기획연재 ❷ 오실로스코프의 정의와 주요 특성 part 2

Ⅱ. 오실로스코프의 유형과 시스템 및 컨트롤

1. 오실로스코프의 유형

일반적으로 전자 장비가 아날로그와 디지털로 분류되듯 오실로스코프도 아날로그와 디지털로 분류할 수 있다.

아날로그 오실로스코프는 신호를 추적하는 반면, 디지털 오실로스코프는 ADC(아날로그-디지털 컨버터)를 통해 측정된 전압을 디지털 정보로 변환시킨다. 또한 디지털 오실로스코프는 파형을 일련의 샘플로 획득하는 동시에 파형을 만드는 데 충분한 샘플이 누적될 때까지 샘플을 저장하고, 이렇게 저장된 파형을 재조합해 화면에 표시한다.

여기서 디지털 방식이란 오실로스코프가 작동 범위 내에 있는 다양한 주파수를 안정적이고, 밝고, 선명하게 표시하는 것을 의미한다. 이 같은 디지털 오실로스코프는 ▲ DSO(디지털 스토리지 오실로스코프) ▲ DPO(디지털 포스퍼 오실로스코프) ▲ MDO(혼합 도메인 오실로스코프) ▲ MSO(혼합 신호 오실로스코프) ▲ 디지털 샘플링 오실로스코프로 이뤄져 있다.

DSO는 이상 신호 이벤트를 캡처하고 확인하며, 파형 정보를 2진수 값의 디지털 형식으로 저장하기 때문에 사용자는 오실로스코프 자체 내에서 또는 외부 컴퓨터를 활용하는 방식을 통해 파형 정보를 분석, 저장, 인쇄할 수 있다.

DSO를 구성하는 서브시스템 중 일부는 아날로그 오실로스코프에서 활용되는 것과 유사하지만, 특별히 DSO에는 전체 파형에 해당하는 데이터를 수집 및 표시하는 추가적인 데이터 처리 서브시스템이 적용되어 있다. 한편, DSO는 시리얼 프로세싱 아키텍처를 통해 신호를 캡처한 후 화면에 표시한다.

또 다른 디지털 오실로스코프인 DPO는 병렬 프로세싱 아키텍처를 통해 신호를 캡처한 후 디스플레이에 표시한다. 이와 같은 DPO의 아키텍처는 파형 이미지 획득에 정통한 ASIC 하드웨어를 사용해 빠른 파형 캡처 속도를 구현하는데, 이는 곧 높은 레벨의 신호 시각화로 이어진다.

이러한 성능은 런트 펄스, 글리치, 트랜지션 오류처럼 디지털 시스템에서 발생하는 이상 신호 이벤트를 사용자가 관찰할 수 있도록 지원한다. MDO는 RF 스펙트럼 분석기와 MSO 또는 DPO를 결합해 디지털, 아날로그 신호의 RF 도메인에 관한 시간 상관 시각화를 지원한다.

사용자는 MDO 사용 시 임베디드 설계에 포함된 프로토콜, 스테이트 로직, 아날로그, RF 신호의 시간 상관관계를 확인할 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 도메인 간의 이벤트를 측정할 때 생기는 불확실성을 줄일 수 있다.

만약 사용자가 Zigbee 설계 같은 임베디드 무선 솔루션과 관련된 작업을 한다면, MDO를 통해 RF 이벤트의 가동을 트리거한 후, 마이크로 프로세서 컨트롤러에서 디코딩되는 SPI 제어 라인의 명령줄 대기 시간, 가동 시에 생기는 드레인 전류 및 전압, 스펙트럼 이벤트를 확인할 수 있다.

MSO는 DPO의 성능에 평행/시리얼 버스 프로토콜 디코딩 및 트리거링을 포함한 16채널 로직 분석기의 기능을 지니고 있다.

MSO의 디지털 채널은 디지털 회로에서 신호를 보는 것과 동일하게 디지털 신호를 로직 하이 또는 로직 로우 중 하나로 인식하는데, 이는 링잉, 오버슈트, 접지 바운스가 로직 트랜지션의 원인이 아닌 이상 아날로그 특성이 MSO에 아무런 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다. 이에 더해 MSO는 로직 분석기와 마찬가지로 임계 전압을 활용해 신호가 로직 하이인지 또는 로직 로우인지를 판단한다.

이 같은 MSO는 디지털 트리거링, 고분해능 획득 기능, 분석 기능을 갖춘데다가 신호의 아날로그 표현 및 디지털 표현을 모두 분석해 사용자가 디지털상에서 발생한 문제의 근본적인 원인을 찾을 수 있도록 지원하기 때문에 디지털 회로 검증 및 디버깅에 적합하다. 디지털 샘플링 오실로스코프는 입력 신호가 감쇠 또는 증폭되기 전에 샘플링을 수행하는데, 이 때 샘플링 게이트가 신호를 더 낮은 주파수로 변환시킨다.

이 때문에 사용자는 샘플링 브리지 이후에 저대역폭 증폭기를 사용할 수 있는데, 이는 더 높은 대역폭 계측기 활용으로 이어진다. 그런데 이와 같은 높은 대역폭은 디지털 샘플링 오실로스코프의 다이나믹 레인지를 제한하므로 대다수의 디지털 샘플링 오실로스코프의 다이나믹 레인지가 대략 1Vp-p로 제한된다.

이처럼 대역폭이 제한되기 때문에 사용자는 샘플링 브리지 앞에 보호 다이오드를 배치할 수 없고, 다른 오실로스코프와는 달리 디지털 샘플링 오실로스코프의 안전 입력 전압을 약 3V로 낮춰야 한다. 그럼에도 불구하고 디지털 샘플링 오실로스코프는 DSO/DPO가 단일 스위프로 수집하지 못하는 빠른 속도의 신호를 정확히 캡처하는 데에 유용하게 활용될 수 있다.

2. 오실로스코프의 시스템 및 컨트롤

오실로스코프는 기본적으로 ▲ 수직 시스템 ▲ 수평 시스템 ▲ 트리거 시스템 및 디스플레이 시스템으로 구성된다. 만약 사용자가 이 같은 시스템을 정확히 이해한다면, 특정 측정 과정에서 발생하는 문제를 효율적으로 해결할 수 있다. 한편, 오실로스코프의 전면부는 보통 ▲ 수직 ▲ 수평 ▲ 트리거로 표시된 세 가지 부분으로 분할되는데, 이는 모델과 유형에 따라 다르게 적용된다.

사용자는 오실로스코프를 사용할 때 수직, 수평, 트리거와 같은 세 가지 기본 설정을 입력 신호에 맞게 조정해야 한다. 수직 시스템 및 컨트롤은 파형의 수직 방향 위치와 스케일, 입력 커플링 설정 및 기타 다른 신호 조정에 활용되는데, 사용자는 수직 위치 컨트롤을 통해 파형을 위아래로 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라 화면에서 원하는 위치로도 정확히 조정할 수 있다.

또한 사용자는 스케일 단위인 볼트 영역 설정을 통해 화면의 파형 크기를 변경할 수 있는데, 이 때 화면에 표시되는 최대 전압은 볼트 영역 설정에 수직 영역의 수를 곱한 수치다. 일부 볼트 영역 스케일에는 표시된 신호를 특정 영역의 수로 조정하는 가변 게인이나 정밀 게인 컨트롤이 적용되는 경우가 있는데, 이 컨트롤 방식들은 상승 시간 측정에 도움이 된다.

한편, 오실로스코프상에서 커플링은 전기 신호를 한 회로에서 다른 회로로 연결하는 데 활용되는 방법을 일컫는 용어로 쓰이는데, 커플링이 오실로스코프에 적용될 시 테스트 회로와 오실로스코프 사이의 연결을 의미하는 입력 커플링 기능이 성립된다. 커플링은 DC, AC 또는 접지로 설정 가능한데, DC 커플링은 사용자에게 입력 신호를 보여주며, AC 커플링은 신호의 DC 구성요소를 차단해 파형이 0V 주변으로 모일 수 있는 조건을 형성한다.

접지 설정은 수직 시스템에서 입력 신호를 단절시켜 사용자가 화면에서 0V의 위치를 찾을 수 있도록 지원하는데, 만약 사용자가 접지 입력 커플링과 자동 트리거 모드를 사용한다면, 화면에서 0V를 나타내는 수평선을 확인할 수 있다. 대부분의 오실로스코프는 대역폭을 제한하는 회로를 내장하고 있는데, 오실로스코프는 이 회로를 통해 대역폭을 제한함으로써 표시된 파형에서 생겨나는 노이즈를 줄여 더 깨끗한 신호를 나타낸다.

또한 오실로스코프는 채널 응답 개선에 활용 가능한 DSP 임의 이퀄라이제이션 필터를 보유하고 있는데, 이 필터는 대역폭 확대와 오실로스코프의 채널 주파수 응답 평탄화, 위상 선형성 개선, 채널 간의 매칭에 효과적으로 작용한다. 오실로스코프의 수평 시스템은 입력 신호 획득과 밀접하게 관련되어 있으며, 샘플링 속도와 레코드 길이를 고려 대상으로 삼는다.

수평 컨트롤의 경우, 파형의 수평 방향 위치와 스케일을 조정하는 데 활용된다. 한편, 디지털 오실로스코프는 일반적으로 획득 시스템에서 신호를 처리하는 방법을 제어하는 설정 기능인 획득 컨트롤과 샘플 포인트에서 파형 포인트를 생성하는 방법을 제어하는 획득 모드를 갖추고 있는데, 이 중 획득 모드에는 ▲ 샘플 모드 ▲ 피크 탐지 모드 ▲ 고해상도 모드 ▲ 엔벨로프 모드 ▲ 평균 모드 ▲ 파형 데이터베이스 모드가 있다.

오실로스코프에서 샘플링은 입력 신호의 일부분을 저장, 처리/표시하기 위해 다수의 개별 전기 값으로 변환하는 절차를 뜻한다. 이 같은 샘플링은 스냅샷을 찍는 것과 유사한데, 각 스냅샷은 파형에서 하나의 포인트에 해당하며, 스냅샷을 적절한 시간 순서로 배열하는 것이 곧 입력 신호를 재구성하는 것이다.

디지털 오실로스코프에서 이뤄지는 샘플 포인트 배열은 수직축에 위치한 측정된 진폭, 수평축에 위치한 시간의 형태가 디스플레이에서 재구성되는 것을 의미한다. 이와 같은 샘플링 기능은 ‘실시간 샘플링 방식’과 ‘보간을 이용한 실시간 샘플링 방식’을 통해 샘플링을 수행하는데, 이 중 실시간 샘플링 방식은 디지털 오실로스코프를 통해 1회성의 이상 고속 신호를 캡처할 수 있는 방법으로, 주파수 범위가 오실로스코프 최대 샘플링 속도의 절반도 되지 않는 신호와 같을 때 활용하기 적합한 방식이다.

사용자가 실시간 샘플링 방식을 활용할 경우, 오실로스코프는 한 번의 파형 스위프에서 정확한 화면을 구성할 수 있는 충분한 포인트를 획득하게 된다. 보간을 이용한 실시간 샘플링 방식에서 보간이란 각 사이클 내에서 샘플링된 신호를 정확하게 표시할 수 있도록 점을 연결하는 것이다.

만약 사용자가 실시간 샘플링과 보간을 함께 활용한다면, 오실로스코프가 실시간 모드에서 단일 패스를 통해 신호의 일부 샘플 포인트를 수집한 후, 보간을 활용해 공백을 메우게 되는데, 이 때 보간은 사용자가 소수의 포인트를 기반으로 파형이 어떻게 보일지를 추정하는 데 도움을 준다.

보간에는 sin x/x 보간과 선형 보간이 있는데, 이 중 sin x/x 보간은 선형 보간보다 더 많은 용도에 활용되는 수학적 프로세스로, 사각파 및 펄스보다 곡선의 불규칙한 신호에 적합하며, 포인트를 계산해 실제 샘플 사이의 시간을 메운다. 선형 보간의 경우, 샘플 포인트를 직선으로 연결하는 방식으로, 사각파와 비슷한 모서리가 사인파를 직선인 신호로 재구성하도록 제한되어 있다.

오실로스코프의 또 다른 기능인 트리거 기능은 정확한 신호 포인트에서 수평 스위프와 동기화되는데, 이는 명확한 신호 특성화에 반드시 필요하다. 트리거 컨트롤 사용 시 사용자는 반복적인 파형을 안정화시킬 수 있어 1회성 파형을 캡처할 수 있는데, 이 같은 트리거는 오실로스코프의 디스플레이에서 입력 신호의 동일한 부분을 반복적으로 표시해 반복적인 파형을 정지된 것처럼 나타낸다.

아날로그 및 디지털 오실로스코프에서 사용 가능한 에지 트리거링이 트리거 기능 중에서 가장 기본적인 유형인데, 이 두 오실로스코프에서 제공되는 임계값 트리거링 기능과 함께 디지털 오실로스코프는 아날로그 계측기가 제공하지 않는 다양한 특수 트리거 설정을 제공한다. 고급 트리거 컨트롤은 특정 관심 이벤트를 격리시켜 오실로스코프의 샘플링 속도와 레코드 길이를 최적화할 수 있는데, 일부 오실로스코프는 고급 트리거링 기능으로 엄선된 컨트롤을 지원한다.

여기서 엄선된 컨트롤은 진폭으로 정의되는 펄스(런트 펄스), 시간으로 검증되는 펄스(펄스 폭, 글리치, 슬루 레이트, 셋업&홀드, 시간 초과), 로직 스테이트 또는 패턴에 따라 정의되는 펄스(로직 트리거링)를 트리거링할 수 있다.

이외에도 고급 트리거의 기타 기능에는 ▲ 패턴 락 트리거링 ▲ 시리얼 패턴 트리거링 ▲ A&B 트리거링 ▲ 검색 및 마크 트리거링 ▲ 트리거 보정 ▲ 특정 표준 신호에 대한 시리얼 트리거링 ▲ 평행 버스 트리거링 등이 있다. 한편, 오실로스코프의 전면부에는 디스플레이 화면과 신호 획득 및 디스플레이 제어에 필요한 노브, 버튼, 스위츠, 표시등이 있는데, 이 중 디스플레이는 화면의 격자 표시를 나타낸다. 디스플레이의 중앙 수평 및 수직 눈금의 틱 마크가 보조 영역으로, 많은 오실로스코프가 각 수직 영역이 나타내는 전압 수와 각 수평 영역이 나타내는 초 수를 화면에 표시한다.

지금까지 설명한 시스템과 컨트롤 기능 외에도 오실로스코프는 ▲ 수학 및 측정 작업 ▲ 디지털 타이밍 및 스테이트 획득과 같은 기능을 갖추고 있으며, 프로브와 함께 전체 측정 시스템을 이룬다. 

자료 제공: 한국 텍트로닉스