오실로스코프를 선택할 때 고려해야 할 10가지 사항

개요

현대의 디지털 저장 오실로스코프는 독일 과학자 Karl Ferdinand Braun이 1897년에 발명한 음극선 오실로스코프와 크게 다릅니다. 기술 발전은 엔지니어에게 오실로스코프를 더욱 유용하게 만드는 새로운 기능을 계속 제공하지만, 오실로스코프의 가장 중요한 혁신 중 하나는 디지털 신호 처리 및 웨이브폼 분석과 같은 강력한 기능을 가능하게 하는 디지털 영역으로의 전환이었습니다. 오늘날 디지털 오실로스코프에는 고속, 저분해능(일반적으로 8비트) 아날로그-디지털 변환기(ADC), 정의된 제어 및 디스플레이, 일반적 측정을 위한 소프트웨어 알고리즘을 실행하는 내장 프로세서가 포함됩니다.

오실로스코프는 PC 기반이므로 소프트웨어에서 기능을 정의할 수 있다는 장점이 있습니다. 결과적으로 오실로스코프는 일반 측정뿐만 아니라 사용자 정의 측정에도 사용 가능하며 심지어 스펙트럼 분석기, 주파수 카운터, 초음파 수신기 또는 기타 계측기로서도 사용할 수 있습니다. 개방형 아키텍처와 유연한 소프트웨어로 오실로스코프는 기존의 독립형 오실로스코프보다 다양한 장점을 제공합니다. 어플리케이션에 맞는 오실로스코프를 선택하려면 여러 가지 사항을 고려해야 합니다.

이 백서는 새로운 오실로스코프를 고려할 때 명심해야 할 10가지 사항에 대해 자세히 설명합니다.

내용

대역폭

대역폭은 최소의 진폭 손실로 아날로그 프런트 엔드를 통과할 수 있는 입력 신호의 주파수 범위를 뜻합니다. 대역폭은 사인꼴 입력 신호가 원래 진폭의 70.7 퍼센트 또는 -3 dB 포인트로 감쇠될 때의 주파수로 정의됩니다.

일반적으로 신호의 최고 주파수 컴포넌트의 최소 2배의 대역폭이 있는 디지타이저를 사용할 것을 권장하고 있습니다.

오실로스코프는 디지털 펄스와 같은 신호 또는 샤프 엣지를 가진 기타 신호의 상승 시간을 측정하는 데에 주로 사용됩니다. 본 신호는 고주파수로 구성되어 있습니다. 신호의 모양을 캡쳐하려면 고대역폭이 필요합니다. 예를 들어, 10 MHz 사각파는 10 MHz 사인파 및 무한개의 고조파로 구성됩니다. 이 신호의 실제 모양을 수집하려면 이러한 고조파를 수집할 수 있을 만큼 대역폭이 큰 오실로스코프를 사용해야 합니다. 그렇지 않으면 신호가 왜곡되고 정확하게 측정되지 않습니다.

 

 

NI PXI-5152 오실로스코프의 20 MHz 노이즈 필터를 사용하여 수집된 5 MHz 사각파

 

NI PXI-5152 오실로스코프의 300 MHz 대역폭을 사용하여 수집된 5 MHz 사각파

그림 1: 고주파수 성분으로 웨이브폼을 수집할 때는 고대역폭 범위가 중요합니다

 


간단하고 널리 쓰이는 다음 공식을 사용하여 상승 시간(신호 진폭의 10%에서 90%로 바뀌는 데 걸리는 시간으로 정의)으로 신호의 대역폭을 계산하십시오.

 

상승 시간 = 0.35 / 대역폭

그림 2: 상승 시간은 신호가 전체 스케일값의 10%에서 90%로 변하는 데 소요되는 시간으로 정의됩니다.  상승 시간과 대역폭은 직접적인 관계가 있으며 위의 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

 


위의 공식에서 계산된 신호 대역폭의 3배에서 5배의 디지타이저를 사용하는 것이 이상적입니다. 다시 말해, 오실로스코프의 상승 시간은 신호 상승 시간의 1/5에서 1/3가 되어야 신호를 수집할 때 에러를 최소한으로 줄일 수 있습니다. 다음 공식을 기반으로 신호의 실제 대역폭을 역추적하여 결정할 수 있습니다.



= 측정된 상승 시간, = 실제 신호 상승 시간, = 오실로스코프 상승 시간

 

샘플링 속도

이전 섹션에서는 오실로스코프의 가장 중요한 스펙 중 하나인 대역폭에 대해 알아보았습니다. 그러나 샘플 속도가 충분하지 않으면 높은 대역폭의 유용성이 크게 떨어질 수 있습니다.


대역폭은 최소 감쇠로 디지털화될 수 있는 가장 높은 사인파로 정의되며, 샘플링 속도는 디지타이저 또는 오실로스코프에서 아날로그-디지털 변환기 (ADC)가 유입되는 신호를 디지털화하기 위한 클로킹된 속도를 의미합니다. 샘플링 속도와 대역폭이 직접적인 연관이 없다는 것을 명심하십시오. 그러나,이 두 가지 중요한 스펙 간의 관계를 파악하기 위해 대략적으로 사용되는 법칙이 있습니다.

 

오실로스코프 실시간 샘플 속도 = 오실로스코프 대역폭의 3~4배

 

나이키스트 이론은 앨리어스를 방지하기 위해서 디지타이저의 샘플링 속도가 측정되는 신호의 가장 높은 주파수 요소보다 최소 2배가 되어야 한다는 이론입니다. 그러나 최고 주파수의 2배로 샘플링하는 것은 시간 영역 신호를 정확하게 재생성하기에 충분하지 않습니다. 유입된 신호를 정확하게 디지털화하기 위해 디지타이저의 실시간 샘플링 속도는 디지타이저 대역폭의 최소 3, 4배가 되어야 합니다. 이해를 돕기 위해 하단의 그림을 살펴보고 오실로스코프에서 어떤 신호를 볼 수 있을지 생각해 보십시오.

 

 

그림 3: 오른쪽 그림은 신호를 정밀하게 재생성하기 위해 충분히 높은 샘플링 속도가 있는 디지타이저입니다. 따라서 더욱 정밀한 측정이 가능해집니다.

 

프런트 엔드 아날로그 회로를 통과한 실제 신호가 두 경우 모두 동일하다 하더라도 왼쪽 이미지는 언더샘플링 되어 디지털화된 신호가 왜곡될 가능성이 있습니다. 반면 오른쪽 이미지는 신호를 정확하게 재생성하기에 충분한 샘플 포인트를 갖추고 있어 더욱 정확한 측정을 구현합니다. 신호를 더욱 깔끔하게 표현하는 것이 상승 시간, 오버슈트(overshoot), 기타 펄스 측정과 같은 시간 영역 어플리케이션에 중요하기 때문에 높은 샘플링을 가진 디지타이저는 이 같은 어플리케이션에 유용합니다.

 

 

샘플링 모드

주요 샘플링 모드에는 실시간 샘플링과 등가시간 샘플링 (ETS) 두 가지가 있습니다.

실시간 샘플링 속도는 위에서 언급된 것으로 ADC의 클럭 속도를 설명하며 단일 수집에서 유입된 신호가 수집되는 최고 속도를 의미합니다. 반면 등가 시간 샘플링은 단일 모드에서 수집된 트리거링된 웨이브폼에 기반하여 신호를 재생성하는 방식입니다. ETS의 장점은 더 높은 유효 샘플링 속도를 제공한다는 것입니다. 그러나 단점은 시간이 오래 걸리며 반복 신호에만 적용된다는 것입니다. ETS 방식은 디지타이저의 아날로그 대역폭을 증가시키지 않으며, 신호를 높은 샘플링 속도에서 재생성할 때에만 유용하다는 사실을 기억하십시오. ETS의 일반적인 실행 방식은 RIS (random-interleaved sampling)이며 하단의 테이블 목록에 있는 대부분의 NI 디지타이저에서 사용가능합니다.

 

분해능 및 동적 범위

위에서 설명한 것과 같이, 디지털 오실로스코프와 디지타이저에는 아날로그에서 디지털로 신호를 변환하는 ADC가 있습니다. ADC가 반환하는 비트 수가 오실로스코프의 분해능입니다. 임의로 주어진 입력 범위에 대해, 신호를 디지털로 나타내는 데 사용 가능한 레벨의 수는 2b이며, 여기서 b가 분해능입니다. 입력 범위는 2b 단계로 구분되며 오실로스코프에서 감지할 수 있는 가장 작은 전압은 (입력 범위/2b)로 표시됩니다. 예를 들어, 8비트 오실로스코프는 10 Vpp 입력 범위를 각 39mV의 28 = 256 레벨로 나누고 24비트 오실로스코프는 동일한 10 Vpp 입력 범위를 각 596nV의 224 = 16,777,216 레벨(8비트의 경우보다 약 65,000배 작게 나눔)로 나눕니다.

고분해능 오실로스코프를 사용하는 이유 중 하나는 작은 신호를 측정하기 위해서입니다. 여기에서 종종 제기되는 의문은 낮은 해상도 계측기를 사용하고 작은 전압을 측정하기 위해 신호를 줌인하면 되지 않습니까?라는 것입니다. 그러나 신호는 소/대형 신호 컴포넌트를 함께 포함합니다. 넓은 범위를 사용하면 큰 신호를 측정할 수 있지만 작은 신호는 큰 신호의 노이즈에 묻혀버립니다. 반면, 작은 범위를 사용하면 큰 신호를 커버할 수 없으며 측정이 왜곡되고 유효하지 않을 수도 있습니다. 따라서 동적 신호(대형 및 소형 전압 구성 요소가 있는 신호)가 포함된 어플리케이션의 경우 동적 범위가 큰 고분해능 계측기(오실로스코프가 큰 신호에 포함된 작은 신호를 측정할 수 있는)가 필요합니다.

 

트리거링

일반적으로 오실로스코프는 특정 이벤트를 기반으로 신호를 수집하는 데 사용됩니다. 계측기의 트리거링 기능을 사용하면 이 이벤트를 분리하여 이벤트 전후의 신호를 캡처할 수 있습니다. 대부분의 오실로스코프에는 아날로그 경계, 디지털 및 소프트웨어 트리거링이 포함되어 있습니다. 다른 트리거링 옵션으로는 윈도우, 히스테리시스 및 비디오 트리거링이 있습니다.

최고급 오실로스코프는 트리거 간 빠른 재시동 시간을 갖고 있으므로 멀티 레코드 수집 모드를 지원하여 설정된 트리거에서 지정된 수의 포인트를 수집하고 신속하게 재시동하여 다음 트리거를 기다립니다. 빠른 재시동 시간 덕분에 오실로스코프가 이벤트 또는 트리거를 놓치지 않습니다. 멀티 레코드 모드는 필요한 데이터만 캡처하고 저장하여 내장 메모리 사용을 최적화하고 PC 버스의 활동을 제한하는 데 매우 유용합니다.

 

내장 메모리

측정 및 분석을 위해 데이터가 오실로스코프에서 PC로 전송되는 경우가 많습니다. 이 계측기는 초당 수 GS 범위까지 가능한 최대 속도로 샘플링 할 수 있지만, 데이터를 PC로 전송할 수 있는 속도는 PCI, LAN, GPIB 등과 같은 연결 버스의 대역폭에 의해 제한됩니다. 오늘날 이러한 버스 중 어느 것도 다중 GS/s 속도를 유지할 수 없지만, 미래에는 PCI Express 및 PXI Express가 몇 GB/s 데이터 속도를 전송할 수 있게 발전하면서 문제가 되지 않을지도 모릅니다.

인터페이스 버스가 수집되는 샘플의 속도로 연속적인 데이터 전송을 유지할 수 없는 경우 계측기의 내장 메모리는 일단 최대 속도로 신호를 수집하고 나중에 처리를 위해 데이터를 PC로 전송하는 기능을 제공합니다.

 

대용량 메모리는 수집 시간을 증가시킬 뿐만 아니라 주파수 영역 이점도 제공합니다. 가장 일반적인 주파수 영역 측정은 신호의 주파수 내용을 보여주는 고속 푸리에 변환(FFT)입니다. FFT의 주파수 분해능이 조밀하면 이산 주파수가 더 쉽게 감지됩니다.

 

 

위의 방정식에 따르면 샘플 속도를 줄이거나 FFT의 포인트 수를 늘리는 두 가지 방법으로 주파수 분해능을 개선할 수 있습니다. 샘플링 속도를 줄이는 것은 주파수 영역을 축소시키기 때문에 많은 경우 이상적인 솔루션이 아닙니다. 이 경우 유일한 솔루션은 FFT를 위해 더 많은 포인트를 수집하는 것인데 이를 위해서는 더 큰 내장 메모리가 필요합니다.


 
그림 4: 더 큰 용량의 내장 메모리를 사용하면 높은 샘플링 속도로 더 오랜 시간 샘플링하여 더 많은 포인트를 수집할 수 있습니다.  FFT를 계산할 때 더 많은 포인트를 사용하면 주파수 분해능이 높아집니다.

 

채널 밀도

채널 수 추가 기능 또는 여러 개의 오실로스코프를 동기화하여 채널을 추가하는 기능은 오실로스코프 구매 결정 시 중요한 요소입니다. 대부분의 오실로스코프에는 2개에서 4개의 채널이 있으며 각 채널은 특정 속도로 동시에 샘플링됩니다. 모든 채널을 사용할 때 샘플 속도에 어떤 영향을 주는지 잘 살펴봐야 합니다. 이는 시간 삽입 샘플링(Time-Interleaved Sampling)이라고 하는 일반적으로 사용되는 기술 때문인데, 여러 채널을 서로 연결하여 더 높은 샘플링 속도를 달성하는 방법입니다. 오실로스코프가 이 방법을 사용하는데 모든 채널을 사용하게 되면 최대 수집 속도를 구현하지 못할 수도 있습니다.

필요한 채널 수는 전적으로 특정 어플리케이션에 따라 다릅니다. 종종 주로 사용되는 2~4개 채널의 오실로스코프로는 어플리케이션에 충분하지 않을 수 있으며 이 경우 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째는 8채널(동시) NI PXI-5105 12비트, 60 MS/s, 60 MHz 오실로스코프와 같은 더 높은 채널 밀도 제품을 사용하는 것입니다. 분해능, 속도 및 대역폭 요구 사항과 일치하는 오실로스코프를 찾을 수 없으면 긴밀한 동기화 및 트리거와 클럭의 공유를 제공하여 테스트 시스템의 확장을 지원하는 플랫폼 사용을 고려해야 합니다. 지연 속도가 길고 처리량이 제한적이며 외부 케이블 연결이 필요하기 때문에 GPIB 또는 LAN을 통해 여러 박스형 오실로스코프를 동기화하는 것은 사실상 불가능하지만 PXI는 그보다 우수한 솔루션을 제공합니다. PXI는 PCI 및 PCI Express와 같은 기존의 고속 버스에 세계적 수준의 동기화 기술을 추가하는 업계 표준입니다.

그림 5: 동기화 기술을 사용하면 많은 채널 수의 오실로스코프를 만들 수 있습니다.  위의 그림은 최대 68개의 채널을 제공하는 시스템을 보여줍니다.  여러 섀시를 동기화하면 그보다 더 많은 채널 수를 얻을 수도 있습니다.

 

여러 장치의 동기화는 많은 어플리케이션의 핵심 요구 사항이며 종종 소프트웨어 개발 시간을 늘릴 수 있습니다. 그러나 SMC (Synchronization and Memory Core) 아키텍처에 구축된 NI 오실로스코프는 NI-TClk를 이용하여 최소한의 개발 노력으로 정확한 동기화를 구현해냅니다. NI-TClk는 여러 NI 오실로스코프, 임의 웨이브폼 생성기 및 고속 디지털 I/O 디바이스의 동기화를 프로그래밍하기 위한 상위 레벨 인터페이스를 제공합니다. 또한 이러한 유형의 동기화를 수행하기 위한 사전 작성 예제가 다양하게 준비되어 있으므로 시작 및 실행이 훨씬 쉽습니다. 다음은 LabVIEW 환경에서 프로그래밍된, 여러 PXI 오실로스코프에서 동종 동기화를 수행하는 데 필요한 세 가지 기능(niTClk Configure for Homogeneous Triggers, niTClk Synchronize, niTClk Initiate)을 보여줍니다.

  

다중 계측기 동기화

거의 모든 자동 테스트 및 많은 벤치탑 어플리케이션에는 오실로스코프, 신호 생성기, 디지털 웨이브폼 분석기, 디지털 웨이브폼 생성기 및 스위치와 같은 여러 유형의 계측기가 포함됩니다.

PXI 및 NI 모듈형 계측기에 내장된 타이밍 및 동기화 기능을 사용하면 외부 케이블 연결 없이 이러한 모든 유형의 계측기를 동기화할 수 있습니다. 예를 들어, 주파수 및 테스트하는 디바이스의 위상 응답을 특성화하는데 유용한 파라미터 스위프를 수행하기 위해 오실로스코프(예: NI PXI-5122)와 임의 웨이브폼 생성기(예: NI PXI-5421)를 통합 할 수 있습니다. 전체 스위프를 자동화할 수 있으므로 오실로스코프 및 생성기에서 파라미터를 수동으로 설정한 뒤 오프라인 분석을 수행할 필요가 없습니다. PXI를 사용한 모듈형 접근 방식은 단위가 달라질 정도로 속도를 증가시키며 결과를 얻는 데 필요한 번거로운 단계가 아닌 결과 자체에만 집중할 수 있게 하여 효율성을 향상합니다.

혼합 신호 기능

단일 PXI 섀시에서 최대 136개의 동기화된 채널 또는 다중 섀시에서 최대 5,000개 채널 시스템을 생성할 수 있는 바로 그 T-Clk 기술(위 섹션에서 설명)가 다른 유형의 계측기를 동기화하는데도 사용될 수 있습니다. 예를 들어, NI 오실로스코프는 혼합 신호 시스템을 구축하기 위해 신호 생성기, 디지털 웨이브폼 생성기 및 디지털 웨이브폼 분석기와 T-Clk 동기화할 수 있습니다.

 

 
그림 6: 위의 VI는 혼합 신호 오실로스코프(아날로그 및 디지털 입력) 기능을 위해 설정된 어플리케이션을 보여줍니다. 또한 디지털 또는 아날로그 출력 기능을 어플리케이션에 추가할 수 있으며 모든 계측기는 그 후에도 여전히 동기화될 수 있습니다.


디지털 기능이 제한적인 혼합 신호 오실로스코프에 만족하는 대신 임의 웨이브폼 생성기와 디지털 웨이브폼 생성기/분석기를 갖춘 모듈형 PXI 오실로스코프를 사용하여 오실로스코프와 로직 분석기의 장점을 갖춘 완벽한 혼합 신호 어플리케이션을 구축할 수 있습니다.

 

소프트웨어, 분석 기능 및 사용자 정의 가능

어플리케이션을 위한 모듈형 또는 독립형 오실로스코프를 선택할 때 소프트웨어 및 분석 기능을 결정하는 것이 매우 중요하며 이 요소가 두 계측기 중 하나를 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.

독립형 오실로스코프는 공급 업체가 정의하지만 모듈형 오실로스코프는 사용자 정의가 가능하기 때문에 해당 오실로스코프가 다룰 수 있는 애플리케이션에 대해 뛰어난 유연성을 제공합니다. 박스형 오실로스코프는 많은 엔지니어가 공통으로 요구하는 표준 기능을 다수 제공합니다. 당연하게도 이러한 표준 기능이 모든 어플리케이션, 특히 자동화된 테스트 어플리케이션의 요구 사항을 만족시켜 주지는 않습니다. 오실로스코프의 측정을 정의해야 하는 경우 고정된 기능만 제공하는 독립형 오실로스코프 대신 요구 사항에 맞게 어플리케이션을 사용자 정의 할 수 있도록 하면서 PC 아키텍처를 활용하는 모듈형 오실로스코프를 선택하는 것이 좋을 수도 있습니다.

NI 오실로스코프는 모두 무료 NI-SCOPE 드라이버 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍됩니다. 이 드라이버는 모든 NI 스코프의 모든 기능을 잘 보여주는 50개 이상의 미리 작성된 예제 프로그램과 함께 제공되며, 포함된 NI-SCOPE 소프트 프런트패널은 오실로스코프와 유사한 친숙한 인터페이스를 제공합니다. NI LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic 및 .NET을 포함한 프로그래밍 언어를 사용하여 광범위한 어플리케이션에서 동일한 하드웨어를 공통 및 맞춤형 측정을 위해 프로그래밍할 수도 있습니다. 또한 이 드라이버는 LabVIEW 내에서 빠른 설정 기반 기능을 지원합니다.

 

그림 7: NI 오실로스코프와 NI LabVIEW Jitter Analysis Toolkit를 함께 사용하여 NI LabVIEW 내에서 신호 무결성 측정을 수행 할 수 있습니다.

 

  

오실로스코프와 디지타이저의 차이점

인라인 FPGA 처리와 같이 오실로스코프보다 더 많은 사용자 정의 기능이 필요한 경우 오실로스코프보다 디지타이저가 어플리케이션에 더 적합할 수 있습니다. 예를 들어, FlexRIO 디지타이저는 고성능 아날로그 디지털 변환기도 제공하면서 더 다양한 사용자 정의가 가능합니다. 오실로스코프는 유연한 프런트엔드와 선택 가능한 입력 범위 및 설정을 갖춘 범용 테스트 장비로 사용되는 반면 디지타이저는 일반적으로 과학 또는 의료 기기의 설계나 프로토타이핑과 같은 특정 어플리케이션을 위한 맞춤 솔루션으로 사용됩니다.

모듈형 오실로스코프와 달리 FlexRIO 디지타이저는 고정 아날로그 프런트엔드, 최소한의 기본 제공 소프트웨어 기능 및 NIST 공인이 아닌 일반/측정 스펙을 갖추고 있습니다. 그러나 이들은 일반적으로 다양한 수집 속도로 제공되며 FPGA를 통해 더 많은 사용자 정의 또는 인라인 신호 처리를 지원합니다.

다음 단계

모듈형 오실로스코프와 독립형 오실로스코프 모두 전압을 수집하는 데 사용되지만 서로 다른 장점을 제공합니다. 그러나 오실로스코프를 구매할 때는 위에서 언급된 고려 사항에 대해 심사숙고해야 합니다.  어플리케이션 요구 사항, 비용 제약, 성능 및 향후 확장성에 대해 미리 생각하면 모든 요구 사항에 가장 적합한 계측기를 선택할 수 있습니다.