오실로 스코프를 만들기 위해서 기본적인 개념들을 정리하고 있습니다.^^
1. DSO의 구조
디지탈 오실로스코프는 크게 나누어서 입력부, A/D변환부, 메모리부, 타이밍 발생부, 제어부, 표시부로 나눌 수 있다.
입력부는 일반적인 아날로그 오실로스코프와 거의 동일한 구조로 되어 있고 A/D변환, 메모리부, 타이밍 발생부 및 제어부는 컴퓨터와 유사한 구조로 되어 있고, 표시부는 TV 또는 컴퓨터 모니터와 유사한 방식 및 아날로그 오실로스코프와 같은 방식이다.
디지탈 오실로스코프의 기본적인 성능은 A/D 변환부, 메모리부, 표시부에 달려 있다. A/D 변환부는 측정하는 신호의 분해능, 측정가능 주파수에 영향을 주고, 메모리부 및 표시부는 신호의 표시품질, 측정시간 등에 영향을 준다.
제어부는 가각의 제품마다 고유의 기능을 하는 측정항목 등에 연결이 된다.
2. DSO의 원리
그러면 신호의 변환 원리에 대하여 알아보자. 아날로그 신호은 연속적인 신호이지만 디지탈은 구간구간을 끊어서 측정하여야만 한다. 따라서 한점 한점을 디지탈(숫자)로 바꾸어서 메모리에 넣을 필요성이 생긴다. 디지탈로 변호나을 하기 위해서는 최대에서 최소를 몇 구간으로 할 것인가를 결정해야 한다. 예를 들어 1Vpeak-peak의 전압을 측정하기 위하여 100개로 나눌 것인가, 1000개로 나눌 것인가를 결정한다.
이것은 결국 A/D 컨버터의 비트수에 좌우가 된다. 만약 8Bit의 A/D CONVERTER라면 256개로 나눠지고 10Bit라면 1024개로 나눠지게 되는 것이다. 이것은 수직 분해능이라고 부른다.
위의 예를 분해능으로 바꾸어 표현을 하면 8Bit는 1V/256=3.9mV의 분해능이 10Bit는 1V/1024=0.98mV라는 분해능이 나온다. 이것을 수직 분해능이라고 한다. 수직 분해능이 높을 수록 파형의 재생 효과가 우수하다.
다음은 위에 설명된 분해능으로 측정을 하고 다음 측정할 때 까지의 시간을 샘플 주기라고 하는 데 역수를 취하여 주파수로 변환을 하면 샘플링 스피드라고 한다. 측정할 주기(Time Base)를 최대로 하였을 때 샘플링 스피드가 최대로 되는 데 이때의 주파수를 최대 샘플링 스피드라고 한다.
간혹 선택을 할 때 어느 측정 주기(Time Base)라도 최대 샘플링 스피드로 측정하는 것으로 알고 있는 데 샘플링 스피는 측정 주기(Time Base)에 따라서 변한다. 즉 측정주기가 길어질수록 샘플링 스피드는 높아지게 되어 있다.
다음은 수평분해능에 대하여 알아보도록 한다. 수평분해능은 메모리와 중요한 관계가 있다. 먼저 측정메모리와 실제로 표시되는 메모리의 양이 같은 경우를 알아보자.
이해를 쉽게하기 위하여 측정주기 (Time Base)를 1mS/Div에 두었다고 가정을 하고 표시 메모리가 500개인 경우 수평 전체칸(10칸)이 500개이므로 1Div의 표시 메모리 갯수는 50개로 1mS에 50개의 측정분해능을 가지는 것이다.
따라서 샘플링주파수는 1mS/50=20uS=50KHz이다. 표시 메모리가 10,000개인 경우를 가정을 하면 1Div의 메모리 갯수는 1,000개이므로 샘플링 주파수는 1mS/1000=1MHz가 된다.
측정 가능한 단발 파형의 주파수는 샘플링 주파수에 관계되므로 실제 측정가능 주파수는 샘플링 주파수의 약 1/3로 된다. 따라서 표시 메모리가 500개인 경우 50KHz/3=17KHz의 단발 파형을 측정할 수 있고, 표시 메모리가 10,000개인 경우는 1MHz/3=333KHz의 단발 파형을 측정할 수가 있다. 따라서 동일한 측정주기(Time Base)인 1mS에서도 표시 메모리에 따라서 17KHz, 333KHz라는 큰 차이가 나게 되는 것이다.
3. 샘플링 방법
다음은 샘플링 방법에 대하여 알아보도록 하자. 샘플링은 실시간과 등가시간으로 크게 나뉠 수가 있다.
- 실시간(Real Time) 샘플링
일정한 시간 간격으로 측정을 하여 하나의 화면을 구성한다. 단발 파형이나 연속 파형 양쪽을 측정할 수 있는 반면, A/D 변환 능력의 한계 때문에 최대 샘플링 스피드의 1/3정도가 최대 측정 주파수로 된다.
측정 주기가 낮은 경우에는 표시메모리에 의해 최대 측정 주파수가 결정된다.
- 등가시간(Equivalent Time) 샘플링
이 방법은 측정주기를 일정 갯수로 나누어서 나뉘어진 갯수에 의한 샘플링 스피드에 의하여 측정을 하는 데 한번 측정한 후 약간의 시간차를 두고 다시 측정을 한후 한 화면이 이루어지면 측정한 값을 재배열하여 화면을 표시한다.
즉, 1.5.9.13.2.6.10.14.3.7.11.15.4.8.12.16과 같은 화면 배열이 된다.
따라서 낮은 샘플링 주파수로도 높은 신호를 측정할 수 있는 반면에 연속신호만이 측정가능하고 단발현상이나 불연속 신호는 측정이 불가능하다는 단점이 있다. 이상과 같이 두가지 방식이 있으나 대부분의 DSO는 위의 두가지 샘플링 방법을 채용하고 있다. 즉 낮은 측정주기를 설정하면 실시간 샘플링을 하고 높은 측정주기를 설정하면 등가시간 샘플링을 하도록 자동설정 또는 수동설정을 하도록 하고 있다. 다만 규격서에는 실시간 샘플링에 의한 측정 가능 주파수가 낮으므로 등가시간 샘플링에 의한 측정 가능 주파수만을 기재하는 경우가 있으므로 목적에 맞추어 세밀한 검토를 할 필요성이 있다.
4. 표시 방식
측정된 신호를 표시하는 방식으로는 크게 두가지로 나뉘어질 수가 있다.
-전자 편향방식 (Raster Scan CRT)
일반적인 TV나 모니커와 같은 방식의 표시장치로서 표시를 다양하게 할 수가 있고 신호나 표시를 칼라로 처리를 할수 있는 장점이 있다.
그러나 Raster Scan CRT의 구조적인 분해능 (400X400, 640X480, 1024X768) 이상은 표시를 할 수가 없으므로 표시되는 신호의 품질이 상당히 떨어진다.
1024*7658의 분해능을 가진 CRT를 채용하더라도 실제표시되는 양은 70% 수준 밖에 안되므로 약 700 포인트 정도의 분해능으로 표시가 된다. 결과적으로 느리게 변하는 (사인파 같이) 신호를 분석하는데는 별로 지장이 없지만 날카로운 Peak 파형과 같은 것은 제대로 표시를 할 수 없으므로 표시품질이 상당히 낮아진다.
또한 CRT 주변화로 (특히 DY)에서 나오는 상당한 양의 노이즈로 인하여 수신기 등 노이즈에 민감한 기기를 측정할 수 없다는 단점이 있다.
그러나 다양한 정보를 표시할 수 있고 낮은 제조 원가로 인하여 많은 제조회사들이 채택하고 있다.
-정전 편향방식
아날로그 오실로스코프와 동일한 CRT로서 전압에 의하여 표시위치를 제어하므로 CRT의 구조적인 분해능은 제한이 없으므로 상당한 분해능까지표시가 가능하다. 따라서 10,000포인트 정도로 표시를 하게되면 아날로그 오실로스코프와 같은 정도로 표시가 가능하여 날카로운 Peak파형이나 잔잔한 노이즈 등을 정확히 분석을 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 파형을 재생하기 위해서는 D/A Converter를 채용하여야 하므로 제조원가가 높아지고 신호의 칼라처리가 불가능하다는 단점이 있다.
5. 표시 방법
측정된 신호를 표시하는 방법은 Dot표시, 직전보간, 사인 보간 등 세가지로 나뉘어질 수가 있다.
-Dot 표시
측정된 신호를 측정점 위치에 점으로 표시를 한다. 점으로 표시되는 관계로 한눈에 알아보기 힘이 들고 측정점이 일정 갯수 이하로 떨어지면 파형을 알아 볼 수가 없게 된다. 그러므로 측정 분해능을 알아볼 수가 없게 된다. 그러므로 측정 분해능을 알아볼 경우가 아니면 사용을 하지 않는다. 즉, 이기능을 이용하여 DSO의 분해능을 알아볼 수가 있다. 높은 주파수의 파형을 측정할 때 Dpt 표시 상태로 두고 급격하게 변하는 부분을 관찰하면 Dot가 보인다. 이때 Dot가 보이는 양이 많으면 분해능이 높은 것이고 적으면 분해능이 낮은 것이다. 실제로 분해능이 낮은 DSO는 Dot표시와 Line표시가 많은 차이를 나타내나 분해능이 높은 DSO는 별로 차이를 느끼지 못한다.
- Line 표시
측정점과 측정점 사이를 직선으로 연결을 한다. 따라서 한 주기당 10개 이상의 측정점이 있어야 파형의 형태를 인식할 수 있다. 이 방법은 단발 현상이나 불연속 파형을 측정할 때 주로 사용한다.
- 사인 표시
측정점과 측정점 사이를 사인공식에 의한 곡선으로 연결을 한다. 따라서 측정점이 불충분할 경우라도 어느 정도까지는 재새잉 가능하다. 그러나 사인 파형을 측정할 경우에만 제대로 표시가 되고 단발 파형이나 불연속 파형에 적용하면 왜곡된 파형으로 표시될 수도 있다.
6. 표시 모드
- Normal 모드
한 화면의 측정이 끝나면 화면에 표시를 하여준다. 이 때 화면에 표시되는 주기는 메모리, 제어부에 따라서 큰 차이를 보인다. 일반적인 DSO는 아날로그 오실로스코프에 비하여 현저한 속도차이를 보이나 최근 들어서 여러가지 기술의 발전에 의해 일반적인 DSO가 50 ~100mS나 15mS까지의 제품도 개발이 되어서 초당 62화면을 표시할 수가 있다.
-Peak 모드
디지탈로 변환을 하는 관계로 측정점과 측정점 사이에 큰 신호가 있을 경우 측정이 불가능해지는 것을 막기 위하여 한번 측정을 한후 다음 측정점 이전에 큰 신호가 있을 경우 이 신호를 다음 측정점까지 유지(Peak Detecter에 의하여)를 하고 있다가 다음 측정점에서 이 신호를 측정을 한다.
일반적으로 Peak 측정의 최대값과 최소값이 동시에 측정된다.
-Roll 모드
낮은 주기로 측정을 하느 경우 한 화면이 측정이 된 후 표시가 되면 상당한 시간이 지나야 하므로 측정되는 순간순간을 볼 수 있도록 하는 모드이다.
또한 Peak Detect 모드를 병용하면 느린 측정에도 높은 주파수 성분도 측정이 가능하다. 실제 화면 표시는 Chart Recorder와 같이 동작을 하므로 느린 주기로 느리게 변하는 신호를 분석하기에는 최적인 모드이다. DSO만이 가질 수 있는 독특한 모드이다.
- 기 타
그 이외에 Average, X-Y, 가감산, 미적분, TV의 4~8 Field의 선택표시, DC Offset 기능, Dual Window 등의 다양한 기능들이 선보이고 있다.
[출처] 디지털 오실로스코프의 구조 및 원리|작성자 제니
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