PC 기반의 디지타이저와 디지털 오실로스코프

디지털 기술이 발전함에 따라, 연구 분야에 종사하는 엔지니어들은 새로운 개발 프로젝트에 사용될 신호 측정 장비를 두고 끊임없이 고민해야 하는 상황이 됐다. 스탠드얼론 디지털 스토리지 오실로스코프를 사용할 것인지, 또는 PC와 함께 프로젝트에 맞는 디지타이저를 선택하여 API 응용 프로그램에 의한 PC 기반 시스템을 구성할 것인지 결정해야 하는 것이다.

이윤원 엘텍 대표

디지털오실로스코프와 PC 기반 디지 타이저에 있어서 공통적인 부분은 ADC 칩이다. 이것은 장비의 심장과 같은 역 할을 담당한다. 과거의 DOS는 박스 안 에 ADC 보드와 메인보드, 컨트롤 보드 와 컨트롤 패널의 knob에 의해 조절되 어 디스플레이, 분석, 세팅을 실시하고 PC와 데이터를 전송하기 위해 리모트 카드를 사용함에 따라 느린 전송 속도 와 낮은 CPU 성능을 갖고 있었다.

 그러나 최근의 고성능 DSO(Digital Storage Oscilloscope)는 박스 안에 윈 도우 OS가 설치돼 있으며 이것을 이용 하여 프로그래밍한 기능으로 신호를 측 정, 분석하는 제품이 출시됐다는 점에 서도 DSO가 PC 기반의 제품으로 바뀌 고 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 아직 도 박스 안에 모든 H/W와 S/W 기능을 넣어 고객이 눈치채지 못하도록 하고 있으며, 추가적인 H/W나 S/W 설치는 허용되지 않는다. 이러한 관계로 고가 의 가격이라도 선택의 여지가 없다.

 

 

DSO의 장점 

DSO의 첫 번째 장점은, 아날로그 오 실로스코프처럼 빠른 신호를 리프레시 하며 가시적으로 관측할 수 있도록 한 phosphor 기술을 물려받았다는 것이 다. 따라서 최근의 DSO는 윈도우에 의 해 컨트롤되기는 하지만, 특별히 설계 된 H/W와 S/W로 신호를 빠르게 디스 플레이되도록 구현했다. 이러한 기술은 디지털 phosphor라고도 불린다.

두 번째 장점은 폭넓은 신호 조절 능 력을 갖고 있다는 것이다. 대부분의 DSO는 PC 디지타이저보다 넓은 신호 대역폭과 전압 범위를 갖고 있다. 또한 프로브의 기술은 높은 전압과 10GHz 이상의 주파수 대역을 측정할 수 있도 록 해준다

고속 샘플링과 입력 대역폭(40GS/sec 이상의 샘플링 속도와 10GHz 이상의 주파수 대역폭)을 제공하는 것이 스탠드 얼론 DSO의 이점이라고 할 수 있다. 이 와 같은 것을 가능케 하는 것이 바로 DSO 제조업자의 ADC 칩 기술과 특별 히 설계된 프로브 기술이며, 높은 주파 수 대역과 고속 샘플링을 측정하는 요구 를 이와 같은 DSO가 대응하게 된다.

디지타이저의 장점

PC 기반 디지타이저의 첫 번째 장점은 개방된 PC 환경에서 고객의 요구 조 건에 맞게 수정 가능하다는 것이다. PC 는 일반적인 계측 기능과 컨트롤 및 이 미지 처리 등을 수행하는 H/W, 디지타 이저 카드를 혼합하여 컨트롤할 수 있 는 소프트웨어를 장착하여 고객의 요구 에 적합한 커스터마이징 시스템으로 사 용될 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이에 따라 차후 시스템 업그레이드와 수정이 편리해지며, 적은 예산으로도 업그레이 드할 수 있게 된다. 이러한 방향에서 PC는 고객의 계측 시스템으로 변환될 수있게된다.

두 번째 장점은, 데이터 전송 속도가 빠르다는 것이다. 새로 출시되는 PCIe x8 lane Gen2급 디지타이저 카드는 PC 메모리로 전송되는 데이터 속도가 3.1GB/sec이며 PCIe 버스의 전송 속도 는 1.6GB/sec이다. 이것으로 박스형 DSO보다 실시간 데이터 처리 속도와 실시간 신호 프로세싱이 더욱 빠르다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 처리 속도 는, PC CPU의 고성능화와 디지타이저 에 온 보드 장착된 FPGA에 의해 고성 능의 실시간 PC 기반 계측 시스템이 가 능해졌다는 것을 의미한다.

참고로, 실시간 DSO라고 소개된 어 떤 업체의 DSO에는 셀러론 CPU와 윈 도우 2000이 설치돼 있다. 이것은 현재 PC의 CPU와 비교했을 때 10여 년 전의 CPU 속도인 칩을 채택하여 사용했다는 것이다. 이것이 실시간인지는 고객의 판단에 맡긴다.

세 번째 장점은, 분해능이 높고 메모 리 확장과 채널 확장, 소프트웨어 수정 등의 시스템 업그레이드가 가격적인 면 에서 DSO보다 저가이며 용이하다는 것 이다. 이것은 고객이 필요한 부분을 손 쉽게 업그레이드할 수 있다는 것을 의 미한다.

DSO의 일반적인 분해능은 8bit이 다. 이것은 256레벨로 수직축을 나누 어 전압을 측정한다는 의미이다. 그러 나 디지타이저 카드는 이보다 높은 12, 14, 16bit 분해능, 즉 4096, 16384, 65536레벨로 수직 측 전압을 나누어 측정한다는 의미이다. 이것은 신호 측 정에 필요한 감도를 결정하므로, 더 정 확한 신호 분석을 위한 센싱 감도를 높 여 준다.

DSO의 채널은 기본이 2채널 혹은 4 채널이다. 더 이상의 채널 확장은 불가 능하다. 그러나 PC 기반의 디지타이저 카드는 최대 32채널 또는 64채널까지 확장 가능하며 동시 트리거닝, 동시 측 정도 제공한다.

DSO는 기본 메모리가 10MS 이하이 며, 추가로 메모리를 업그레이드하려면 최소 수천 만 원의 비용을 지불해야 한 다. 그러나 PC 디지타이저에서 제공되 는 메모리는 기본이 1GS이며 2, 4, 8, 16GS까지 확장할 수 있는데, 이와 같은 메모리의 용량은 200MS/sec 리얼타임 샘플링 속도로 12bit 이상의 분해능 데 이터를 80초 동안 저장할 수 있는 크기 이다. 가격 또한 DSO에 비해 1/10 수 준 이하로 구입할 수 있다. 실시간 신 호 측정 시 큰 용량의 메모리는 선택이 아닌 필수 조건인 만큼 통신, 인공위 성, 레이더 등에 적용되는 디지타이저 가 늘어나고 있는 것도 이와 같은 맥락 이라 할 수 있다.

PCIe Bus에 의한 데이터 스트리밍 시스템

디지털 기술의 발전은 디바이스 성능 에 영향을 미치고 있으며 더 많은 더 빠 른 데이터의 양을 저장하고 처리해야 하는 한계에 직면했다. 박스형 디지털 오실로스코프에는 이와 같은 고객의 요 구에 부합하는 장비가 없다. 그러나 디 지타이저 카드인 PCIe나 PXIe 카드로 이러한 한계를 극복하는 시스템이 개발 되고 있으며 일부 시스템은 이미 소개됐다. 이것은 또한 데이터 스트리밍이 라고도 하며 RAID 0 데이터 저장 시스 템이라고도 불린다. 이와 같은 시스템 을 구축할 수 있는 이유로는, PC 기반 에서 사용되는 윈도우 OS가 PCIe 버스 를 통해 HDD나 SDD에 실시간 저장되 는 드라이버 커넬을 받아들이기 시작했 다는 것을 들 수 있다.

PCIe 디지타이저 카드로 데이터 스트 리밍 시스템을 구축하려면 바로 이와 같은 전문 드라이버가 제공돼야 하며 최대 4Tbyte의 신호 저장 시스템을 구 축할 수 있다. 이 때의 데이터 전송 속도 는 400MB/sec에서 1.6Gbyte/sec의 데 이터 기록 시간이 된다. 이것은 12bit급 이상, 8채널 동시 50∼80MS/sec 이상 의 실시간 데이터 저장 속도를 갖게 된 다. 만약 16bit 200MS/sec로 데이터를 저장한다면 약 60분 동안 데이터를 실 시간 저장할 수 있다.

Different approaches

광/통신/레이더/AE/NDT/Laser/ Shock/SONAR/OCT 등 거의 모든 분 야에서 리얼타임으로 샘플링하고 데이 터를 실시간 분석하여 이미지 처리 등 의 디스플레이를 표시하는 연구가 활발 히 진행되고 있다. 이와 같은 목적으로 장비를 사용한다면 DSO와 디지타이저 중 어떤 솔루션을 선택해야 할까?

DSO의 경우, 빠른 신호의 반복 주 기 신호 측정과 신호 분석을 위해 프로 그램화된 측정값을 판독하는 데에는 앞서 설명한 바와 같이 PC 기반의 디 지타이저보다 훨씬 빠르고 편리하다. 그러나 리얼타임 샘플링한 데이터를 PC 메모리에서 읽은 후, 신호 분석 및 이미지 처리 등을 실행하는 응용 연구 분야에서는 PC 기반의 디지타이저가 박스형 DSO보다 성능 면에서 효과적 이다.

이와 같은 결론에서 봤을 때, 어느 쪽 H/W가 고객의 실험 분야에 적용될 것 인지는 솔루션에 따라 고객이 선택해야 할 사항이라고할수있다.