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오실로스코프를 선택할 때 고려해야 할 12가지 사항 (1)

입력 : 2017.03.14 14:32

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오실로스코프는 전자 장비를 설계, 제조 또는 수리하는 엔지니어들에게 기본적인 장비다. 


DSO(디지털 스토리지 오실로스코프)는 파형을 획득하고 저장한다. 또한 다수의 채널에 걸쳐 반복적이거나 단발적으로 발생되는 고속 신호를 보여주므로 놓치기 쉬운 글리치와 이상신호 이벤트를 획득할 수 있다.


스코프는 신호의 주파수, 오작동하는 부품이 신호를 왜곡시키고 있는지 여부, 신호 중의 노이즈비율, 노이즈가 시간에 따라 변화하는지 여부를 비롯하여 수많은 정보를 제공한다.


간단히 말하자면, 어떤 스코프를 선택하든 관계없이 다음과 같은 사항을 만족해야 한다.


■ 신호를 정확하게 획득해야 한다.

■ 측정절차 및 측정시간을 줄일 수 있는 다양한 기능을   제공해야 한다.

■ 단순한 통상 사양뿐 아니라 보증 사양을 제공해야 한다.


정확도. 검토할 신호가 (아날로그) 오디오 및 트랜스듀서 신호인지 또는 (디지털) 펄스 및 계단파 신호인지 잘 알고 있어야 한다. 디지털 신호를 검토하는 경우 상승 시간을 측정할 것인가, 아니면 단순히 대략적인 신호의 시간적 차이 관계를 확인하려는 것인가? 


스코프를 설계 요소를 검증하는 데 사용할 것인가, 아니면 주로 디버깅에 사용할 것인가? 어떤 경우든 시작 단계의 정확한 신호 획득이 이후의 신호 처리보다 더 중요하며, 정확한 정보가 있어야 결정을 내릴 수 있고 항상 컴퓨터에서 정보를 처리할 수 있다.


기능. 현재의 시스템 설계뿐 아니라 차세대까지 염두에 두어야만 한다. 고품질 스코프는 오랫동안 신뢰성 높은 서비스를 제공할 것이다.


보증 사양. 측정해야 하는 모든 파라미터가 오실로스코프 데이터시트에 ‘보증 사양’으로 명시되어 있는지 확인해야 한다. ‘통상’ 사양으로 열거된 파라미터는 단지 오실로스코프의 성능을 나타낼 뿐이며, 인정받는 품질 표준에 따라 의미 있는 측정을 수행하는 데 사용할 수는 없다.



1. 대역폭


시스템 대역폭은 아날로그 신호 측정과 관련하여 오실로스코프의 기본적인 기능 즉, 정확하게 측정할 수 있는 최대 주파수 범위를 결정하는 요소다.


[What you need]

■ 보급형 스코프의 최대 대역폭은 일반적으로 100MHz이며, 최대 20MHz까지의 사인파 신호 진폭을 정밀하게(2% 이내) 표시할 수 있다.


■ 디지털 신호의 경우, 오실로스코프가 1차, 3차, 5차 고조파 신호성분을 획득할 수 있어야 하며 그렇지 않으면 핵심적인 특징이 표시되지 않는다. 따라서 ±2% 이상의 측정 오류를 유지하려면 스코프와 함께 프로브의 대역폭이 최대 신호 대역폭의 최소 5배에 근접해야 하고, 이를 ‘5배의 규칙’이라 한다. 이는 또한 정확한 진폭 측정에도 필요한 요소다.


■ 따라서 고속 디지털, 시리얼 통신, 비디오 및 기타 복잡한 신호에는 대역폭이 500MHz 이상인 스코프가 필요하다.


‘5배의 규칙’

대역폭을 선택할 때는 ‘5배의 규칙’을 사용하라. 대역폭이 너무 낮으면 진폭은 왜곡되며, 에지가 사라지고, 세부 정보가 손실되어, 오실로스코프에서 고주파 변화를 분석할 수 없다. 


2. 상승시간


아날로그 엔지니어에게는 대역폭이 중요하지만, 디지털 엔지니어의 경우 펄스 및 스텝과 같은 신호의 상승 시간이 더 중요하다.


[What you need]

■ 상승 시간이 빠를수록 고속 트랜지션의 중요한 세부 정보가 더욱 정밀해진다. 빠른 상승 시간은 또한 정확한 시간 측정에도 필요한 요소다.


■ 상승 시간은 로 정의되며, 여기서 k는 0.35(일반적으로 대역폭이 1GHz 미만인 스코프) 및 0.40에서 0.45(1GH z 이상) 사이의 값이다.


■ 대역폭과 비슷하게 오실로스코프의 상승 시간도 신호의 가장 빠른 상승 시간의 1/5 미만이어야 한다.

예를 들어 상승 시간이 4ns라면 상승 시간이 800ps보다 빠른 스코프가 필요하다.

참고: 대역폭의 경우와 마찬가지로 이러한 일반론을 항상 지킬 수는 없다.


■ TTL 및 CMOS 의 경우 400~300ps의 상승 시간이 필요할 수 있다.


정확한 상승 시간 측정이 핵심

대부분의 로직 그룹은 권장 클럭 속도보다 빠른 상승 시간(에지 속도)을 가진다. 클럭 속도가 20MHz인 프로세서도 800MHz 프로세서와 유사한 상승 시간의 신호를 가질 수 있다. 상승 시간은 사각파 및 펄스를 연구하는 데 중요하다.


사각파는 TV와 컴퓨터의 증폭기 왜곡과 타이밍 신호를 테스트하는 표준이다. 펄스는 글리치 또는 정보 비트를 나타낼 수 있으며, 테스트 대상 회로에 비해 상승 시간이 너무 느리면 시간 축에서 펄스가 이동해 잘못된 값을 제공할 수 있다.


▲ 250MHz, 1GHz, 4GHz의 대역폭으로 캡처된 신호


▲ 대역폭은 사인파 입력 신호가 유효 진폭의 70.7%로 감쇠되는 주파수로

정의된다 (-3dB 또는 ‘하프 파워’ 지점, 예를 들어 위와 같이 1GH z 스코프의

대역폭을 표시할 경우).


▲ 스코프의 상승 시간이 고속 트랜지션을 정확하게 캡처하기에 충분히

빨라야 한다.


3. 프로브 매칭


정밀 측정은 프로브 팁에서 시작된다. 프로브의 대역폭이 오실로스코의 대역폭과 일치해야 하며(여기서도 ‘5배의 규칙’ 적용), DUT(테스트 대상 장치)에 과부하가 걸리지 않도록 해야한다.


[What you need]

■ 프로브는 실제로 측정 결과를 변화시키는 저항성, 용량성, 유도성 부하를 유입하면서 회로의 핵심적인 일부가 된다. 그 영향을 최소화하려면 스코프와 동일한 제조업체의 프로브를 사용해 통합 솔루션을 구성하는 것이 가장 좋다.


■ 부하도 매우 중요하다. 표준 패시브 프로브의 저항성 부하는 일반적으로 무난한 10MΩ이상이다. 하지만 고주파에서는 10, 12 또는 15pF(피코패럿)의 용량성 부하라도 심각한 문제가 된다.


■ 미드 레인지급 스코프를 선택할 때는 용량성 부하가 10pF 미만인 프로브를 선택해야 한다. 사양이 높은 패시브는 1GHz의 대역폭과 4pF 미만의 용량성 부하를 제공한다.


다양한 범위의 프로브 사용

먼저 높은 대역폭과 낮은 부하의 패시브 프로브를 선택해라. 접지 기준의 액티브 프로브는 1~4GHz의 대역폭을 제공하며, 디퍼런셜 액티브 프로브는 20GHz 이상이다. 전류 프로브를 추가하면 스코프에서 순간 전력, 유효 전력, 피상 전력, 위상을 계산하여 표시할 수 있다. 고전압 프로브는 최대 40kV 피크까지 측정할 수 있다.


▲ 프로빙 해답 찾기: 전압, 전류 또는 둘 다 측정할 계획인가? 신호의

주파수는 어떤 범위인가? 진폭은 얼마나 큰가? DUT의 소스 임피던스가

낮은가, 또는 높은가? 신호를 디퍼런셜 형태로 측정해야 하나? 원하는

작업에 따라 필요한 프로브가 결정된다.


▲ 혼합 도메인 오실로스코프는 MSO와 같이 아날로그 및 디지털 채널을

모두 제공할 뿐만 아니라 스펙트럼 분석기와 같은 역할을 하는 전용 RF 입력

채널도 포함되어 있다.


4. 입력 채널의 정확성과 충분한 수


디지털 스코프는 아날로그 채널을 샘플링해 저장하고 표시한다. 일반적으로 채널이 많을수록 좋지만 채널이 추가되면 가격도 높아진다.


[What you need]

■ 애플리케이션에 따라 2, 4, 8 또는 16채널 중 어떤 것을 선택할 지가 결정된다. 아날로그 채널 2개 또는 4개로는 파형의 신호 타이밍을 확인하고 비교할 수 있지만, 패러럴 데이터가 포함된 디지털 시스템을 디버깅하려면 추가로 8 또는 16채널 또는 그 이상이 필요하다.


■ 혼합 신호 오실로스코프에는 하이 또는 로우 상태를 나타내며 버스 파형과 함께 표시될 수 있는 디지털 타이밍 채널이 추가된다. 최신 혼합 도메인 오실로스코프에는 주파수 영역에서 고주파 측정을 수행할 수 있는 전용 RF 입력이 추가된다.


■ 어떤 제품을 선택하든 모든 채널이 적절한 범위, 선형성, 이득 정확도, 평탄도, 정전기 방지 내성을 갖추어야 한다.


■ 채널 사이에 샘플링 시스템을 공유하여 비용을 절감한 계측기도 있다. 하지만 켤 수 있는 채널의 수에 따라 샘플링 속도가 줄어들 수 있음에 유의해야 한다.


■ 채널 격리로 플로팅 측정을 간소화할 수 있다. 접지 기준 스코프와 달리 입력 커넥터 셸을 서로 그리고 대지 접지로부터 절연할 수 있다.


충분한 채널 선택

스코프에 시간 상관 관계의 아날로그 및 디지털 채널이 더 많을수록 회로 내에서 동시에 더 많은 지점을 측정할 수 있으며, 예를 들어 넓은 패러럴 버스를 더 쉽게 디코딩할 수 있다. 예를 들어 오른쪽 스코프 화면상에는 아날로그 2개, 디지털 8개, 디코딩된 버스 파형 1개가 나와 있다.


▲ 신호의 정확한 재구성 여부는 샘플링 속도와 사용하는 보간 방식에 따라

결정된다. 선형 보간은 샘플 포인트를 직선으로 연결하지만, 이 방식은 직선

에지 신호의 재구성에만 사용할 수 있다. Sin x/x 보간은 포인트를 계산해

실제 샘플 사이의 시간을 메우는 수학적 프로세스다. 이 보간 방식은 순수한

사각파 및 펄스보다 실제 생활에서 훨씬 흔한 곡선의 불규칙한 신호에

적합하다. 결과적으로 s i n x / x 보간은 샘플링 속도가 시스템 대역폭의

3~5배인 애플리케이션에서 선호되는 방식이다.


5. 빠른 샘플링 속도


오실로스코프의 샘플링 속도는 영화 카메라의 프레임 속도와 유사하며, 스코프에서 캡처할 수 있는 파형 세부 정보의 양을 결정한다.


[What you need] 

■ 샘플링 속도(초당 샘플 수, S/s)는 오실로스코프가 신호를 샘플링하는 빈도다. 여기서도 ‘5배의 규칙’이 권장되며, 회로에서 주파수가 가장 높은 부품의 최소 5배에 해당하는 샘플링 속도를 사용해라.


■ 오랜 시간에 걸쳐 느리게 변하는 신호를 검사해야 하는 경우에는 최소 샘플링 속도도 중요할 수 있다.


■ 보급형 스코프의 (최대) 샘플링 속도는 대부분 1~2GS/s이며, 중급 스코프는 5~10GS/s 사이다.


■ 샘플링 속도가 빠를수록 상실되는 정보가 줄어들며 스코프에서 테스트 대상 신호를 더 잘 나타낼 수 있다. 하지만 캡처 시간을 제한하는 요소인 메모리가 더 빠르게 소진된다.


글리치를 포착하려면 속도가 필요!

Nyquist 원리에 따르면 신호를 정확하게 재구성하고 앨리어싱(낮은 샘플링으로 인해 잘못된 신호로 복원되는 결함)을 방지하려면 신호를 최대 주파수 컴포넌트보다 최소 2배 빠른 속도로 샘플링해야 한다.


하지만 Nyquist 원리는 최소 한계이며 사인파에만 적용되고 연속적인 신호를 가정한다. 글리치는 본래 연속적이지 않으며, 일반적으로 최대 주파수 컴포넌트의 2배 속도로만 샘플링하는 것으로는 충분하지 않다. 결론: 샘플링 속도가 높으면 분해능도 증가하며, 간헐적인 이벤트를 확실하게 볼 수 있다.


6. 트리거링


트리거링은 안정적인 디스플레이를 제공하며, 복잡한 파형의 특정 부분을 집중적으로 확인할 수 있도록 해준다.


[What you need]

■ 모든 오실로스코프는 에지 트리거링을 제공하며, 대부분은 펄스 폭 트리거링을 제공한다.


■ 이상 현상을 획득하고 스코프의 레코드 길이를 최대한 활용하려면 더 까다로운 신호에서 첨단 트리거링 기능을 제공하는 스코프를 찾아라.


■ 사용 가능한 트리거 옵션의 범위가 넓을수록 스코프의 기능이 다양해진다(또한 문제의 근본 원인을 더 빠르게 파악할 수 있음!).


- A & B 시퀀스 트리거링; 시간별 지연 또는 이벤트별 지연

- 라인/프레임/HD 신호 등에 대한 비디오 트리거링

- 로직 트리거링: 슬루 레이트, 글리치, 펄스 폭, 시간 초과, 런트, 셋업 & 홀드

- 통신 트리거: 임베디드 시스템 설계에는 시리얼(I2C, SPI,CAN/LIN, USB …) 및 패러럴 버스가 모두 사용된다.


첨단 트리거로 정확한 정보 찾기

트리거링을 사용하면 파형 그룹을 격리하여 잘못된 부분을 확인할 수 있다. 특별한 트리거는 입력 신호 내의 특정 조건에 대응하므로 예를 들어 더 좁은 펄스도 손쉽게 탐지할 수 있다.


▲ 트리거링은 단순히 현재 트레이스가 끝나게 된 지점에서 다음

트레이스를 시작하는 것이 아니라, 신호의 정확한 지점에서 수평 스위프를

동기화한다. 단일 트리거로 모든 입력 채널을 동시에 획득할 수 있다.


한국텍트로닉스

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