오실로스코프 기초

디지털 스토리지 오실로스코프 (DSO)

일반적인 디지털 오실로스코프는 디지털 스토리지 오실로스코프(DSO)라고 불립니다. 이 장비의 디스플레이는 기존 아날로그 오실로스코프에 사용되던 형광체 기반 디스플레이 대신, 일반적으로 래스터 스캔 방식의 디스플레이를 사용합니다.

DSO는 단 한 번만 발생하는 이벤트인 과도(transient) 신호를 캡처하고 관측할 수 있게 해줍니다. 파형 정보가 일련의 저장된 이진 값의 디지털 형태로 존재하기 때문에, 오실로스코프 자체 또는 외부 컴퓨터를 통해 분석, 저장, 인쇄 및 다양한 처리가 가능합니다.

파형은 반드시 연속적일 필요는 없습니다. 신호가 사라지더라도 표시할 수 있습니다. 아날로그 오실로스코프와 달리, DSO는 영구적인 신호 저장 기능과 고급 파형 처리 기능을 제공합니다. 하지만 일반적으로 DSO는 실시간 강도 구분(intensity grading)을 제공하지 않기 때문에, 실시간 신호의 다양한 강도 수준을 표현할 수 없습니다.

DSO의 일부 하위 시스템은 아날로그 오실로스코프의 구성과 유사합니다. 하지만 DSO는 전체 파형의 데이터를 수집하고 표시하는 데 사용되는 추가적인 데이터 처리 하위 시스템을 포함하고 있습니다. DSO는 그림 12에 나타난 바와 같이, 신호를 캡처하고 화면에 표시하기 위해 직렬 처리 아키텍처를 사용합니다.

그림 12: 디지털 저장 오실로스코프(DSO)의 직렬 처리 아키텍처

직렬 처리 아키텍처

아날로그 오실로스코프와 마찬가지로, DSO의 첫 번째(입력) 단계는 수직 증폭기입니다. 이 단계에서 수직 컨트롤을 통해 진폭과 위치 범위를 조정할 수 있습니다. 그다음으로, 수평 시스템 내에 있는 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 신호를 시간상 이산적인 지점에서 샘플링하고, 해당 지점에서의 전압 값을 샘플 포인트라고 불리는 디지털 값으로 변환합니다. 이 과정을 신호의 디지털화(digitizing)라고 합니다.

수평 시스템의 샘플 클럭은 ADC가 얼마나 자주 샘플을 취득하는지를 결정합니다. 이 속도를 샘플링 속도(sample rate)라고 하며, 초당 샘플 수(S/s)로 표현됩니다.

ADC에서 생성된 샘플 포인트는 획득 메모리(acquisition memory)에 파형 포인트로 저장됩니다. 하나의 파형 포인트는 여러 개의 샘플 포인트로 구성될 수 있습니다. 이러한 파형 포인트들이 모여 하나의 파형 레코드(waveform record)를 구성합니다. 파형 레코드를 생성하는 데 사용되는 파형 포인트의 수를 기록 길이(record length)라고 합니다. 트리거 시스템은 해당 파형 레코드의 시작 지점과 종료 지점을 결정합니다.

DSO의 신호 경로에는 마이크로프로세서가 포함되어 있으며, 측정된 신호는 디스플레이로 전달되기 전에 이 마이크로프로세서를 거칩니다. 이 마이크로프로세서는 신호를 처리하고, 디스플레이 동작을 조정하며, 전면 패널 컨트롤을 관리하는 등의 역할을 수행합니다.

그 다음 신호는 디스플레이 메모리를 통과하여 오실로스코프 화면에 표시됩니다. 오실로스코프의 기능에 따라, 샘플 포인트에 대한 추가 처리가 이루어져 디스플레이 품질을 향상시킬 수 있습니다. 트리거 지점 이전의 이벤트를 볼 수 있도록 프리 트리거(pre-trigger) 기능도 제공될 수 있습니다. 대부분의 디지털 오실로스코프는 다양한 자동 파라미터 측정 기능을 제공하여 측정 과정을 단순화합니다.

DSO는 단일 샷(single-shot), 다채널(multi-channel) 측정을 위한 고성능 장비입니다(그림 13 참조). 이들은 낮은 반복률 또는 단일 이벤트의 고속 다채널 설계 애플리케이션에 이상적입니다. 디지털 설계의 실제 환경에서는, 엔지니어가 보통 네 개 이상의 신호를 동시에 분석하므로, DSO는 중요한 동반자가 됩니다.

그림 13: 디지털 저장 오실로스코프는 고속 단일 샷 방식으로 다채널 신호를 캡처하여, 포착하기 어려운 글리치나 과도 이벤트를 잡을 가능성을 높입니다.

디지털 포스퍼 오실로스코프 (DPO)

디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)는 오실로스코프 아키텍처에 대한 새로운 접근 방식을 제공합니다. 이 아키텍처는 신호를 정확하게 재구성할 수 있는 독특한 획득 및 디스플레이 기능을 가능하게 합니다. DSO가 신호를 캡처하고 표시하며 분석하기 위해 직렬 처리 아키텍처를 사용하는 반면, DPO는 이러한 기능을 수행하기 위해 병렬 처리 아키텍처를 사용합니다(그림 14 참조).

그림 14: 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)의 병렬 처리 아키텍처

DPO 아키텍처는 파형 이미지를 획득하기 위해 전용 ASIC 하드웨어를 사용하며, 이를 통해 높은 파형 캡처 속도를 제공하고, 더 높은 수준의 신호 시각화를 가능하게 합니다. 이 성능은 런트 펄스(runt pulses), 글리치(glitches), 전이 오류(transition errors) 등 디지털 시스템에서 발생하는 과도 이벤트를 관측할 수 있는 확률을 높여주며, 추가적인 분석 기능도 가능하게 합니다.

병렬처리 아키텍처

DPO의 첫 번째(입력) 단계는 아날로그 오실로스코프와 유사한 수직 증폭기이고, 두 번째 단계는 DSO와 유사한 ADC입니다. 그러나 DPO는 아날로그-디지털 변환 이후부터는 기존 장비들과 현저히 다릅니다.

모든 오실로스코프—아날로그, DSO, 또는 DPO—에는 가장 최근에 획득한 데이터를 처리하고, 시스템을 리셋하며, 다음 트리거 이벤트를 기다리는 동안의 홀드오프(hold-off) 시간이 항상 존재합니다. 이 시간 동안 오실로스코프는 모든 신호 활동을 감지할 수 없습니다. 홀드오프 시간이 길어질수록, 드물게 발생하거나 반복률이 낮은 이벤트를 포착할 확률은 낮아집니다.

디스플레이 업데이트 속도만으로는 포착 확률을 판단하는 것이 불가능합니다. 업데이트 속도만을 신뢰하면, 실제로는 그렇지 않음에도 불구하고 오실로스코프가 파형에 대한 모든 관련 정보를 포착하고 있다고 착각하기 쉽습니다.

DSO는 캡처된 파형을 직렬로 처리합니다. 이 과정에서 마이크로프로세서의 속도가 병목이 되며, 이로 인해 파형 캡처 속도가 제한됩니다. DPO는 디지털화된 파형 데이터를 디지털 포스퍼 데이터베이스로 래스터화합니다. 1/30초마다—이는 인간의 눈이 인지할 수 있는 속도와 유사한데—데이터베이스에 저장된 신호 이미지의 스냅샷이 디스플레이로 직접 전송됩니다. 이러한 파형 데이터의 직접적인 래스터화 및 데이터베이스에서 디스플레이 메모리로의 직접 복사는, 다른 아키텍처에서 발생하는 데이터 처리 병목 현상을 제거합니다. 그 결과, 향상된 “실시간” 및 생생한 디스플레이 업데이트가 가능해집니다. 신호의 세부 정보, 간헐적 이벤트, 동적 특성이 실시간으로 포착됩니다. DPO의 마이크로프로세서는 디스플레이 관리, 측정 자동화, 기기 제어를 위해 통합된 획득 시스템과 병렬로 작동하며, 오실로스코프의 획득 속도에 영향을 주지 않습니다.

DPO는 아날로그 오실로스코프의 최상의 디스플레이 특성을 충실히 재현하며, 신호를 세 가지 차원—시간, 진폭, 그리고 시간에 따른 진폭 분포—으로 실시간 표시합니다.

아날로그 오실로스코프는 화학적 형광체(Phosphor)를 이용해 신호의 강도를 시각적으로 표현하지만, DPO는 디지털 방식의 강도 표현 시스템(digital phosphor)을 사용하며, 이는 지속적으로 업데이트되는 전자적 데이터베이스로 구현됩니다.이 데이터베이스는 오실로스코프 화면의 각 픽셀마다 개별적인 정보 셀(cell)을 가지고 있습니다. 파형이 캡처될 때마다, 즉 오실로스코프가 트리거될 때마다 해당 파형은 디지털 강도 표현 시스템의 셀 구조에 매핑됩니다. 파형이 지나가는 화면 위치에 해당하는 각 셀은 강도(intensity) 정보를 통해 강화되며, 그렇지 않은 셀은 그대로 유지됩니다. 따라서 파형이 자주 지나가는 셀에는 신호 발생 빈도에 따른 강도 정보가 누적되어, 시각적으로 더 밝게 표현됩니다.

디지털 강도 표현용 데이터베이스가 오실로스코프 디스플레이로 전달되면, 화면에는 각 지점에서 신호가 발생한 빈도에 비례하여 강화된 파형 영역이 표시되며, 이는 아날로그 오실로스코프의 강도 구분 특성과 유사합니다. 또한 DPO는 아날로그 오실로스코프와 달리, 신호 발생 빈도의 차이를 색상 대비로 화면에 표시할 수 있습니다. DPO를 사용하면 거의 매 트리거마다 발생하는 파형과, 예를 들어 100번에 한 번 발생하는 파형의 차이를 쉽게 확인할 수 있습니다.

아날로그 오실로스코프의 시각적 직관성과 디지털 장비의 정밀함을 결합한 DPO는, 디지털 방식으로 구현된 실시간 강도 표현 기능을 통해 기존 기술 간의 경계를 허물고 새로운 사용 경험을 제공합니다. DPO는 고주파 및 저주파, 반복 파형, 과도 신호, 신호 변화 등을 실시간으로 관측하는 데 모두 적합합니다. 기존 DSO에는 없는 Z축(강도) 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 유일한 장비가 바로 DPO입니다.

DPO는 다양한 애플리케이션에서 최고의 범용 설계 및 디버깅 도구가 필요한 사용자에게 이상적인 장비입니다(그림 15 참조). DPO는 고급 분석, 통신 마스크 테스트, 간헐적 신호의 디지털 디버깅, 반복적인 디지털 설계, 타이밍 관련 애플리케이션 등에 탁월한 성능을 발휘합니다.

그림 15: 일부 DPO는 수 초 안에 수백만 개의 파형을 획득할 수 있으며, 이로써 간헐적이거나 포착하기 어려운 이벤트를 잡을 가능성을 크게 높이고 신호의 동적 특성을 효과적으로 드러냅니다.

혼합 도메인 오실로스코프 (MDO)

혼합 도메인 오실로스코프(MDO)는 RF 스펙트럼 분석기를 MSO 또는 DPO와 결합하여, 디지털, 아날로그, RF 도메인의 신호를 상호 연관된 형태로 관찰할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, MDO는 임베디드 설계 내에서 프로토콜, 상태 로직, 아날로그, RF 신호를 시간적으로 연동된 디스플레이로 볼 수 있게 해줍니다. 이 기능은 인사이트를 얻는 데 걸리는 시간과 도메인 간 이벤트 측정 시의 불확실성을 획기적으로 줄여줍니다.

임베디드 RF 설계 내에서 마이크로프로세서 명령과 RF 이벤트 간의 시간 지연을 이해하면 테스트 구성을 단순화할 수 있으며, 복잡한 측정을 실제 측정 환경으로 가져올 수 있습니다. 그림 16에 나와 있는 Zigbee 설계와 같은 임베디드 무선 시스템의 경우, RF 이벤트가 켜지는 시점에 트리거를 걸고, 마이크로프로세서 컨트롤러의 SPI 제어 라인을 디코딩하여 명령 지연 시간을 확인하거나, 켜지는 동안의 드레인 전류 및 전압, 그리고 그에 따른 스펙트럼 이벤트들을 확인할 수 있습니다. 이제 하나의 디스플레이에서, 무선 시스템의 모든 도메인—프로토콜(디지털), 아날로그, RF—을 시간적으로 연동된 형태로 볼 수 있습니다.

그림 16: Zigbee 무선 장치의 마이크로프로세서 SPI (MOSI) 및 (MISO) 제어 라인의 시간 동기화된 디스플레이, 라디오 IC로의 드레인 전류 및 전압 측정, 그리고 전원이 켜질 때의 스펙트럼 정보가 포함되어 있습니다.

혼합 신호 오실로스코프 (MSO)

혼합 신호 오실로스코프(MSO)는 DPO의 성능에 16채널 로직 분석기의 기본 기능을 결합한 장비로, 병렬 및 직렬 버스 프로토콜 디코딩과 트리거링 기능을 포함합니다.

MSO의 디지털 채널은 디지털 회로와 마찬가지로, 디지털 신호를 로직 하이(logic high) 또는 로직 로우(logic low)로 인식합니다. 이는 링잉(ringing), 오버슈트(overshoot), 그라운드 바운스(ground bounce)와 같은 아날로그 특성이 로직 상태 변화를 유발하지 않는 한, MSO에서는 이러한 아날로그 특성들이 문제가 되지 않는다는 의미입니다. 로직 분석기와 마찬가지로, MSO는 신호가 로직 하이인지 로직 로우인지를 판단하기 위해 임계 전압(threshold voltage)을 사용합니다.

MSO는 강력한 디지털 트리거링 기능, 고해상도 신호 획득 능력, 분석 도구들을 활용하여 디지털 회로를 신속하게 디버깅할 수 있는 최적의 도구입니다. 많은 디지털 문제의 근본 원인은, 그림 17에 나타난 것처럼 아날로그와 디지털 형태의 신호를 모두 분석함으로써 더 빠르게 파악할 수 있으므로, MSO는 디지털 회로 검증 및 디버깅에 매우 적합한 장비입니다.

그림 17: MSO는 16개의 통합된 디지털 채널을 제공하여, 시간 동기화된 아날로그 및 디지털 신호를 관측하고 분석할 수 있는 기능을 지원합니다.

디지털 샘플링 오실로스코프

디지털 저장 오실로스코프(DSO)와 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)의 아키텍처와는 달리, 디지털 샘플링 오실로스코프의 아키텍처는 감쇠기/증폭기와 샘플링 브리지가 위치를 바꾸고 있습니다(그림 18 참조). 입력 신호는 어떠한 감쇠나 증폭이 이루어지기 전에 샘플링됩니다. 샘플링 게이트에 의해 신호가 이미 낮은 주파수로 변환되었기 때문에, 샘플링 브리지 이후에는 저대역폭 증폭기를 사용할 수 있으며, 그 결과 매우 높은 대역폭을 제공하는 장비가 됩니다.

그림 18: 디지털 샘플링 오실로스코프의 아키텍처

하지만 이러한 고대역폭의 대가로, 샘플링 오실로스코프의 다이나믹 레인지는 제한됩니다. 샘플링 게이트 앞에 감쇠기나 증폭기가 없기 때문에, 입력 신호를 스케일링할 수 있는 수단이 없습니다. 샘플링 브리지는 항상 입력 신호의 전체 다이나믹 레인지를 감당할 수 있어야 합니다. 따라서 대부분의 샘플링 오실로스코프는 약 1V 피크 투 피크의 다이나믹 레인지로 제한됩니다. 반면, 디지털 저장 오실로스코프나 DPO는 50에서 100볼트까지 처리할 수 있습니다.

또한, 대역폭을 제한하기 때문에 샘플링 브리지 앞에 보호 다이오드를 배치할 수 없습니다. 이로 인해 샘플링 오실로스코프의 안전한 입력 전압은 약 3V로 제한되며, 이는 다른 오실로스코프에서 가능한 500V와 비교됩니다.

고주파 신호를 측정할 때, DSO나 DPO는 한 번의 스윕에서 충분한 샘플을 수집하지 못할 수 있습니다. 디지털 샘플링 오실로스코프는 오실로스코프의 샘플 속도보다 훨씬 높은 주파수 성분을 가진 신호를 정확히 캡처하는 데 이상적인 도구입니다(그림 19 참조). 이 오실로스코프는 다른 어떤 오실로스코프보다도 한 차수 빠른 신호를 측정할 수 있는 성능을 갖추고 있습니다. 반복 신호에 대해서는 다른 오실로스코프보다 10배 높은 대역폭과 고속 타이밍 성능을 달성할 수 있습니다. 순차적 등가 시간 샘플링 방식의 오실로스코프는 최대 80GHz의 대역폭을 제공합니다.

그림 19: 디지털 샘플링 오실로스코프에서의 시간 영역 반사 측정(TDR) 디스플레이