기획연재 ❶ 오실로스코프의 정의와 주요 특성 part 1

Ⅰ. 오실로스코프의 정의와 측정 원리

1. 오실로스코프의 정의

오실로스코프는 기본적으로 그래프 디스플레이 장치로, 엔지니어가 측정 대상의 전압을 확인할 수 있도록 전기 신호의 그래프를 그려 화면에 출력한다.

보통 그래프는 신호가 시간에 따라 어떻게 변해 가는지를 표시하는데, Y축은 전압을, X축은 시간을 나타낸다. DPO 오실로스코프(디지털 포스트 오실로스코프)의 경우에는 디스플레이의 컬러 그레이딩으로 Z축을 나타낼 수 있다.

오실로스코프가 출력하는 그래프에는 ▲ 신호의 시간 및 전압 값 ▲ 진동하는 신호의 주파수 ▲ 신호로 표현되는 회로의 작동 부분 ▲ 신호가 발생하는 특정 부분의 주파수 ▲ 신호 왜곡 여부 ▲ 신호 중 DC 또는 AC의 양 ▲ 노이즈의 변화 여부 등이 표시된다.

2. 파형 및 파형 측정의 이해

파형이란 파동을 그래픽으로 나타낸 것으로, 전압 파형은 가로축에 시간으로 나타나고, 세로축에서는 전압의 형태로 표현된다.

엔지니어는 오실로스코프에 출력되는 파형의 모양을 통해 신호와 관련된 다양한 정보를 얻을 수 있는데, 출력되는 파형의 높이가 변하는 현상이 생긴다면, 이것은 전압이 변했음을 의미한다. 만약 평평한 수평선이 출력된다면, 이는 해당 시간 동안 전압에 있어서 변화가 없었음을 의미한다.

곧은 대각선의 경우에는 선형적인 변화 즉, 일정한 비율로 전압이 상승했거나 하강했음을 의미한다. 오실로스코프는 위와 같은 파형을 나타내기 위해 기본적으로 ▲ 주파수 및 주기 ▲ 전압 ▲ 진폭 ▲ 위상을 측정한다. 주파수는 반복되는 신호에 포함되어 있는데, 이 같은 주파수는 오실로스코프에서 Hz 단위로 측정된다.

주파수와 마찬가지로 반복되는 신호에 속해 있는 주기는 신호가 한 사이클을 완료하는 데에 걸리는 시간으로, 주기와 주파수가 서로 반비례하므로 1/주기는 주파수이고, 1/주파수는 주기가 된다. 전압은 회로에서 두 지점 사이의 전기적 전위차 또는 신호 강도를 의미하는데, 대개 오실로스코프는 파형의 최대 피크부터 최소 피크까지의 전압을 측정한다.

진폭은 회로 내 두 지점 사이의 전압 양을 의미하는데, 오실로스코프는 접지 또는 0V에서 측정한 신호의 최대 전압을 나타낸다. 또한 오실로스코프는 주기가 어느 정도 경과되었는지를 나타내기 위해 각도를 기준으로 사인파의 위상각을 통한 확인 작업을 진행하는데, 이로 인해 오실로스코프에는 주로 위상 변화가 출력된다.

여기서 위상 변화란 유사한 두 신호 간의 타이밍 차이를 의미하는 용어이다. 한편, 오실로스코프의 종류 중 하나인 디지털 오실로스코프는 파형을 더욱 쉽게 측정할 수 있는 기능을 갖추고 있는데, 이 기능에는 ▲ 진폭 ▲ 주기 ▲ 상승/하강 시간이 포함된다. 이에 더해 디지털 오실로스코프는 ▲ 평균 및 RMS 계산 ▲ 듀티 사이클 및 기타 수학 연산 기능을 갖추고 있다.

3. 파동의 유형

파동은 시간에 따라 반복되는 패턴으로, 이 같은 패턴에는 전압파가 속해 있는데, 오실로스코프는 전압파를 측정한다. 오실로스코프가 측정하는 파동의 유형을 구체적으로 분류하면 ▲ 사인파 ▲ 사각파 및 직각파 ▲ 삼각파 및 톱니파 ▲ 스텝 및 펄스 형태 ▲ 주기적 신호 및 비주기적 신호 ▲ 동기 신호 및 비동기 신호 ▲ 복합파로 나눌 수 있다.

여기서 사인파란 기초적인 파형인데, 오실레이터 회로에서 발생하는 테스트 신호도 사인파에 속한다. 대부분의 AC 전원이 사인파를 만들어내는데, 감쇠 사인파의 경우, 진동하는 회로에서 볼 수 있는 특별한 경우로, 시간이 지나면서 사라진다.

사각파도 엔지니어가 흔히 발견할 수 있는 파형인데, 기본적으로 사각파는 일정한 간격으로 올라가고 내려가는 전압을 의미한다. 이 같은 사각파는 증폭기 테스트의 표준으로 활용되는 파동이다. 반면, 직각파는 사각파와 유사하지만 고저 시간 간격의 길이가 다른 파형으로, 디지털 회로 분석 시에 유용하게 작용한다.

톱니파 및 삼각파는 아날로그 오실로스코프의 수평 스위프처럼 전압을 선형적으로 제어하기 위해 설계된 회로에서 주로 발생한다. 톱니파와 삼각파의 전압 레벨 간 트랜지션은 일정한 속도로 변화하는데, 이 트랜지션은 램프라고 불린다.

스텝 및 펄스 형태에서 스텝은 전원 스위치를 켤 때 일어나는 전압 변화와 유사한 전압의 변화를 나타내는 용어이며, 펄스는 전원 스위치를 켰다 껐을 때 일어나는 전압 변화와 유사한 전압이 급격하게 변하는 현상을 가리키는 용어이다.

복합파는 사인파, 사각파, 스텝 및 펄스의 특성이 혼합된 것으로, 오실로스코프가 측정하기 어려운 파형을 만들어낸다. 이 같은 복합파를 확인하려면 저주파 엔벨로프를 캡처하고, 고주파 파동과 명암 그레이딩 방식을 혼합해 전체 조합을 시각적으로 해석 가능한 이미지로 표현하는 오실로스코프가 필요하다.

위의 그림 6처럼 비디오 신호로 출력되는 복합파를 확인하는 데에는 특별히 DPO 오실로스코프가 적합한데, DPO 오실로스코프의 디스플레이는 측정자에게 파형의 실제 움직임을 이해하는 데에 필요한 발생 주파수 정보나 명암 그레이딩을 제공한다.

자료 제공: 한국 텍트로닉스