간과하기 쉬운 오실로스코프의 주요 스펙 3가지

개요

오실로스코프의 스펙이라 하면 보통 샘플링 속도, 대역폭, 전압 범위 등을 떠올립니다. 하지만, 과연 새 계측기를 선택할 때 이러한 스펙이 정말로 유용할까요? 새로운 장비에 관한 정보가 중요한 것은 사실이지만, 오실로스코프의 품질을 이해하려면 사용자 매뉴얼을 좀 더 자세히 살펴볼 필요가 있습니다. 오늘은 유효 비트 수(ENOB, Effective Number of bits), 통과대역 평탄도, -3 dB 필터 롤오프가 가장 중요한 스펙에 해당하는 이유를 알아보겠습니다.

내용

유효 비트 수(ENOB)

오실로스코프의 ENOB는 장비의 왜곡, 노이즈 효과, 스퍼를 고려한 실제 측정 분해능입니다. ENOB는 프런트패널이나 데이터 시트에 인쇄된 분해능보다 오실로스코프의 측정 성능을 훨씬 더 정확히 나타내며, 신호 대 노이즈와 왜곡비(SINAD)로부터 직접 계산합니다. 측정치에는 노이즈와 디바이스 스퍼가 포함되고, 이들은 대상 신호에는 존재하지 않는 전압 오프셋과 주파수 요소를 추가하는 효과가 있습니다.

 

그림 1. 유효 비트 수(ENOB)는 장비의 노이즈와 스퍼를 고려하여 측정한 오실로스코프의 분해능입니다.

 

오실로스코프의 프런트패널에 기재된 분해능 수치를 믿지 말 것

계측기 공급업체들은 노이즈 밀도가 매우 낮은 최신 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 사용하고 데이터 교정을 위한 고급 알고리즘을 적용하는 방법으로 ENOB를 향상시킬 수 있습니다. 새 오실로스코프를 선택할 때 최상의 측정 성능을 얻으려면 ENOB, SINAD, SFDR(Spurious Free Dynamic Range)이 높은 제품을 선택하십시오. ENOB가 비교적 높은 14 비트 오실로스코프의 예로 NI의 PXIe-5171R 오실로스코프(11 비트)가 있습니다. NI는 또한 16 ~ 24 비트 분해능에 최대 105 dB SINAD의 동급 최강 스펙트럼 성능으로 업계를 선도하는 PXI-5922 가변 분해능 오실로스코프도 보유하고 있습니다.

 

주파수 성능 스펙의 이해 기술백서를 통해 ENOB 및 SFDR의 계산법을 자세히 알아보십시오.

 

통과대역 평탄도(Passband Flatness)

오실로스코프의 주파수 범위 전체에서 진폭이 일정하게 측정될 것이라고 가정해서는 안 됩니다. 통과대역 평탄도 스펙은 오실로스코프의 주파수 측정 범위 전체에서 진폭 측정치의 일관성이 어느 정도인지 보여줍니다. 평탄도가 우수한 오실로스코프는 측정 대상으로 지정된 전체 주파수에서 전압 레벨이 동일한 경우, 진폭 측정치에 거의 변화가 없습니다.

 

그림 2. 작동 주파수 내에서 오실로스코프의 일반적인 주파수 응답(빨간색)은 이상적인 이론상 주파수 응답(회색) 작동 주파수와 크게 달라, 측정 결과의 정확도가 떨어질 수 있습니다.

 

이러한 사실은 주파수 응답의 보드 플롯, 신호 대 노이즈 비 또는 여러 주파수에서 SFDR을 살펴보고 수치 또는 계측기의 평탄도 스펙 차이를 관찰하여 확인할 수 있습니다. 평탄도가 우수한 계측기를 사용하면 주파수와 무관하게 측정을 수행하고 최소한의 주파수 교정으로 데이터를 비교할 수 있어, 더욱 쉽고 빠르게 연관 작업을 진행할 수 있습니다.

 

통과대역 평탄도가 우수한 오실로스코프의 예로 1.5 GHz, 10 비트 PXIe-5162가 있습니다. PXIe-5162 스펙 문서의 대역폭 및 과도 응답 섹션을 확인하십시오.

 

-3 dB 필터 롤오프

오실로스코프를 정밀한 진폭 또는 주파수 측정 디바이스로 사용할 경우, 고조파 구성요소와 노이즈 스퍼가 측정에 역효과를 일으킬 수 있습니다. 모든 오실로스코프에는 -3 dB 포인트로 정의되는 아날로그 대역폭 스펙이 있으나, 스펙의 대역폭 이상으로 측정치가 신호의 영향을 얼마나 받는지 인식하는 것이 중요합니다. 오실로스코프의 확장된 작동 주파수 내에서 발생하는 신호가 앨리어싱을 통해 측정 중인 범위에 나타날 수 있습니다. 이러한 효과는 특정 관심 영역에서 오실로스코프를 안티앨리어싱 필터와 함께 사용하거나, 필터 롤오프가 보다 정교한 (보통 10년마다 -20 dB) 오실로스코프를 사용하여 방지할 수 있습니다.

 

그림 3. 오실로스코프에 기재된 대역폭 스펙만 보고 고주파수 신호가 사라진다고 단정지어서는 안 됩니다. 롤오프 성능이 -3 dB로 열악한 오실로스코프를 사용하면 작동 주파수 범위 밖의 신호가 측정 스펙트럼 안에 잘못 나타날 수 있습니다.

 

저역 필터 응답 성능이 우수한 오실로스코프는 -3 dB 포인트 이후의 신호를 제거합니다. 필터의 롤오프 성능이 충분치 못하면 관심 영역 안의 스펙트럼 측정치가 앨리어스 신호에 의해 크게 바뀔 수 있습니다.

 

앨리어싱 및 나이퀴스트 샘플링 이론에 대해 자세히 알아보려면 아날로그 신호 수집: 대역폭, 나이퀴스트 샘플링 이론, 앨리어싱을 참조하십시오.

 

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