기획연재 ❸ 오실로스코프의 정의와 주요 특성 part 3

Ⅲ. 오실로스코프의 작동법과 측정 기법

1. 오실로스코프의 작동법

사용자가 오실로스코프를 설치하고 사용하는 데 있어서 ▲ 오실로스코프의 접지 연결 ▲ 오실로스코프 캘리브레이션 ▲ 프로브 보상 등은 중요한 요소로 꼽힌다. 오실로스코프를 접지한다는 것은 사용자가 대지 접지와 같이 전기적으로 중성인 기준 포인트에 대한 연결을 수행하는 것을 의미하는데, 이 때 접지가 적절히 이뤄지면 감전과 회로 손상 등이 발생할 위험이 크게 줄어든다.

이 같은 접지는 오실로스코프의 정확한 측정을 위해서도 필요한데, 이유는 오실로스코프가 테스트 대상의 회로와 동일한 접지를 공유하기 때문이다. 만약 사용자가 IC를 테스트한다면 자신의 신체를 접지시켜야 하는데, 이 때 사용자는 다음과 같은 접지 스트랩을 착용해야 한다.

이는 IC에 있는 미세한 전도 경로가 사용자의 신체에 축적된 정전기에 의해 손상되는 현상을 막기 위한 조치다. 일부 오실로스코프는 대지 접지에 대한 별도의 연결이 필요 없는 구조로 이뤄져 있는데, 이와 같은 오실로스코프는 케이스와 컨트롤이 절연 처리되어 있어 사용자를 감전으로부터 보호할 수 있다.

사용자가 오실로스코프를 통해 정확한 측정을 진행하기 위해서는 적절한 설정과 함께 캘리브레이션이 필요하다. 만약 사용자가 마지막 자체 캘리브레이션을 진행한 이후 5℃ 이상의 온도 변화가 일어날 경우, 일주일에 한 번씩은 캘리브레이션을 수행해야 하는데, 이 같은 캘리브레이션 작업은 오실로스코프 메뉴에 있는 ‘신호 경로 보상’을 통해 진행 가능하다.

한편, 사용자는 오실로스코프 설정 시 매번 프로브를 보상해야 하는데, 이는 프로브가 적절히 보상되지 않을 시 측정의 정확도가 저하될 수 있기 때문이다. 다음 그림은 사용자가 프로브를 적절히 보상하지 않고 측정을 수행할 시 1MHz 테스트 신호가 받을 수 있는 영향을 나타내고 있다.

대부분의 오실로스코프는 사용자에게 프로브를 보상하는 데 활용 가능한 전면부의 단자로부터 사각파 기준 신호를 제공하는데, 이 때 프로브를 보상하는 일반적인 지침에는 ▲ 프로브를 수직 채널에 연결 ▲ 프로브 팁을 프로브 보상(사각파 기준 신호)에 연결 ▲ 프로브의 접지 클립을 접지에 연결 ▲ 사각파 기준 신호 확인 ▲ 사각파의 모서리가 사각형으로 변환되도록 프로브를 조정하는 것 등이 있다.

사용자는 프로브 보상 시 항상 사용할 액세서리 팁을 장착하고 프로브를 사용할 수직 채널에 연결해야 하는데, 이 방법은 사용자가 오실로스코프에서 실제 측정을 진행할 때 발생하는 동일한 전기적 특성을 유지하는 역할을 수행한다.

2. 오실로스코프의 측정 기법

오실로스코프는 기본적으로 전압과 시간을 측정하는데, 이 외의 다른 측정을 수행할 때에는 전압과 시간을 측정하는 기본 기법 중 하나에 기반을 두고 있는 기법을 활용한다. 사용자는 오실로스코프의 수직 스케일에 나타나 있는 파형의 영역 수를 세어 전압을 측정할 수 있는데, 이 때 세로 방향으로 화면이 꽉 차게 신호를 조정하면 원활하게 전압 측정을 진행할 수 있다.

오실로스코프가 사용하는 화면 영역이 많을수록 사용자가 화면을 통해 전압을 정확히 측정할 수 있는 확률이 높아지는데, 많은 오실로스코프가 온 스크린 라인 커서를 보유하고 있어 사용자는 직접 눈금 표시를 세지 않고도 화면을 통해 파형 측정 결과를 확인할 수 있다.

한편, 오실로스코프는 수평 눈금을 통해 시간을 측정하는데, 이 같은 시간 측정에는 펄스의 기간과 펄스 폭 측정이 포함된다. 시간 측정 역시 전압 측정과 마찬가지로 다음 그림처럼 사용자가 측정할 신호 부분이 화면의 넓은 부분에 표시되도록 설정하면 더 정확하게 이뤄질 수 있다.

일반적으로 오실로스코프를 통한 표준 펄스 측정은 펄스 폭과 펄스 상승 시간을 의미하는데, 여기서 상승 시간이란 펄스가 낮은 전압에서 높은 전압으로 이동하는 데 걸리는 시간을 뜻하는 것으로, 보통 펄스 최대 전압의 10~90%에서 측정된다. 펄스 폭이란 펄스가 저점에서 고점으로 이동한 후 다시 저점으로 돌아오는 데 소요되는 시간을 의미하는데, 통상적으로 펄스 폭은 최대 전압의 50%에서 측정된다.

대개 펄스 측정을 할 때에는 트리거링 정밀 조정이 필요한데, 원활한 펄스 캡처를 위해서는 사용자가 트리거 홀드 오프 사용법과 프리 트리거 데이터를 캡처할 수 있는 디지털 오실로스코프 설정법을 정확히 인지해야 한다.

오실로스코프는 지금까지 설명한 전압과 시간, 펄스 외에도 위상 변화를 측정하는데, 이를위해 오실로스코프는 타이밍을 제외하고 동일한 두 주기적 신호 사이의 타이밍 차이를 측정하는 방법 중 하나인 XY 모드를 활용한다. 이 측정 기법은 한 신호를 수직 시스템에 정상적으로 입력한 후, 다른 신호를 수평 시스템에 입력하는 구조로 이뤄져 있는데, X축과 Y축 모두 전압을 측정하므로 XY 측정이라고도 불린다.

사용자는 이 같은 기법을 통해 ‘리사쥬 패턴’이라는 패턴을 얻을 수 있는데, 이 패턴의 형태를 통해 두 신호 사이의 위상 차이를 확연히 구분할 수 있을 뿐만 아니라 각각의 주파수 비율 또한 파악할 수 있다.

XY 측정 기법은 아날로그 오실로스코프에서 비롯되었는데, 이 때문에 사용자는 DSO(디지털 스토리지 오실로스코프)를 활용해 실시간 XY 디스플레이를 만드는 데 있어서 어려움을 겪을 수 있다. 반면, DSO와 달리 DPO(디지털 포스퍼 오실로스코프)는 디지털화된 데이터의 연속적인 스트림을 통해 순수한 XY 모드 이미지를 실시간으로 획득해 표시하며, 강조된 영역이 있는 XYZ 이미지도 표시한다.

한편, 지금까지 설명한 측정 기법 외에도 오실로스코프는 기타 측정 기법으로 조립 라인에서 전기 구성요소를 테스트하거나, 놓치기 쉬운 이상 신호를 캡처하는 설정 방법을 보유하고 있다. 이로 인해 사용자는 위에서 소개한 측정 기법 중 하나를 선택해 자신이 측정할 애플리케이션에 대한 측정 작업을 진행해 나갈 수 있다.

자료 제공 : 한국 텍트로닉스