정 연계망에서 첫 번째 연결 고리이다. 또한 이 측정 연계망의 견고성에서는 오실로스코프만큼이나 프로브도 중요하다. 부적절한 프로브 또는 서투른 프로브 사용법으로 첫 번째 연결 고리가 약해지면 나머지 연계망도 약해진다. 이번호부터 프로브의 장점과 단점에 영향을 주는 요소와 애플리케이션에 적합한 프로브를 선택하는 방법에 대해 설명할 것이다. 아울러 프로브를 올바르게 사용하는 데 중요한 몇 가지 팁도 제공한다.
자료제공: 텍트로닉스 / www.tektronix.co.kr
정밀 측정은 프로브 팁에서 시작됩니다.
프로브는 오실로스코프 측정에서 핵심적인 요소입니다. 그 중요성을 이해하기 위해 오실로스코프에서 프로브를 분리한 다음 측정을 시도해 보십시오. 전혀 측정이 불가능합니다. 측정할 신호와 오실로스코프의 입력 채널 사이에는 일종의 전기적 연결로 프로브가 존재해야 합니다.
프로브는 오실로스코프 측정에 핵심적일 뿐 아니라 측정 품질에도 중대한 영향을 주는 요소입니다. 프로브를 회로에 연결하면 회로의 작동에 영향을 줄 수 있으며, 오실로스코프는 프로브를 통해 오실로스코프 입력에 공급되는 신호만을 표시 및 측정할 수 있습니다.
따라서 프로브가 측정 회로에 최소한의 영향을 미치며, 원하는 측정 수준에 적합한 신호 충실도를 유지하는 것이 필수적입니다.
프로브가 신호 충실도를 유지하지 못하고, 어떤 방식으로든 신호를 변화시키거나 회로의 작동 방식을 변화시킬 경우 오실로스코프는 실제 신호의 왜곡된 버전을 인식하게 됩니다. 이는 잘못되거나 오해의 소지가 있는 측정으로 이어질 수 있습니다.
본질적으로 프로브는 오실로스코프의 측정 연계망에서 첫 번째 연결 고리입니다. 또한 이 측정 연계망의 견고성에서는 오실로스코프만큼이나 프로브도 중요합니다. 부적절한 프로브 또는 서투른 프로브 사용법으로 첫 번째 연결 고리가 약해지면 나머지 연계망도 약해집니다.
이번 호에서는 프로브의 장점과 단점에 영향을 주는 요소와 애플리케이션에 적합한 프로브를 선택하는 방법에 대해 설명합니다. 또한 프로브를 올바르게 사용하는 데 중요한 몇 가지 팁도 제공합니다.
프로브란?
첫 단계로 먼저 오실로스코프 프로브가 무엇인지 알아보겠습니다.
기본적으로 프로브는 테스트 지점 또는 시그널 소스와 오실로스코프 사이에 물리적, 전기적 연결을 만들어주는 장치입니다. 측정 요구 조건에 따라 이러한 연결은 긴 와이어처럼 간단한 방법으로, 또는 액티브 차동 프로브처럼 정밀한 방법으로 이루어질 수 있습니다.
이 시점에서는 오실로스코프 프로브가 시그널 소스를 오실로스코프의 입력에 연결하는 일종의 장치 또는 네트워크라는 점을 이해하는 것으로 충분합니다. 이 내용은 그림 1. 1에 나와 있으며, 프로브는 측정도표에서 정의되지 않은 상자로 표시되어 있습니다.
실제로 프로브는 어떤 것이든 시그널 소스와 오실로스코프 입력 사이에 적절한 편의성과 품질을 갖춘 연결을 제공해야 합니다(그림 1. 2).
연결의 적절함은 물리적 결합, 회로 동작에 대한 영향, 신호 전송이라는 세 가지 핵심 정의 요소로 결정됩니다. 오실로스코프 측정 작업을 하려면 먼저 프로브를 테스트 지점에 물리적으로 접촉할 수 있어야 합니다. 이를 위해 대부분의 프로브에는 그림 1. 2에 표시된 것처럼 최소 1미터 또는 2미터의 케이블이 연결되어 있습니다. 이와 같이 프로브 케이블이 연결되어 있으므로 오실로스코프는 카트 또는 작업대 위의 고정 위치에 두고 프로브를 테스트 대상 회로의 테스트 지점 사이로 이동할 수 있습니다. 하지만 이러한 편의성에는 단점도 따릅니다. 프로브 케이블로 인해 프로브의 대역폭이 감소되는데, 케이블이 길수록 감소 정도가 커집니다.
케이블 길이 외에도 대부분의 프로브에는 프로브 헤드 또는 손잡이와 프로브 팁이 있습니다. 프로브 헤드는 팁을 테스트 지점과 접촉하기 위해 움직이는 동안 프로브를 잡을 수 있는 부분입니다. 흔히 이 프로브 팁은 스프링 장착 고리 형태이며 실제로 프로브를 테스트 지점에 접촉할 수 있습니다.
프로브를 테스트 지점에 물리적으로 접촉하면 프로브 팁과 오실로스코프 입력 사이에 전기적 연결도 확립됩니다. 사용할 수 있는 측정 결과를 얻으려면 프로브를 회로에 연결했을 때 회로의 작동 방식에 미치는 영향이 최소여야 하며, 프로브 팁에서 신호가 적절한 충실도로 프로브 헤드와 케이블을 통해 오실로스코프의 입력으로 전송되어야 합니다.
물리적 연결, 회로 동작에 대한 최소한의 영향, 적절한 신호 충실도라는 이 세 가지 문제는 적절한 프로브를 선택할 때 고려해야 하는 요소를 대부분 포함합니다. 프로브의 영향과 신호 충실도가 더 복잡한 주제이므로 이 입문서의 대부분이 이 문제에 할애되어 있습니다. 하지만 물리적 연결 문제 또한 무시할 수 없습니다. 프로브를 테스트 지점에 연결하기 어려울 경우 대개 프로브 작업의 충실도가 떨어지게 됩니다.
이상적인 프로브
이상적인 세계의 이상적인 프로브라면 다음과 같은 핵심적인 특성을 제공해야 합니다.
■ 연결의 간편성 및 편의성
■ 완전 무결한 신호 충실도
■ 시그널 소스에 대한 부하 0
■ 완벽한 노이즈 면역성
연결의 간편성 및 편의성
테스트 지점에 대한 물리적인 연결이 프로브 작업의 핵심 요구 사항중 하나라는 점은 이미 언급한 바가 있습니다. 이상적인 프로브라면 손쉽고도 편리하게 물리적인 연결이 가능해야 합니다.
고밀도 SMT(표면 실장 기술)와 같은 소형화된 회로의 경우, 초소형 프로브 헤드와 SMT 장치용으로 설계된 다양한 프로브 팁 어댑터를 통해 연결의 간편성과 편의성을 촉진할 수 있습니다.
그러한 프로브 시스템이 그림 1. 3a에 나와 있습니다. 한편 소형화된 프로브는 높은 전압과 두꺼운 게이지 선이 흔히 사용되는 산업용 전력 회로와 같은 애플리케이션에 사용하기에는 너무 작습니다. 전력애플리케이션에는 안전 마진이 더 높으며 물리적으로도 더 큰 프로브가 필요합니다. 그림 1.3b 및 1.3c에 그러한 프로브의 예가 나와 있으며, 그림 1.3b는 고전압 프로브이고 그림 1.3c는 클램프온 전류 프로브입니다.
이러한 몇 가지 물리적 연결의 예로 미루어 보아 모든 애플리케이션에 이상적인 한 가지 프로브 크기 또는 구성은 없는 것이 분명합니다.
이로 인해 다양한 크기와 구성의 프로브가 개발되어 여러 애플리케이션의 물리적 연결 요구 사항을 충족하고 있습니다.
완전 무결한 신호 충실도
이상적인 프로브라면 모든 신호를 프로브 팁부터 오실로스코프 입력까지 완전 무결한 신호 충실도로 전송해야 합니다. 즉, 프로브 팁에서 발생되는 신호가 오실로스코프 입력에서 충실하게 재현되어야 합니다.
완전 무결한 충실도를 확보하려면 팁부터 오실로스코프 입력에 이르는 프로브 회로는 감쇠가 0이고, 무한의 대역폭을 가지며, 모든 주파수에서 선형 위상이어야 합니다. 이러한 이상적인 요구 사항은 현실적으로 달성하기 불가능할 뿐 아니라 비현실적입니다. 예를 들어, 오디오 주파수 신호를 다루는 경우 무한 대역폭의 프로브 또는 오실로스코프는 필요하지 않습니다. 또한 대부분의 고속 디지털, TV 및 기타 일반적인 오실로스코프 애플리케이션도 500MHz의 대역으로 처리할 수 있으므로 무한 대역폭이 필요 없습니다.
하지만 정해진 작동 대역폭 내에서 완전무결한 신호 충실도를 구현하는 것은 여전히 요구되는 이상향입니다.
시그널 소스에 대한 부하 0
테스트 지점 이면의 회로는 시그널 소스로 간주하거나 또는 모델링할 수 있습니다. 테스트 지점에 연결되는 프로브와 같은 모든 외부 장치는 테스트 지점 이면의 시그널 소스에 추가적인 부하로 작용합니다.
외부 장치는 회로(시그널 소스)에서 신호 전류를 끌어올 때 부하로 작용합니다. 이러한 부하 작용 또는 신호 전류 인출은 테스트 지점 이면의 회로 동작을 변경시키며, 따라서 테스트 지점에서 나오는 신호도 변경됩니다.
이상적인 프로브라면 시그널 소스에 부하를 발생시키지 않아야 합니다. 달리 말하자면, 시그널 소스에서 신호 전류를 끌어내지 않아야 합니다. 이는 전류 인출이 0이려면 프로브가 무한의 임피던스를 가져야 하며, 특히 테스트 지점에 대해 개방 회로를 제시해야 함을 의미합니다.
실제로 시그널 소스에 대한 부하가 0인 프로브는 만들 수 없습니다. 이는 오실로스코프 입력단에 신호 전압을 전달하려면 프로브가 일부 소량의 신호 전류를 끌어 써야 하기 때문입니다. 따라서 프로브를 사용할 때는 시그널 소스에 대한 약간의 부하 작용이 예상됩니다. 하지만 항상 적절한 프로브를 선택하여 부하의 양을 최소화하는 것이 목표가 되어야 합니다.
완벽한 노이즈 면역성
형광등과 팬 모터는 우리 주변에서 볼 수 있는 수많은 전기 노이즈 소스 중 2가지에 불과합니다. 이러한 소스는 주변의 전기 케이블 및 회로에 노이즈를 유도하여 신호에 노이즈가 추가될 수 있습니다. 유도 노이즈에 대한 취약성 때문에 오실로스코프 프로브에서 단순한 와이어는 이상적인 선택이 아닙니다.
이상적인 오실로스코프 프로브라면 모든 노이즈 소스에 완전히 면역이 되어야 합니다. 그 결과, 오실로스코프에 전달되는 신호에는 테스트 지점에서 나오는 신호에 비해 추가적인 노이즈가 없습니다. 실제로 차폐를 사용하면 대부분의 일반적인 신호 수준에서 프로브에 높은 수준의 노이즈 면역성을 확보할 수 있습니다.
하지만 노이즈는 여전히 일부 저레벨 신호에서 문제가 될 수 있습니다. 특히, 커먼 모드 노이즈는 나중에 설명하겠지만 차동 측정에서 문제가 될 수 있습니다.
프로브의 실체
앞서 이상적인 프로브 부분에서 실제 프로브를 이상적인 조건에 도달하기 어렵게 만드는 몇 가지 현실에 대해 논의했습니다. 이러한 문제가 오실로스코프 측정에 어떻게 영향을 주는지 이해하려면 프로브의 실체를 더 심층적으로 탐구해야 합니다.
첫째, 프로브가 단순한 와이어라 하더라도 잠재적으로 아주 복잡한 회로임을 인식하는 것이 중요합니다. DC 신호(주파수 0Hz)의 경우, 프로브는 일부 연속적인 저항과 종단 저항으로 이루어진 간단한 도체 쌍으로 나타납니다(그림 1. 4a). 하지만 AC 신호의 경우, 신호 주파수가 상승함에 따라 상황이 극적으로 변화합니다(그림 1. 4b). 상황이 변화하는 이유는 AC 신호의 경우 모든 와이어에 분산 인덕턴스(L)가 존재하며, 모든 와이어 쌍에 분산 커패시턴스(C)이 존재하기 때문입니다. 분산 인덕턴스는 신호 주파수가 상승할수록 AC 전류 흐름에 대한 방해가 심해지는 형태로 AC 신호에 반응합니다. 분산 커패시턴스은 신호 주파수가 상승할수록 AC 전류 흐름에 대한 임피던스가 낮아지는 형태로 AC 신호에 반응합니다. 이러한 무효 성분(L 및 C)의 상호 작용은 저항 성분(R)과 함께 신호 주파수에 따라 변화하는 전체 프로브 임피던스를 발생시킵니다. 적절한 프로브 설계를 통해 프로브의 R, L, C 성분을 제어하여 지정된 주파수 범위 전반에서 원하는 수준의 신호 충실도, 감쇠, 소스 부하 작용을 달성할 수 있습니다. 하지만 뛰어난 설계라도 프로브는 자체 회로 구성의 본질로 인해 한계를 가지게 됩니다. 프로브를 선택 및 사용할 때는 이러한 한계와 그 영향을 인지하는 것이 중요합니다.
대역폭 및 상승 시간의 한계
대역폭은 오실로스코프 또는 프로브가 작동하도록 설계된 주파수 범위를 의미합니다. 예를 들어, 100MHz 프로브 또는 오실로스코프는 최대 100MHz의 모든 주파수에서 사양 내로 측정이 가능하도록 설계되어 있습니다. 지정된 대역폭 이상의 신호 주파수에서는 원하지 않거나 예측 불가능한 측정 결과가 나올 수 있습니다(그림 1. 5).
일반적으로 정확한 진폭 측정을 위해서는 오실로스코프의 대역폭이 측정 대상 파형의 주파수보다 5배 더 커야 합니다. 이 "5배의 규칙"은 사각파와 같은 비사인파 파형의 고주파 컴포넌트에 대해 적절한 대역폭을 보장합니다.
또한 오실로스코프의 상승 시간도 측정 대상 파형에 적합한 수준이어야 합니다. 오실로스코프 또는 프로브의 상승 시간은 이상적인 순간 상승 펄스가 적용되는 경우 측정 가능할 상승 시간으로 정의됩니다.
펄스의 상승 또는 하강 시간을 측정하는 데 적절한 정밀도를 확보하려면, 프로브와 오실로스코프 조합의 상승 시간이 측정 대상 펄스의 상승 시간보다 3~5배 정도 더 빨라야 합니다(그림 1. 6). 상승 시간이 지정되지 않은 경우, 다음과 같은 관계를 통해 대역폭(BW) 사양에서 상승 시간(Tr)을 산출할 수 있습니다.
Tr = 0.35/BW
모든 오실로스코프에는 대역폭과 상승 시간 한계가 정의되어 있습니다. 마찬가지로, 모든 프로브에도 자체 대역폭 및 상승 시간 한계가 존재합니다. 프로브를 오실로스코프에 연결하면 새로운 세트의 시스템 대역폭 및 상승 시간 한계가 적용됩니다.
불행히도 시스템 대역폭과 오실로스코프 및 프로브의 개별 대역폭 사이의 관계는 간단하지가 않습니다. 상승 시간의 경우도 마찬가지입니다. 고급 오실로스코프 제조사들은 이러한 문제에 대응하여 오실로스코프를 특정 프로브 모델과 함께 사용할 경우의 대역폭 또는 상승 시간을 프로브 팁에 명기하고 있습니다. 이는 오실로스코프와 프로브가 함께 측정 시스템을 이루며, 시스템의 대역폭과 상승 시간이 측정 기능을 결정하는 요소이기 때문에 중요합니다. 오실로스코프의 권장 프로브 목록에 포함되지 않은 프로브를 사용하는 경우 예측 불가능한 측정 결과가 나올 위험을 감수해야 합니다.
다이나믹 레인지의 한계
모든 프로브에는 초과해서는 안 되는 고전압 안전 한계가 존재합니다. 패시브 프로브의 경우 이 한계가 수백 볼트에서 수천 볼트에 이를 수 있습니다. 하지만 액티브 프로브의 경우 최대 안전 전압 한계는 대개 수십 볼트 범위입니다. 신변 안전 위험과 더불어 프로브의 손상 가능성을 방지하려면 측정 대상 전압과 사용하는 프로브의 전압 한계를 알아두는 것이 좋습니다. 안전 고려 사항 이외에도 측정 다이나믹 레인지의 실용적인 측면도 고려해야 합니다. 오실로스코프에는 진폭 감도 범위가 있습니다. 예를 들어, 구역당 1mV~10V가 일반적인 감도 범위입니다. 8 구역 디스플레이의 경우, 이는 일반적으로 피크 대 피크 전압이 4mV에서 40V의 범위에 속하는 신호에 대해 상당히 정확한 측정이 가능함을 의미합니다.
이는 적절한 측정 분해능을 확보하기 위해 최소 4 구역의 신호 진폭 디스플레이를 가정한 것입니다.
1X 프로브(1배 프로브)의 경우 다이나믹 측정 레인지가 오실로스코프와 동일합니다. 위와 같은 경우 신호 측정 범위는 4mV~40V가 될 것입니다.
하지만 40V 범위를 넘는 신호를 측정해야 하는 경우라면 어떻겠습니까?
어테뉴에이터 프로브를 사용하여 오실로스코프의 다이나믹 레인지를 더 높은 전압으로 전환할 수 있습니다. 예를 들어 10X 프로브의 경우 다이나믹 레인지가 40mV~400V로 전환됩니다. 이는 입력 신호를 10의 계수로 감쇠함으로써 오실로스코프의 스케일을 10배로 증폭하는 효과를 제공하는 것입니다. 10X 프로브는 전압 범위가 최고 수준이며 시그널 소스에 대한 부하가 적기 때문에 대부분의 범용 용도에 선호됩니다. 하지만 매우 폭넓은 범위의 전압 레벨을 측정할 계획이라면 전환이 가능한 1X/10X 프로브를 고려하는 것도 좋습니다. 이 제품은 4mV~400V의 다이나믹 레인지를 제공합니다. 하지만 1X 모드의 경우 시그널 소수 부하와 관련하여 더 세심한 주의가 요구됩니다.
신호 부하
앞서 설명한 것처럼, 오실로스코프 입력단에 신호 전압을 전달하려면 프로브가 일부 소량의 신호 전류를 끌어 써야 합니다. 이에 따라 테스트 지점에서 부하가 발생되어 회로 또는 시그널 소스에서 테스트 지점에 전달하는 신호를 변화시킬 수 있습니다.
소스 부하 작용 효과의 가장 간단한 예는 배터리 구동 저항 네트워크를 측정하는 경우를 들 수 있습니다. 이 예가 그림 1. 7에 나와 있습니다. 그림 7a에서 프로브를 연결하기 전 배터리의 DC 전압은 배터리의 내부 저항(Ri) 및 배터리가 구동하는 부하 저항(Ri) 전반에 분산되어 있습니다. 도표에 지정된 값으로 출력 전압을 산출하면 다음과 같습니다.
Eo = Eb * RI/(Ri + RI)
= 100 V * 100,000/(100 + 100,000)
= 10,000,000 V/100,100
= 99.9 V
그림 1. 7b에서 프로브가 회로에 연결되어 RI와 병렬로 프로브 저항(Rp)이 위치하게 됩니다. Rp가 100kΩ이면 그림 1. 7b의 유효 부하 저항은 절반인 50kΩ이 됩니다.
Eo에 대한 부하 작용 효과는 다음과 같습니다.
Eo = 100 V * 50,000/(100 + 50,000)
= 5,000,000 V/50,100
= 99.8 V
99.9V 대 99.8V의 이러한 부하 작용 효과는 0.1%에 불과하며 대부분의 용도에서 무시할 수 있습니다. 하지만 Rp가 예를 들어 10kΩ 정도로 작다면 효과를 더 이상 무시할 수 없게 됩니다. 이러한 저항성 부하를 최소화하기 위해 1X 프로브는 일반적으로 1MΩ의 저항을, 10X 프로브는 일반적으로 10MΩ의 저항을 가집니다.
대부분의 경우 이러한 값이라면 저항성 부하가 거의 발생하지 않습니다. 하지만 고저항 소스를 측정할 경우 일부 부하 작용을 예상할 수 있습니다.
일반적으로 가장 우려가 되는 부하 작용은 프로브 팁의 커패시턴스으로 인한 것입니다(그림 1. 8 참조). 낮은 주파수의 경우 이러한 커패시턴스은 매우 높은 리액턴스를 가지며, 영향이 아주 적거나 없습니다. 하지만 주파수가 상승하면 용량성 리액턴스가 낮아집니다. 그 결과 높은 주파수에서 부하 작용이 커집니다.
이러한 용량성 부하는 대역폭을 감소시키고 상승 시간을 증가시킴으로써 측정 시스템의 대역폭 및 상승 시간 특성에 영향을 줍니다. 용량성 부하는 팁 커패시턴스 값이 낮은 프로브를 선택하는 방법으로 최소화할 수 있습니다. 다양한 프로브의 일반적인 커패시턴스 값이 아래 표에 나와 있습니다.
접지 리드도 와이어이므로 일정량의 분산 인덕턴스를 가집니다(그림 1. 9 참조). 이 인덕턴스는 프로브의 커패시턴스과 상호 작용하여 L 및 C 값에 의해 결정되는 특정 주파수에서 링잉을 발생시킵니다. 이러한 링잉은 피할 수 없으며, 펄스의 영향으로 진폭이 쇠퇴하는 사인 곡선으로 인식될 수도 있습니다. 프로브/오실로스코프 시스템의 대역폭한계 이상에서 링잉 주파수가 발생하도록 프로브의 접지를 설계함으로써 링잉의 영향을 줄일 수 있습니다.
접지 문제를 방지하려면 항상 프로브와 함께 제공되는 것 중에서 가장 짧은 접지 리드를 사용하십시오. 다른 접지 방법으로 대체할 경우 측정되는 펄스에서 링잉이 나타날 수 있습니다.
프로브는 센서입니다
오실로스코프 프로브의 실체를 다루는 데 있어 프로브가 센서라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 대부분의 오실로스코프 프로브는 전압 센서입니다. 이는 전압 신호를 감지 또는 검사하여 오실로스코프 입력으로 해당 전압 신호를 전달하는 것을 의미합니다. 한편 전압 신호 이외의 현상을 감지할 수 있는 프로브도 있습니다.
예를 들어, 전류 프로브는 와이어를 통해 흐르는 전류를 감지하도록 설계되어 있습니다. 프로브는 감지된 전류를 대응하는 전압 신호로 변환한 다음, 이를 오실로스코프의 입력단으로 전달합니다. 이와 비슷하게 광학 프로브는 광전력을 감지하여 이를 오실로스코프에서 측정할 수 있는 전압 신호로 변환합니다.
또는 오실로스코프 전압 프로브를 기타 여러 가지 센서 또는 트랜스듀서와 함께 사용하여 다양한 현상을 측정할 수 있습니다. 예를 들어 진동 트랜스듀서를 사용하면 오실로스코프 화면에서 기계류의 진동 신호를 볼 수 있습니다. 활용 가능성은 현재 시판 중인 트랜스듀서의 종류만큼이나 폭넓습니다.
하지만 모든 경우에 있어 트랜스듀서, 프로브 및 오실로스코프 조합을 하나의 측정 시스템으로 생각해야 합니다. 더구나 앞서 설명한 프로브의 실체가 트랜스듀서에도 확대 적용됩니다. 트랜스듀서도 대역폭 한계가 있으며, 부하 작용 효과를 일으킬 수 있습니다.
프로브 작업 팁
오실로스코프와 애플리케이션 요구 사항에 일치하는 프로브를 선택하면 필요한 측정을 수행할 수 있는 역량이 확보됩니다. 실제로 측정수행과 쓸모 있는 결과를 얻는 것은 툴을 어떻게 사용하느냐에 달려있습니다. 다음과 같은 프로빙 팁을 활용하면 측정에서 흔히 빠지기 쉬운 몇 가지 함정을 피할 수 있습니다.
프로브 보상
대부분의 프로브는 특정 오실로스코프 모델의 입력에 조합되도록 설계되어 있습니다. 하지만 오실로스코프마다 약간의 차이가 있으며, 동일한 오실로스코프에서도 입력 채널마다 차이가 있습니다. 필요할 경우 이러한 문제에 대응하기 위해 많은 프로브, 특히 어테뉴에이터 프로브(10X 및 100X 프로브)에는 보상 네트워크가 내장되어 있습니다.
프로브에 보상 네트워크가 있을 경우 이 네트워크를 조정하여 사용 중인 오실로스코프 채널에 맞게 프로브를 보상해야 합니다. 보상하려면 다음 절차를 따르십시오.
1. 프로브를 오실로스코프에 연결하십시오.
2. 프로브 팁을 오실로스코프 전면부에 있는 프로브 보상 테스트 지점에 연결하십시오(그림 1. 10 참조).
3. 프로브와 함께 제공된 조정 툴 또는 기타 비자성체 조정 툴을 사용하여 켈리브레이션 파형 디스플레이가 오버슈트 또는 라운딩 없이 상단이 평평하게 되도록 보상 네트워크를 조정하십시오(그림 1. 11 참조).
4. 오실로스코프에 켈리브레이션 루틴이 내장되어 있을 경우 이 루틴을 실행하면 더 높은 정밀도를 얻을 수 있습니다.
보상되지 않은 프로브를 사용하면 특히 펄스 상승 또는 하강 시간을 측정할 때 다양한 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 오류를 방지하려면 항상 프로브를 오실로스코프에 연결한 후 바로 보상을 시행하고 보상 상태를 자주 점검하십시오.
프로브 팁 직접 접촉 프로브 팁에 2인치 와이어 사용 프로브 리드에 28인치의 리드선을 연결한 상태 보상이 적절한 상태 또한 프로브 팁 어댑터를 변경할 때마다 프로브의 보상 상태를 점검하는 것이 좋습니다.
언제나 적절한 프로브 팁 어댑터 사용
측정 대상 회로에 적합한 프로브 팁 어댑터를 사용하면 프로브를 빠르고 편리하며 전기적으로 반복 가능하고 안정적으로 연결할 수 있습니다. 불행히도 프로브 팁 어댑터의 대체품으로 회로 지점에 짧은 길이의 와이어를 납땜하는 경우도 어렵지 않게 볼 수 있습니다.
문제는 1인치 또는 2인치 길이의 와이어라도 높은 주파수에서 상당한 임피던스 변화의 원인이 된다는 것입니다. 그 결과가 그림 1. 12에 나와 있으며, 회로에 프로브 팁을 직접 접촉하여 측정한 경우와 회로와 프로브 팁 사이에 짧은 와이어를 연결하여 측정한 경우입니다.
접지 리드는 가능한 짧고 일직선이 되도록 유지
대형 보드나 시스템의 성능 점검 또는 문제 해결을 진행할 때는 프로브의 접지 리드를 연장하고 싶은 유혹을 느낄 수 있습니다. 접지 리드를 연장하면 한번만 접지에 연결하고 프로브를 시스템 여기저기로 자유롭게 이동하면서 다양한 테스트 지점을 검사할 수 있습니다. 하지만 연장된 접지 리드로 인해 추가된 인덕턴스 때문에 고속 트랜지션 파형에 링잉이 발생할 수 있습니다. 그 예가 표준 프로브 접지 리드와 연장 접지 리드를 사용한 경우의 파형 측정 결과가 표시된 그림 1. 13에 나와 있습니다.
결론
이 첫 번째 장에서는 프로브의 적절한 선택과 올바른 사용에 필요한 모든 기본적인 정보를 제공하고자 노력했습니다. 다음 장에서는 이러한 정보에 대한 부연 설명과 함께 프로브 및 프로빙 기법에 대한 고급 정보를 소개합니다.
그림 1.1. 프로브는 오실로스코프와 테스트 지점 사이에 물리적, 전기적 연결을 만들어주는 장치입니다.
그림 1. 2. 대부분의 프로브는 프로브 헤드, 프로브 케이블, 보상 회로함 또는 기타 신호 조정 네트워크로 구성됩니다.
그림 1. 3. 여러 애플리케이션 기술과 측정 요구에 대응하는 다양한 프로브.
a. SMT 장치의 프로브 작업
b. 고전압 프로브
c. 클램프온(Clamp-on) 전류 프로브
그림 1. 4. 프로브는 분산된 저항, 인덕턴스, 커패시턴스(R, L, C)으로 구성된 회로입니다.
그림 1. 5. 프로브와 오실로스코프는 작동 대역폭에서 사양에 따른 측정이 가능하도록 설계됩니다. 3dB 지점 이후의 주파수에서는 신호 진폭이 지나치게 감쇠되므로 측정 결과를 예측하기 어려울 수 있습니다.
그림 1. 6. 상승 시간 측정 오류는 위 표를 이용하여 예측할 수 있습니다. 측정 대상 펄스보다 상승 시간이 3배 빠른 오실로스코프/프로브 조합의 경우(3:1 비율) 해당 펄스의 상승 시간은 5% 이내까지 측정 가능한 것으로 예측됩니다. 5:1 비율이면 오류는 2%로 줄어듭니다.
그림 1. 7. 저항성 부하의 예
그림 1. 8. AC 시그널 소스의 경우 프로브 팁 캐패시턴스(Cp)은 부하와 관련하여 가장 중요한 고려 사항입니다. 신호 주파수가 상승하면 용량성 리액턴스(Xc)가 감소되어 더 많은 신호가 커패시터를 통과하게 됩니다.
그림 1. 9. 프로브 접지 리드는 회로에 인덕턴스를 추가합니다. 접지 리드가 길수록 인덕턴스가 커지며, 고속 펄스에서 링잉(ringing)이 발생할 확률도 높아집니다.
그림 1. 10. 프로브 보상 조정은 프로브 헤드에서 또는 보상 회로함이 오실로스코프 입력에 연결된 경우 보상 회로함에서 가능합니다.
그림 1. 11. 사각파에 대한 프로브 보상 효과의 예
보상이 과도한 상태
보상이 부족한 상태
보상이 적절한 상태
그림 1. 12. 테스트 지점에 짧은 길이의 와이어라도 납땜할 경우 신호
충실도 문제를 일으킬 수 있습니다. 이 경우 상승 시간이 4.74ns에서 5.67ns로 변화되었습니다.
프로브 팁 직접 접촉
프로브 팁에 2인치 와이어 사용
그림 1. 13. 프로브 접지 리드를 연장할 경우 펄스에 링잉 현상이
발생할 수 있습니다.
6.5인치의 프로브 접지 리드
프로브 리드에 28인치의 리드선을 연결한 상태
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