모든 측정은 트리거로 시작

오실로스코프 디바이스와 같은 인스트루먼트의 중요한 요구 사항 중 하나는 의심스럽지 않은 신호 스트림 내에서 관심 있는 이벤트를 신속하고 안정적으로 감지하고 해당 이벤트에서 트리거할 수 있는 기능입니다. 특정 이벤트를 더 빨리 감지할수록, 전자 설계의 문제를 더 빨리 디버깅할 수 있어 개발 및 제조 테스트 시간을 단축할 수 있습니다.

오실로스코프 제조업체에서는 이러한 중요성을 잃지 않습니다. 대부분의 제조업체는 100개 이상의 미리 정의된 트리거를 제공하여 사용자가 매우 일반적이고 빈번하지 않은 신호 상태를 신속하게 분리할 수 있도록 도와줍니다. 이렇게 하면 유연성이 추가되지만, 트리거 타입, 속도, 대역폭, 홀드 오프, 소프트웨어 등과 같이 트리거가 다양해지면, 올바른 트리거를 선택하는 것이 실제로 신호를 캡처하는 것보다 더 어렵지만, 각 트리거에는 유연성과 데드 타임 사이의 차이가 있습니다. 트리거의 타입과 각각의 단점은 트리거가 성공적으로 발생할 확률을 최적화하기 위한 이상적인 트리거 접근 방식을 파악하는데 도움이 됩니다.

오실로스코프의 트리거 성능은 다음 두 가지 측면에서 결정됩니다:

1. 트리거 유연성은 테스트 중인 신호 조건을 충족하도록 조정하여 트리거 임계점 또는 조건을 얼마나 쉽게 정의하여 효율성을 향상시킬 수 있는지 설명합니다. 대부분의 오실로스코프는 레벨 또는 폭과 같은 최소 셋팅을 가진 다양한 제조업체 정의 트리거 함수를 제공하지만, 이를 사용자 정의하는 방법은 제공하지 않습니다.
   
2. 트리거 데드 타임은 오실로스코프가 수집 사이에서 트리거를 얼마나 오래 감지할 수 있는지 나타냅니다. 이 경우 관심있는 이벤트가 이 데드 타임에 해당하는 경우 트리거 조건을 찾을 수 없게 됩니다. 트리거 데드 타임은 모든 트리거 구조에서 고유한 품질이지만, 데드 타임을 최소화하는 방법과 기법이 있습니다. 많은 오실로스코프 제조업체는 유연성을 높이기 위해 소프트웨어 기반 트리거를 제공하지만, 이는 후처리가 필요하기 때문에 상당한 양의 데드 타임이 필요하며 매우 드물고 빈번한 이벤트에 적합하지 않습니다.

에지 트리거링(상승 또는 하강 신호 변환에서 수집 시작)은 오늘날 오실로스코프에서 가장 일반적으로 사용되는 트리거 모드 중 하나입니다. 대부분의 단순 디버그 및 테스트 함수는 에지 트리거로 처리되지만, 특정 신호 모양 또는 연속적인 여러 모양을 분리하기 위해서는 보다 복잡한 트리거 시나리오가 필요합니다. 보다 고급 트리거링 옵션도 오실로스코프에서 일반적으로 제공되며, I²C 또는 SPI와 같은 시리얼 프로토콜뿐만 아니라 글리치, 런트, 폭, 슬루 속도, 타임아웃 등 고급 이벤트 및 신호 특성을 캡처할 수 있는 추가적인 유연성을 제공합니다.

그림 1. 이 오실로스코프의 블록다이어그램은 디지털 신호 처리에 기반합니다. 수집 메모리와 신호 처리 장치가 오실로스코프의 수집 업데이트 속도와 데드 타임을 결정하고 있습니다.

많은 트리거 조건이 하드웨어에서 구현되지만, 그림 1과 같이 보다 복잡한 트리거 옵션과 신호 등급을 소프트웨어에서 수행하는 경우가 많습니다. 소프트웨어 트리거는 가장 유연하지만 그림 2와 같이 오실로스코프가 새 트리거를 감지할 수 없는 데이터 전송 및 처리 시간을 늘립니다. 트리거 시스템이 비어있는 이 주기는 데드 타임이라고 하며, 이는 실제 수집된 데이터 레코드보다 쉽게 길어질 수 있습니다. 즉, 오실로스코프 트리거 시스템은 95%의 시간 동안 비어있을 수 있습니다. 이로 인해 드문 이벤트나 드문 이벤트를 감지하는 것이 더 어렵기 때문에 테스트 시간이 길어집니다. 더욱 심각한 것은, 사용자가 예상되는 이벤트가 없다고 잘못 가정할 수 있기 때문입니다. 이는 매우 드물기 때문에 측정 중에 감지되지 않았기 때문입니다.

그림 2. 이것은 웨이브폼 스냅샷(위)과 연속 처리(아래) 사이의 데드 타임을 가진 전통적인 오실로스코프에서 웨이브폼의 수집 및 분석을 보여줍니다.

오실로스코프의 트리거 또는 신호 분석 기능이 태스크에 충분하지 않은 경우, 사용자가 남아있는 유일한 옵션은 긴 웨이브폼 선분을 수집하고 수집한 원시 데이터를 PC에 다운로드하여 특정 이벤트를 찾는 후 처리하는 것입니다. 그러나 이로 인해 전체 시스템 설계에 추가적인 복잡성이 추가되고 데이터 전송 지연과 필요한 처리 시간 때문에 테스트 시간이 더 길어집니다.

대부분의 소프트웨어 기반 또는 스마트 트리거 옵션은 전기 회로 설계 및 테스트의 요구 사항을 충족할 수 있지만, 신속하게 분리하고 수정하지 않으면 제품 개발을 크게 지연시킬 수 있는 드문 이벤트가 종종 발생합니다. 대부분의 오실로스코프 트리거 함수의 제한 때문에, 사용자는 해당 제조업체에서 사용할 수 있는 것만 접근할 수 있습니다.

오실로스코프 안에서 고유한 알고리즘을 구현할 수 있는 기능을 사용하면, 사용자는 특정 태스크에 맞게 인스트루먼트를 사용자 정의할 수 있으며 인스트루먼트 제조업체가 정의한 기능에 제한되지 않습니다. 예를 들어, 사용자는 자신의 어플리케이션 특정 트리거 조건을 정의하여 신호 조건을 구체적으로 캡처할 수 있습니다. 그림 3과 같이, PC에서 데이터를 후처리할 필요가 없어 테스트 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

오실로스코프에서 인라인 데이터 처리를 제공하고 알고리즘을 다시 프로그래밍할 수 있는 유연성을 제공하는 주요 기술은 FPGA입니다. 이는 기본적으로 사용자 정의된 신호 처리를 수행하고 높은 처리 속도로 알고리즘을 실제로 병렬 방식으로 컨트롤할 수 있는 프로그램 가능한 칩입니다. FPGA의 유연성은 사용자 지정 트리거 알고리즘을 수정하거나 추가할 수 있는 반면, 높은 처리량을 사용하면 데이터 샘플을 처리 후 처리하는 대신 수집 중 실시간으로 분석할 수 있습니다. 이렇게 하면 데드 타임을 제거하고, 트리거를 찾을 수 없도록 방지하고, 드문 이벤트를 훨씬 빠르게 감지할 수 있습니다.

그림 3과 같이 표준 트리거 정의에 맞지 않는 신호 모양 또는 변이를 감지하는 사용자 정의 트리거의 예가 있습니다. 이 디지털 신호는 신호 반사 또는 테스트된 회로의 전원 공급 장애로 인해 발생할 수 있는 부동소수 에지를 보여줍니다. 표준 에지 또는 폭 트리거는 이러한 원하지 않는 신호를 감지하지 않으며, 일반 평균 내에서 감지는 거의 불가능합니다. 이 이벤트를 정확하고 일관적으로 수집하려면, 새 트리거를 생성해야 합니다. 이와 같은 시나리오를 해결하기 위해 소프트웨어 트리거를 개발할 수 있습니다. 그러나 이 메소드와 연관된 큰 트리거 데드 타임 때문에 드문 이벤트는 빠르게 감지되지 않습니다. 또는 사용자 프로그래밍 가능한 FPGA를 사용하여 수집된 샘플 포인트를 마스크와 비교하는 여러 개의 윈도우 트리거를 제공하여, 모든 윈도우 트리거가 동시에 유효한 트리거 조건을 감지할 때마다 결합된 트리거가 생성되고 신호가 수집됩니다.

FPGA는 신호를 연속적으로 실시간으로 평가하기 때문에, 오실로스코프는 수집 사이의 데드 타임 없이 단일 이벤트뿐만 아니라 연속적인 이벤트를 캡처할 수 있습니다.

그림 3. 특정 신호 전환은 사용자 정의 트리거를 사용하여 캡처됩니다. 이 함수는 재구성 가능한 오실로스코프의 FPGA 내에서 구현됩니다.

테스트 엔지니어들은 오랫동안 기존의 박스 인스트루먼트의 고정 소프트웨어 대신 LabVIEW 같은 소프트웨어 도구를 사용하여 테스트 시스템을 자동화하고 측정을 분석하고 제시하고 테스트 비용을 절감했습니다. 이 방식은 유연성을 제공하며 최신 PC 및 CPU 기술을 활용합니다. 그러나 사용자는 종종 인스트루먼트가 측정을 수행하는 방식을 수정하여 어플리케이션의 요구 사항을 충족시켜야 하는 경우가 많습니다.

원격 인스트루먼트는 전통적으로 제조업체 정의이며 고정된 기능만 제공하지만, NI는 FPGA 기술을 기반으로 하는 개방형, 유연한 인스트루먼트를 선도하고 있습니다. 이 결과는 고정형 고품질 측정 기술, 최신 디지털 버스 통합, 고도로 병렬화되고, 지연 시간이 적고, 인라인 처리를 위해 직접 I/O에 연결된 사용자 정의 가능한 로직이라는 두 가지 세계에서 가장 좋은 기능을 갖춘 최신 하드웨어를 제공합니다.

그림 4. 이것은 재구성 가능한 오실로스코프 NI PXIe-5171R의 블록다이어그램입니다.

이전에 FPGA 기술은 Verilog 또는 VHDL과 같은 도구를 사용하여 디지털 하드웨어 설계를 깊이 이해한 엔지니어만 사용할 수 있었습니다. LabVIEW 같은 상위 레벨 시스템 설계 도구의 상승으로 FPGA 프로그래밍의 규칙이 바뀌어 그래픽 블록다이어그램을 디지털 하드웨어 회로로 변환하는 새로운 기술이 도입되었습니다. 모든 NI FPGA 하드웨어 제품(NI PXIe-5171R 포함)은 강력한 부동소수 프로세서, 재구성가능한 FPGA 및 모듈형 I/O를 제공하는 LabVIEW 재구성가능한 I/O(RIO) 아키텍처에 구축됩니다. LabVIEW RIO 아키텍처는 고급 제어, 모니터링 및 테스트 어플리케이션을 설계할 때 개발을 단순화하고 출시 시간을 단축합니다. LabVIEW 사용하면, 사용자가 인스트루먼트 기능을 확장할 수 있습니다(예를 들어, 사용자 정의 트리거 또는 추가적인 타이밍 또는 컨트롤 신호를 사용). 또한 사용자는 소프트웨어로 설계된 인스트루먼트의 FPGA에서 고유의 알고리즘을 구현하여 하드웨어를 완전히 다른 태스크에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 오실로스코프 디바이스는 리얼타임 스펙트럼 분석기, 과도 기록기, 프로토콜 분석기, RF 수신기 등으로 변환될 수 있습니다.

이것은 인스트루먼트를 구입 및 유지보수해야 할 필요가 적기 때문에 장비 비용을 절감할 수 있습니다. 이는 테스트 시스템에서 상당한 비용 측면입니다. 이것은 특히 군사 또는 항공우주 테스트 시스템에서와 같이 매우 오랜 시간 (10년 이상) 동안 테스트 및 인스트루먼트 기능을 제공해야 하는 경우에 유용합니다. 이러한 어플리케이션은 더이상 사용할 수 없는 오래된 인스트루먼트의 동작을 다시 생성해야 하는 경우가 많습니다(수명 종료).

재구성가능한 인스트루먼트는 이전 인스트루먼트의 동작을 모방하도록 다시 프로그래밍할 수 있기 때문에 이 어플리케이션에 유용합니다. 이 새로운 인스트루먼트를 사용하려면 테스트 시스템 소프트웨어의 재작업 및 재인증이 훨씬 적어야 하기 때문에, 이렇게 하면 비용을 절약할 수 있습니다.

이러한 종류의 인스트루먼트의 예로는 Xilinx Kintex-7 FPGA를 사용하여 8개의 입력에서 수집한 샘플을 실시간으로 처리하는 NI PXIe-5171R 재구성 가능한 오실로스코프입니다. 그림 4는 사용자 프로그래밍 가능한 FPGA가 데이터 경로에 통합되고 인스트루먼트의 컨트롤 및 타이밍 신호에 접근할 수 있는 방법을 보여줍니다.

오실로스코프의 기존 트리거링 방법은 유연성과 리얼타임 분석이 부족하기 때문에 매우 드문 또는 복잡한 이벤트를 캡처하는데 어려움을 겪습니다. 새로운 접근 방식은 FPGA 기술을 활용하여 사용자 정의 트리거링 함수를 정의하여 가장 복잡한 트리거링 조건을 충족하고 신호를 리얼타임으로 처리 및 분석할 수 있습니다.

데모를 통해 트리거를 사용자 정의하여 데드 타임을 제거하는 방법을 확인하십시오.