디지타이저/오실로스코프 선택 시 고려해야 할 10가지 사항

1. 대역폭

대역폭은 최소 진폭 손실로, 아날로그 프런트 엔드를 통과할 수 있는 입력 신호의 주파수 범위를 의미한다. 대역폭은 사인꼴 입력 신호가 원래 진폭의 70.7% 또는 -3dB 포인트로 감쇠될 때 주파수로 정의된다. 오실로스코프와 디지타이저는 디지털 펄스와 같은 신호나 샤프 엣지를 가진 기타 신호의 상승 시간을 측정하는 데에 활용된다. 만약 사용자가 다음 <그림 1>과 같은 신호의 모양을 캡처하려면 고대역폭 디지타이저를 사용해야 한다.

일반적으로 디지타이저는 다음 <그림 2>의 공식을 통해 상승 시간을 기반으로 대역폭을 파악한다.

이와 같은 공식을 고려했을 때 사용자는 위의 공식에 기반해 계산된 신호 대역폭보다 3배~5배 높은 신호 대역폭을 갖춘 디지타이저를 사용해야 한다. 이는 곧 최소한의 에러로 신호를 수집하기 위해서는 디지타이저의 상승 시간이 신호 상승 시간의 1/5~1/3 수준에 이르러야 한다는 것을 의미한다.

2. 샘플링 속도

디지타이저와 오실로스코프를 선택하는 데 있어 대역폭 못지않게 중요한 것이 샘플링 속도인데, 그 이유는 샘플링 속도가 충분하지 않으면 고대역폭이 성립될 수 없기 때문이다. 샘플링 속도는 디지타이저 또는 오실로스코프에서 ADC(아날로그-디지털)의 유입되는 신호를 디지털화하기 위해 클로킹된 속도를 의미한다. 샘플링 속도와 대역폭은 직접적인 연관은 없지만 이 두 가지 중요 사양 간의 관계를 파악하는 데 활용되는 법칙은 다음과 같다.

•디지타이저의 실시간 샘플링 속도=디지타이저 대역폭의 3~4배

위의 법칙은 나이키스트 이론이라 불리는데 Alias 현상을 방지하기 위해서는 디지타이저의 샘플링 속도가 측정되는 신호의 가장 높은 주파수 요소보다 최소 2배는 높아야 한다는 내용을 담고 있다하지만 최고 주파수의 2배로 샘플링하는 것은 시간 영역 신호를 정확하게 재생성하는 데에는 역부족이다. 유입된 신호를 정확하게 디지털화하기 위해서는 디지타이저의 실시간 샘플링 속도가 디지타이저 대역폭의 최소 3, 4배는 되어야 하는데, 이에 대한 예로 <그림 3>을 들 수 있다.

한편, 프런트 엔드 아날로그 회로를 통과한 실제 신호가 <그림 3>의 두 경우와 동일하다 하더라도 왼쪽의 경우는 언더 샘플링되어 디지털화된 신호가 왜곡될 확률이 높다. 반면, 우측 그림은 신호를 정확하게 재생성해 충분한 샘플 포인트를 갖추게 되었는데, 이로 인해 보다 정확한 측정을 구현하는 것이 가능해졌다. 높은 샘플링을 보유한 디지타이저는 신호를 깔끔하게 표현할 수 있기 때문에 상승 시간, 오버슈트, 기타 펄스 측정과 같은 시간 영역 애플리케이션에 적합하다.

3. 샘플링 모드

주요 샘플링 모드에는 실시간 샘플링과 등가 시간 샘플링이 있는데, 실시간 샘플링은 ADC의 클럭 속도를 설명하며 단일 수집에서 유입된 신호가 수집되는 최고 속도를 의미한다. 반면, 등가 시간 샘플링은 단일 모드에서 수집된 트리거링된 웨이브폼에 기반을 두고 신호를 재생성하는 방식이다.

등가 시간 샘플링은 높고 효율적인 샘플링 속도를 제공할 수 있음에도 불구하고 시간이 오래 걸리고 반복 신호에만 적용 가능하다는 단점을 가지고 있다. 또한 등가 시간 샘플링 방식은 디지타이저의 아날로그 대역폭을 증가시키지 않으며, 신호를 높은 샘플링 속도에서 재생성할 때에만 유용하게 활용될 수 있다.

4. 해상도와 다이나믹 레인지

일반적으로 사용자는 작은 신호를 측정하기 위해 고해상도 디지타이저를 사용하는데, 이 때 작은 전압을 측정하기 위해 신호를 줌인하는 사용자도 종종 있다. 하지만 신호는 소/대형 신호 컴포넌트를 함께 포함하고 있기 때문에 큰 범위 사용 시 대형 신호를 측정할 수는 있어도 작은 신호를 측정하는 것은 무리다.

반면, 작은 범위를 사용할 시에는 큰 신호를 측정하는 것이 어려워 측정이 왜곡되고 이 때문에 사용자가 유효한 값을 얻을 수가 없게 된다. 이로 인해 동적 신호가 포함된 애플리케이션(대/소형 전압 컴포넌트가 있는 신호)의 경우 큰 다이나믹 레인지가 내장된 고해상도 계측기를 활용하는 것이 적합하다. 기존 오실로스코프는 8bit 해상도의 ADC를 활용하는데, 이 방식은 변조된 웨이브폼과 같은 스펙트럼 분석이나 동적 신호가 포함된 여러 애플리케이션에는 적합하지 않다.

5. 트리거링

일반적으로 오실로스코프와 디지타이저는 특정 이벤트에 기반을 두고 신호를 수집하는 데 활용된다. 대부분의 오실로스크포와 디지타이저에는 아날로그 엣지, 디지털 및 소프트웨어 트리거링이 내장되어 있다. 트리거링 옵션에는 윈도우, 히스테리시스 및 비디오 트리거링이 있는데, 고급 디지타이저의 경우 멀티 레코드 캡처 모드를 활성화시키는 트리거 사이에서 신속한 재무장 시간을 보유하고 있다.

대개 디지타이저는 주어진 트리거에서 특정 개수 포인트를 캡처하고 신속하게 재무장을 한 후 다음 트리거를 기다리는데, 이 같은 신속한 재무장 시간은 디지타이저가 이벤트 또는 트리거를 놓치지 않게 도울 수 있다. 한편, 멀티 레코드의 경우 원하는 데이터 캡처 및 저장에 유용하게 활용될 수 있어 온보드 메모리 사용 최적화와 PC 버스의 작동 제한을 수행할 수 있다.

6. 온보드 메모리

데이터는 측정 및 분석을 위해 디지타이저나 오실로스코프에서 PC로 전달되는데, 인터페이스 버스가 수집 샘플 속도에서 연속 데이터 전송을 지속할 수 없을 시 계측기의 온보드 메모리가 최고 속도에서 신호를 수집하는 기능을 제공하며 이후에는 데이터를 PC로 전달한다.

대용량 메모리는 수집 시간을 증대시킬 뿐만 아니라 주파수-도메인 장점을 제공한다. 가장 보편적인 주파수 도메인 측정에는 신호의 주파수 내용을 보여주는 FFT(Fast Fourier transform, 고속 푸리에 변환) 방식이 있다.

주파수 해상도를 향상시키는 방법에는 두 가지가 있는데, 첫 번째 방법은 샘플링 속도를 감소시키는 것이고, 두 번째 방법은 FFT에서 포인트 개수를 증가시키는 것이다. 이 두 방법 중 샘플링 속도를 줄이는 것은 주파수 범위를 줄이는 방식을 활용하기 때문에 적합하다고는 할 수 없다. 그렇기에 가장 적합한 방법은 FFT에서 보다 많은 포인트를 수집하는 것인데 이를 위해서는 대용량의 온보드 메모리가 필요하다.

7. 채널 밀도

오실로스코프 또는 디지타이저를 구입하고자 할 때 사용자는 계측기의 채널 개수나 여러 계측기를 동기화해 채널을 추가시킬 수 있는 기능을 최우선으로 고려해야 한다. 대부분의 오실로스코프는 2~4개의 채널을 갖추고 있는데, 각각의 채널은 일정 속도에서 동시에 샘플링된다.

요구되는 채널 개수는 애플리케이션에 따라 다른데, 보통 기존 2~4개의 채널은 주어진 애플리케이션에는 충분하지 않다. 이에 대비해 NI는 몇 가지 솔루션을 제공하는데, 대표적인 솔루션은 8채널 NI 5105 12bit, 60MS/s, 60MHZ 디지타이저와 같이 높은 채널 밀도를 보유하고 있는 제품을 사용자에게 제공하는 것이다.

또한 NI의 디지타이저인 NI PXI-5105와 NI PXI-5152 등은 수십 ps 동기화가 가능한 정확도를 구현하는 T-Clock이라는 기술을 사용자에게 제공하는데, 이로 인해 사용자는 단일 18 슬롯 섀시에서 NI PXI-5152 디지타이저를 활용해 34채널(동시), 1GS/s 오실로스코프를 구축할 수 있게 되었다. 이와 더불어 NI PXI-5105 디지타이저는 136 동기화 채널을 가진 시스템을 제공하며, 각각 12bit 해상도, 60MS/s에 이르는 작동을 구현한다.

8. 여러 계측기와의 동기화

다양한 자동화 세트 및 여러 벤치탑 애플리케이션에는 디지타이저, 신호 발생기, 디지털 웨이브폼 분석기, 디지털 웨이브폼 발생기 및 스위치와 같은 다양한 유형의 계측기가 포함된다. 이 같은 상황 속에서 PXI와 NI 모듈형 계측기의 내재적인 타이밍 및 동기화 기능은 외부 케이블 연결이 필요가 없어 다양한 유형의 계측기에 대한 동기화가 가능하다.

이 장치들은 디지타이저(NI PXI-5122 등)와 임의 파형 발생기(NI PXI-5421 등)를 통합해 파라미터 스위프를 수행하며, 테스트 중인 장치의 주파수와 위상 응답 특성화에 유용하게 활용될 수 있다. PXI를 사용한 모듈형 방식은 속도 면에서 기능을 향상시키며, 사용자가 측정 결과에 집중할 수 있도록 지원해 효율성을 증대시킨다.

9. 혼합 신호 기능

T-Clock 기술은 단일 PXI 섀시에서 최대 136 동기화 채널 시스템 또는 여러 섀시를 활용해 최대 5000채널 시스템을 구축할 수 있도록 지원하는 기술로, 다른 계측기와의 동기화도 허용한다. NI 디지타이저는 혼합 신호 시스템 구축을 위해 신호 발생기, 디지털 웨이브폼 발생기 및 디지털 분석기와 T-Clock 동기화될 수 있다.

이 덕분에 사용자는 제한된 디지털 기능을 갖춘 혼합 신호 오실로스코프에 만족하는 것을 넘어 임의 파형 발생기와 디지털 웨이브폼 발생기/분석기가 있는 모듈형 PXI 디지타이저를 활용해 오실로스코프와 로직 분석기의 장점을 균형 있게 갖춘 혼합 신호 애플리케이션을 구축할 수 있다.

10. 소프트웨어, 분석 기능 및 맞춤성

소프트웨어와 분석 기능을 파악하는 것은 모듈형 디지타이저와 독립형 오실로스코프를 선택하는 데에 있어 매우 중요하다. 독립형 오실로스코프는 벤더로 정의되는 반면, 디지타이저는 사용자 정의로 구성되어 유연성을 갖추고 있다.

만약 사용자가 오실로스코프가 진행하는 측정을 정의해야 한다면, 독립형 오실로스코프의 고정된 기능 대신에 PC 아키텍처를 활용해 요구사항에 맞는 애플리케이션을 맞춤화시킬 수 있는 모듈형 디지타이저를 선택해야 한다.

한편, NI 디지타이저는 무료 NI-SCOPE 드라이버 소프트웨어를 활용한 프로그래밍이 가능한 제품인데, 이러한 NI 디지타이저의 드라이버에는 NI의 모든 디지타이저 기능을 지원하는 50개 이상의 기작성된 예제 프로그램이 포함되어 있다.

자료제공 | 한국내쇼날인스트루먼트(www.korea.ni.com)