XYZ의 오실로스코프
오실로스코프 평가하기
오실로스코프가 무엇인지 이해하고, 자신에게 필요한 오실로스코프의 유형을 결정했더라도, 여전히 휴대형 및 핸드헬드 모델을 포함해 선택할 수 있는 모델은 매우 많습니다. 그리고 오실로스코프를 선택할 때에는 사용 편의성, 샘플링 속도, 데이터를 장비로 전달하는 데 사용되는 프로브, 그리고 신호 무결성 확보에 영향을 주는 오실로스코프의 다양한 요소들을 고려해야 합니다.
이러한 고려 사항을 이해하기 위해, 우선 사용 편의성과 오실로스코프 프로브에 대해 간략히 살펴본 후, 유용한 측정 관련 용어와 오실로스코프 성능 지표에 대해 설명하겠습니다. 이러한 용어들은 특정 어플리케이션에 적합한 오실로스코프를 선택하는 데 필수적인 기준들을 포함하고 있습니다.
사용 편의성
오실로스코프는 배우기 쉽고 사용하기 쉬워야 하며, 사용자가 최고의 효율성과 생산성으로 작업할 수 있도록 도와야 합니다. 즉, 측정 도구 자체가 아닌, 여러분의 설계에 집중할 수 있어야 한다는 의미입니다. 일반적인 자동차 운전자가 하나의 유형으로 고정되지 않듯이, 오실로스코프 사용자도 하나의 유형으로 정의될 수는 없습니다. 전통적인 장비 인터페이스를 선호하든, Windows® 기반 소프트웨어 인터페이스를 선호하든, 오실로스코프의 동작 방식에서 유연성을 확보하는 것이 중요합니다. 많은 오실로스코프는 다양한 조작 방식을 제공함으로써, 성능과 단순함 사이의 균형을 제공합니다. 일반적인 오실로스코프의 전면 패널 레이아웃(그림 60)은 수직, 수평, 트리거 제어를 위한 전용 컨트롤을 제공합니다.
그림 60: 전통적인 아날로그 스타일의 노브를 통해 위치, 스케일, 강도 등을 조절할 수 있으며, 이는 사용자가 기대하는 방식 그대로입니다.
완전한 측정 시스템의 완성 - 프로브
아무리 고급 장비라도, 입력되는 데이터의 정밀도만큼만 정확할 수 있습니다. 프로브는 오실로스코프와 함께 측정 시스템의 일부분으로 동작합니다. 정밀한 측정은 프로브의 팁에서 시작됩니다. 오실로스코프와 테스트 대상 장비(DUT)에 맞는 적절한 프로브를 사용하면 신호를 오실로스코프로 깨끗하게 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 신호를 증폭하고 보존하여 최고의 신호 무결성과 측정 정확도를 보장할 수 있습니다. 프로브 및 프로브 액세서리에 대한 자세한 내용은 Tektronix의 「ABCs of Probes」 입문서를 참조하십시오.
대역폭
대역폭은 오실로스코프가 신호를 측정할 수 있는 기본 능력을 결정합니다. 신호의 주파수가 높아질수록, 오실로스코프가 신호를 정확하게 표시하는 능력은 감소합니다. 대역폭 사양은 오실로스코프가 정확하게 측정할 수 있는 주파수 범위를 나타냅니다.
오실로스코프의 대역폭은 정현파 입력 신호가 실제 진폭의 70.7%로 감쇠되는 주파수로 정의되며, 이는 –3 dB 포인트라고 불립니다. 이 용어는 로그 스케일에 기반하고 있으며, 그림 44에 나타나 있습니다.
그림 44: 오실로스코프의 대역폭은 정현파 입력 신호가 실제 진폭의 70.7%로 감쇠되는 주파수이며, 이를 –3 dB 포인트라고 합니다.
충분한 대역폭이 없으면 오실로스코프는 고주파 변화들을 구분해낼 수 없습니다. 진폭이 왜곡되고, 신호의 에지(경계)가 사라지며, 세부 정보가 손실됩니다. 오실로스코프에 탑재된 다양한 기능들도 무용지물이 됩니다.
특정 어플리케이션에서 신호 진폭을 정확하게 측정하기 위해 필요한 오실로스코프의 대역폭을 결정할 때는 “5배 규칙”을 적용하십시오.
5배 규칙
“5배 규칙”을 적용해 선택한 오실로스코프는 측정 시 ±2% 이하의 오차를 제공합니다. 이는 일반적으로 오늘날의 어플리케이션에 충분합니다. 그러나 신호 속도가 증가함에 따라 이 규칙을 항상 만족시키기는 어려울 수 있습니다. 그림 45에 나타난 것처럼, 대역폭이 높을수록 신호를 더 정확하게 재현할 수 있다는 점을 기억해 두십시오.
그림 45: 대역폭이 높을수록 신호 재현이 더 정확해지며, 이는 250 MHz, 1 GHz, 4 GHz 대역폭에서 캡처된 신호를 통해 설명됩니다.
일부 오실로스코프는 디지털 신호 처리(DSP)를 통해 대역폭을 향상시키는 방법을 제공합니다. DSP 임의 등화 필터는 오실로스코프 채널 응답을 개선하는 데 사용할 수 있습니다. 이 필터는 대역폭을 확장하고, 오실로스코프 채널의 주파수 응답을 평탄하게 하며, 위상 선형성을 향상시키고, 채널 간 일치를 개선합니다. 또한 상승 시간(rise time)을 줄이고 시간 영역의 스텝 응답도 향상시킵니다.
상승 시간 (Rise Time)
상승 시간은 오실로스코프의 유효 주파수 범위를 설명합니다. 디지털 세계에서는 상승 시간 측정이 매우 중요합니다. 펄스나 스텝과 같은 디지털 신호를 측정하려는 경우, 상승 시간은 성능을 고려할 때 더욱 적합한 지표일 수 있습니다. 오실로스코프는 빠른 신호 전이의 세부 사항을 정확히 캡처하기 위해 충분한 상승 시간을 갖춰야 합니다(그림 46 참조).
그림 46: 고속 디지털 신호의 상승 시간 특성화 예시
신호 유형에 따라 필요한 오실로스코프의 상승 시간을 계산하려면, 다음 공식을 사용하십시오:
오실로스코프 상승 시간
이 공식을 사용하는 방식은 대역폭 계산 공식과 유사합니다. 대역폭 계산과 마찬가지로, 오늘날의 신호 속도가 매우 빠르기 때문에 이러한 경험칙을 항상 만족시키기는 어려울 수 있습니다. 상승 시간이 더 빠른 오실로스코프일수록 빠른 신호 전이의 핵심 세부 사항을 더 정확하게 캡처할 수 있다는 점을 항상 기억하십시오.
일부 어플리케이션에서는 신호의 상승 시간만 알고 있는 경우도 있습니다. 이때 다음과 같은 공식에 일정한 상수를 사용하면 오실로스코프의 대역폭과 상승 시간을 연관지을 수 있습니다:
대역폭과 상승 시간
여기서 K는 오실로스코프의 주파수 응답 곡선 및 펄스 상승 시간 응답의 형태에 따라 0.35에서 0.45 사이의 값을 갖습니다. 대역폭이 1GHz 미만인 오실로스코프는 일반적으로 K 값으로 0.35를 사용하고, 1GHz를 초과하는 장비는 보통 0.40에서 0.45 사이의 값을 사용합니다.
일부 로직 패밀리는 다른 패밀리보다 본질적으로 더 빠른 상승 시간을 갖습니다(그림 47 참조).
그림 47: 일부 로직 패밀리는 다른 패밀리보다 본래 더 빠른 상승 시간을 생성합니다.
샘플 속도
샘플 속도는 초당 샘플 수(S/s) 단위로 표시됩니다. 샘플 속도는 디지털 오실로스코프가 신호를 얼마나 자주 스냅샷 또는 샘플로 취득하는지를 정의하며, 이는 영화의 프레임과 유사합니다. 오실로스코프의 샘플 속도가 빨라질수록(즉, 샘플 속도가 높을수록) 표시되는 파형의 해상도와 세부 정보가 향상되며, 중요한 정보나 이벤트가 누락될 가능성은 줄어듭니다(그림 48 참조).
그림 48: 샘플 속도가 높을수록 신호의 해상도가 향상되어, 간헐적으로 발생하는 이벤트도 확실히 확인할 수 있습니다.
천천히 변화하는 신호를 장시간에 걸쳐 관찰해야 하는 경우, 최소 샘플 속도도 중요한 요소가 될 수 있습니다. 일반적으로, 수평 스케일 컨트롤을 조정하면 표시되는 샘플 속도도 함께 변경되어, 화면에 표시되는 파형 기록에서 일정한 수의 파형 포인트를 유지하도록 합니다.
그렇다면 필요한 샘플 속도는 어떻게 계산할 수 있을까요? 이 계산 방식은 측정하려는 파형의 유형과, 오실로스코프가 사용하는 신호 재구성 방식에 따라 달라집니다.
신호를 정확하게 재구성하고 에일리어싱(aliasing)을 방지하기 위해, 나이퀴스트(Nyquist) 이론에서는 신호의 가장 높은 주파수 성분보다 최소 두 배 빠르게 샘플링해야 한다고 규정합니다. 하지만 이 이론은 무한한 기록 길이와 연속적인 신호를 전제로 합니다. 어떤 오실로스코프도 무한한 기록 길이를 제공하지 않으며, 정의상 글리치(glitch)는 연속적이지 않기 때문에, 최고 주파수 성분의 두 배 속도로만 샘플링하는 것은 일반적으로 충분하지 않습니다.
실제로 신호를 정확하게 재구성하려면, 샘플 속도뿐만 아니라 샘플 간의 간격을 보완하는 보간(interpolation) 방식도 함께 고려되어야 합니다. 일부 오실로스코프에서는 정현파 신호 측정을 위해 sin(x)/x 보간 방식을, 사각파, 펄스 및 기타 신호 유형을 위한 선형 보간(linear interpolation) 방식을 선택할 수 있습니다.
sin(x)/x 보간 방식을 통해 정확한 재구성을 하려면, 오실로스코프는 신호의 최고 주파수 성분보다 최소 2.5배 빠른 샘플 속도를 가져야 합니다. 선형 보간 방식을 사용할 경우, 샘플 속도는 최고 주파수 성분보다 최소 10배 이상이어야 합니다.
일부 측정 시스템은 최대 10 GS/s의 샘플 속도와 3GHz 이상의 대역폭을 갖추고 있으며, 대역폭의 최대 5배까지 오버샘플링하여 매우 빠른 단발성(single-shot) 또는 과도(transient) 이벤트를 캡처하는 데 최적화되어 있습니다.
대역폭과 샘플 속도에 대한 참고 사항
디지털 방식은 오실로스코프가 자신의 대역 내에 있는 모든 주파수를 안정성, 밝기, 선명도를 유지하면서 표시할 수 있도록 합니다. 반복 신호의 경우, 디지털 오실로스코프의 대역폭은 프런트엔드 구성 요소의 아날로그 대역폭에 따라 결정되며, 이는 일반적으로 –3 dB 포인트라고 불립니다. 펄스나 스텝과 같은 단발성(single-shot) 및 과도(transient) 이벤트의 경우, 오실로스코프의 대역폭은 샘플 속도에 의해 제한될 수 있습니다.
파형 캡처 속도
모든 오실로스코프는 눈을 깜빡입니다. 즉, 초당 일정 횟수만큼 눈을 뜨고 신호를 캡처한 뒤, 그 사이에는 눈을 감고 있는 것입니다. 이것이 바로 파형 캡처 속도이며, 초당 파형 수(wfms/s)로 표현됩니다. 샘플 속도는 오실로스코프가 하나의 파형 또는 주기 내에서 입력 신호를 얼마나 자주 샘플링하는지를 나타내는 반면, 파형 캡처 속도는 오실로스코프가 전체 파형을 얼마나 빠르게 획득하는지를 의미합니다.
파형 캡처 속도는 오실로스코프의 종류와 성능 수준에 따라 크게 달라집니다. 파형 캡처 속도가 높은 오실로스코프는 신호 동작에 대한 시각적 인사이트를 훨씬 더 많이 제공하며, 지터, 런트 펄스, 글리치, 전이 오류와 같은 과도 이상 신호를 빠르게 포착할 수 있는 가능성을 획기적으로 높여줍니다.
디지털 저장 오실로스코프(DSO)는 직렬 처리 아키텍처를 사용하여 초당 10~5,000 파형(wfms/s)을 캡처합니다. 일부 DSO는 여러 파형을 한꺼번에 장시간 메모리에 버스트 저장하는 특수 모드를 제공하며, 이로 인해 일시적으로 높은 파형 캡처 속도를 제공하지만, 이후에는 긴 처리 지연 시간이 발생하여 희귀하거나 간헐적인 이벤트를 포착할 가능성이 낮아집니다.
대부분의 디지털 포스포 오실로스코프(DPO)는 병렬 처리 아키텍처를 사용하여 훨씬 높은 파형 캡처 속도를 제공합니다.
그림 49: DPO는 반복되지 않는 고속 다채널 디지털 설계 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 제공합니다.
또한, DPO는 신호 동작을 실시간으로 세 가지 차원—진폭, 시간, 시간에 따른 진폭 분포—으로 획득하고 표시할 수 있는 기능을 갖추고 있어, 신호 동작에 대한 탁월한 수준의 인사이트를 제공합니다(그림 50 참조).
그림 50: DPO는
- 매우 높은 파형 캡처 속도와 3차원 디스플레이를 통해
- 신호 동작에 대한 뛰어난 인사이트를 제공하며,
- 다양한 어플리케이션에 적합한 최고의 범용 설계 및 디버깅 도구로 활용됩니다.
- 매우 높은 파형 캡처 속도와 3차원 디스플레이를 통해
- 신호 동작에 대한 뛰어난 인사이트를 제공하며,
- 다양한 어플리케이션에 적합한 최고의 범용 설계 및 디버깅 도구로 활용됩니다.
레코드 길이
레코드 길이는 하나의 전체 파형 기록을 구성하는 점(point)의 수로 표시되며, 각 채널에서 캡처할 수 있는 데이터의 양을 결정합니다. 오실로스코프는 저장할 수 있는 샘플 수가 제한되어 있기 때문에, 파형 지속 시간(시간)은 오실로스코프의 샘플 속도에 반비례합니다:
시간 가격
오실로스코프는 사용자의 애플리케이션에 필요한 세부 수준을 최적화하기 위해 기록 길이를 선택할 수 있도록 합니다. 매우 안정적인 정현파 신호를 분석하는 경우에는 500포인트 정도의 기록 길이만 필요할 수 있지만, 복잡한 디지털 데이터 스트림에서 타이밍 이상 원인을 파악하려면 그림 51과 같이 100만 포인트 이상의 기록 길이가 필요할 수 있습니다.
그림 51: 변조된 85 MHz 반송파의 고주파 세부 정보를 캡처하려면 고해상도 샘플링(100ps)이 필요합니다. 신호의 전체 변조 엔벨로프를 확인하려면 긴 시간 지속(1ms)이 필요합니다. 기록 길이를 10MB로 설정하면, 오실로스코프는 이 두 가지 모두를 표시할 수 있습니다.
트리거 기능
오실로스코프의 트리거 기능은 신호의 올바른 지점에서 수평 스위프를 동기화합니다. 이는 신호를 명확하게 특성화하는 데 필수적입니다. 트리거 제어 기능을 통해 반복적인 파형을 안정화하고 단발성(single-shot) 파형을 캡처할 수 있습니다.
유효 비트 수
유효 비트 수는 디지털 오실로스코프가 사인파 신호의 형태를 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는지를 나타내는 척도입니다. 이 측정은 오실로스코프의 실제 오차를 이론적인 “이상적인” 디지타이저와 비교한 것입니다. 실제 오차에는 노이즈와 왜곡이 포함되기 때문에, 신호의 주파수와 진폭이 명시되어야 합니다.
주파수 응답
오실로스코프가 고주파 신호를 정확하게 캡처할 수 있으려면 대역폭만으로는 충분하지 않습니다. 오실로스코프 설계의 목표는 특정한 유형의 주파수 응답, 즉 최대 평탄 엔벨로프 지연(MFED: Maximally Flat Envelope Delay) 을 구현하는 것입니다. 이러한 유형의 주파수 응답은 최소한의 오버슈트와 링잉으로 우수한 펄스 충실도(pulse fidelity) 를 제공합니다. 디지털 오실로스코프는 실제 증폭기, 감쇠기, ADC(아날로그-디지털 변환기), 인터커넥트, 릴레이 등으로 구성되어 있기 때문에, MFED 응답은 도달 가능한 목표라기보다는 지향점입니다. 펄스 충실도는 모델과 제조사에 따라 상당히 달라질 수 있습니다.
수직 감도
수직 감도는 수직 증폭기가 약한 신호를 얼마나 증폭할 수 있는지를 나타냅니다. 이는 일반적으로 디비전당 밀리볼트(mV) 로 측정됩니다. 범용 오실로스코프가 감지할 수 있는 가장 작은 전압은 일반적으로 수직 화면 디비전당 약 1mV 정도입니다.
스윕 속도
스위프 속도는 파형이 오실로스코프 화면을 얼마나 빠르게 가로지르는지를 나타내며, 이를 통해 미세한 세부사항을 볼 수 있게 합니다. 오실로스코프의 스위프 속도는 디비전당 시간(초) 단위로 표시됩니다.
이득 정확도
이득 정확도는 수직 시스템이 신호를 얼마나 정확하게 감쇠하거나 증폭하는지를 나타내며, 일반적으로 오차율(%) 로 표시됩니다.
수평 정확도 (시간 기준)
수평 정확도, 또는 시간 기준 정확도는 수평 시스템이 신호의 타이밍을 얼마나 정확하게 표시하는지를 나타내며, 일반적으로 오차율(%)로 표현됩니다.
수직 해상도 (아날로그-디지털 변환기)
아날로그-디지털 변환기(ADC), 즉 디지털 오실로스코프의 수직 해상도는 입력 전압을 얼마나 정밀하게 디지털 값으로 변환할 수 있는지를 나타냅니다. 수직 해상도는 비트 단위로 측정됩니다. 계산 기법을 활용하면, 고해상도(hi-res) 획득 모드와 같은 예시에서처럼 유효 해상도를 향상시킬 수 있습니다.
타이밍 해상도 – 혼합 신호 오실로스코프 (MSO)
MSO에서 중요한 획득 사양 중 하나는 디지털 신호를 캡처할 때 사용하는 타이밍 해상도입니다. 더 우수한 타이밍 해상도로 신호를 캡처하면, 신호가 변하는 시점을 보다 정확하게 측정할 수 있습니다. 예를 들어, 500 MS/s의 획득 속도는 2ns의 타이밍 해상도를 가지며, 획득된 신호 에지의 불확실성도 2ns입니다. 60.6ps의 더 미세한 타이밍 해상도(16.5 GS/s)는 신호 에지의 불확실성을 60.6ps로 줄여, 더 빠르게 변하는 신호를 캡처할 수 있게 해줍니다.
일부 MSO는 디지털 신호를 내부적으로 두 가지 방식으로 동시에 획득합니다. 첫 번째는 표준 타이밍 해상도로, 두 번째는 고속 해상도를 사용한 방식입니다. 표준 해상도는 긴 기록 길이 전체에 사용되며, 고속 타이밍 획득은 관심 지점 근처의 좁은 범위에 대해 더 높은 해상도를 제공합니다 (그림 52).
그림 52: MSO는 16개의 통합 디지털 채널을 제공하여, 시간 상관성이 있는 아날로그 및 디지털 신호를 함께 관찰하고 분석할 수 있게 합니다. 고속 타이밍 획득은 글리치(glitch)와 같은 짧은 이벤트를 포착할 수 있도록 더 높은 해상도를 제공합니다.
연결성
측정 결과를 분석하는 일은 여전히 매우 중요합니다. 또한, 정보와 측정 결과를 쉽고 자주 문서화하고 공유하는 필요성 역시 점점 중요해지고 있습니다. 오실로스코프의 연결 기능은 고급 분석 기능을 제공하며, 결과의 문서화 및 공유를 보다 간단하게 만들어 줍니다. 그림 53에서 보이듯이, 표준 인터페이스(GPIB, RS-232, USB, 이더넷)와 네트워크 통신 모듈은 일부 오실로스코프에 다양한 기능과 제어 옵션을 제공할 수 있도록 해줍니다.
그림 53: 오늘날의 오실로스코프는 표준 Centronics 포트, 옵션으로 제공되는 Ethernet/RS-232, GPIB/RS-232, VGA/RS-232 모듈 등 다양한 통신 인터페이스를 갖추고 있습니다. 전면 패널에는 USB 포트(그림에는 표시되지 않음)도 있습니다.
일부 고사양 오실로스코프에서는 다음 기능 또한 사용 가능합니다:
- 오실로스코프에서 문서를 생성, 편집 및 공유할 수 있으며, 사용자의 작업 환경에서도 기기를 동시에 운용 가능
- 네트워크 프린터 및 파일 공유 리소스에 접근 가능
- 윈도우® 데스크톱에서 사용 가능
- 써드 파티 분석 및 문서화 소프트웨어 실행 가능
- 네트워크에 연결 가능
- 인터넷 접속 가능
- 이메일 송수신 가능
확장성
오실로스코프는 사용자의 필요가 변함에 따라 이를 수용할 수 있어야 합니다. 일부 오실로스코프는 다음과 같은 기능을 제공합니다:
- 채널에 메모리를 추가하여 더 긴 기록 길이를 분석 가능
- 특정 애플리케이션에 특화된 측정 기능 추가 가능
- 다양한 프로브 및 모듈을 활용해 오실로스코프의 성능 보완 가능
- 인기 써드파티 분석/생산성 소프트웨어와 연동 가능
- Windows 호환
- 배터리 팩, 랙 마운트 등의 액세서리 추가 가능
애플리케이션 모듈과 소프트웨어를 통해, 오실로스코프를 지터 및 타이밍 분석, 마이크로프로세서 메모리 시스템 검증, 통신 규격 테스트, 디스크 드라이브 측정, 비디오 측정, 전력 측정 등 다양한 고급 분석 작업이 가능한 전문 분석 도구로 전환할 수 있습니다.
그림 54: 분석 소프트웨어 패키지는 오늘날 고속 디지털 설계자들의 지터 및 아이 다이어그램 측정 요구를 충족하도록 특별히 설계되어 있습니다.
그림 55: 자동 트리거, 디코드 및 시리얼 패킷 기반 검색 기능을 통해 시리얼 버스 분석 속도가 향상됩니다.
그림 56: 고급 DDR 분석 도구는 읽기/쓰기 버스트 분리 및 JEDEC 측정 수행과 같은 복잡한 메모리 작업을 자동화합니다.
그림 57: 비디오 애플리케이션 모듈을 통해 오실로스코프는 빠르고 다방면으로 활용 가능한 비디오 문제 해결 도구가 됩니다.
그림 58: MATLAB®과 같은 고급 분석 및 생산성 소프트웨어를 Windows 기반 오실로스코프에 설치하여 로컬 신호 분석을 수행할 수 있습니다.