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12비트 오실로스코프를 사용하는 방법

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글/Art Pini, Digi-Key 북미 편집자 제공

많은 응용 분야에서 설계자와 테스트 및 측정 엔지니어는 큰 신호 진폭이 있는 곳에서 매우 작은 신호를 찾기 위해 넓은 작동 범위를 측정해야 한다. 이러한 응용 분야로는 전력 무결성 보증, 에코 위치 및 거리 측정 시스템(예: 레이더 및 수중 음파 탐지기), 의료용 이미징 시스템(예: 핵자기 공명(NMR) 및 자기 공명 이미징(MRI)), 초음파 사용 비파괴 검사 등이 있다.
오실로스코프는 시스템 개발 및 시제품 제작 단계에서 이러한 측정에 사용되는 주력 도구이지만, 주로 오실로스코프 프런트 엔드의 수직 분해능에 의해 제한된다. 예를 들어 8비트 오실로스코프의 작동 범위가 256:1일 경우 1V 범위에서 최소 신호는 이론적으로 3.9mV이다. 3.3V에서 밀리볼트 레벨 리플 신호를 표시하려면 더 높은 감도 및 오프셋 범위가 필요하다. 또한 회로 부하를 방지하기 위해 높은 감쇠 프로브를 사용할 경우 오실로스코프 입력에서 신호 레벨이 감쇠하므로 고분해능 계기가 아닐 경우 측정하는 데 어려움이 있다.
신호 또는 오프셋이 크고 감도가 높을수록 분해능이 더 큰 오실로스코프가 필요하다. 이는 특히, 잡음 입력이 낮은 고품질의 오실로스코프가 비용이 높다는 문제점이 있다. 잡음 플로어가 낮지 않을 경우 분해능이 높아도 소용이 없다.
설계자와 개발자는 프런트 엔드 잡음 플로어가 낮은 적정 가격의 12비트 오실로스코프가 필요하다. 이러한 프런트 엔드 잡음이 낮고 경제적인 고분해능 요구 사항을 충족하는 솔루션에는 Teledyne LeCroy의 WaveSurfer 4000HD 계열 고화질 오실로스코프가 있다. 이 기사에서는 높은 작동 범위 측정의 어려움, 고화질 오실로스코프의 역할, 높은 작동 범위 측정에서 고화질 오실로스코프를 효과적으로 사용할 수 있는 방법을 설명한다.

오실로스코프 수직 분해능

오실로스코프 수직 분해능은 오실로스코프에서 처리할 수 있는 최고 입력 신호와 감지할 수 있는 최소 신호 진폭의 비율을 말한다. 분해능은 일반적으로 아날로그 디지털 컨버터(ADC)의 비트 수로 평가된다. 분해능은 2를 비트 수로 거듭 제곱한 값과 같다. 따라서 8비트 컨버터의 분해능은 28 또는 256:1이다. 12비트 컨버터의 분해능은 4096:1이며, 8비트 컨버터보다 16배 더 크다.
오랫동안 디지털 오실로스코프는 고대역 오실로스코프에서 8비트 분해능을 제공했다. 이는 ADC의 엔지니어링 트레이드 오프로 인해 비트 수로 측정되는 분해능이 ADC의 최대 샘플링 속도에 반비례하기 때문이다. 약 8년 전에 Teledyne LeCroy는 고화질 또는 ‘HD’ 오실로스코프라는 12비트 오실로스코프를 출시했으며, 최근에 WaveSurfer 4000HD 계열을 HD 제품 라인에 추가했다. 이 계열에는 대역폭이 200MHz, 350MHz, 500MHz, 1000MHz인 네 가지 오실로스코프가 포함되어 있다. 모든 오실로스코프는 5GS/s의 속도로 샘플링하며 이는 12비트 오실로스코프에서 매우 뛰어난 수치이다. 내부 혼합 신호 디지털 입력, DVM, 함수 생성기 및 주파수 카운터를 사용하여 이 다중 계측 오퍼링을 보완할 수 있다. 이 제품군은 이러한 모든 기능과 12비트 분해능을 적정한 가격으로 제공한다.
물론, 오실로스코프의 분해능을 높이려면 ADC를 변경하는 이상의 조치가 필요하다. 또한 민감한 ADC가 잡음으로 채워지지 않도록 오실로스코프 프런트 엔드의 신호 대 잡음비(SNR)를 개선해야 한다. 8비트 프런트 엔드를 탑재한 12비트 오실로스코프는 8비트 오실로스코프로 분류된다. 하지만 WaveSurfer 4000HD 오실로스코프 제품군에서는 HD 개념을 성공적으로 구현했다. 12비트 수직 분해능은 저잡음 프런트 엔드와 결합하여 실제로 주어진 진폭 범위에서 8비트 오실로스코프보다 16배 더 민감한 12비트 성능을 제공한다.

12비트 측정 vs 8비트 측정

HD 오실로스코프는 파형의 작동 범위가 높은 측정 응용 분야를 위한 것이다. 이러한 측정에서는 높은 진폭 신호 부품과 낮은 신호 레벨을 동시에 포괄한다. 초음파 범위 파인더와 같은 응용 분야를 고려해 보자. 여기서는 높은 진폭 펄스를 전송한 다음 대상에서 보내는 낮은 진폭 에코를 대기한다. 높은 진폭 신호에 따라 필요한 오실로스코프 수직 증폭기의 전압 범위가 결정된다. 분해능과 시스템 잡음에 따라 측정 가능한 최소 에코 신호가 결정된다(그림 1).

[그림 1] 12비트 수직 분해능과 8비트 수직 분해능으로 렌더링되는 동일한 초음파 신호 상단 트레이스는 서로 겹치는 두 버전의 전체 신호로 구성된다. 하단 트레이스에는 파형의 확대/축소된 부분이 표시된다. 높은 진폭 신호 부품에서 약간의 차이가 있지만 낮은 레벨 신호는 12비트 렌더링에서 분명한 이점이 있다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

상단 그리드에는 취득된 신호 중 12비트 분해능과 8비트 분해능에서 겹치는 신호가 표시된다. 겹치는 파형 간에는 거의 눈에 띄지 않는 차이점이 있다. 중앙 그리드에는 가로와 세로로 모두 확장된 12비트 파형이 표시된다. 하단 그리드에는 8비트 파형과 동일한 부분이 표시된다. 8비트 버전의 하위 레벨 신호에서 상세한 손실이 두드러진다. 또한 12비트 렌더링의 신호 피크에서는 8비트 버전에서의 손실과 분명한 차이를 보인다.

높은 작동 범위 측정 응용 분야

높은 작동 범위 측정에는 레이더, 수중 음파 탐지기, LiDAR 등과 같은 모든 에코 위치 및 거리 측정 응용 분야가 포함된다. NMR, MRI와 같은 대부분의 의료 이미징 기술은 비슷한 기술을 기반으로 한다. 즉, 상위 레벨 송신 펄스를 신체에 반사시켜 송신된 신호로 인한 에코 또는 유도 방출을 취득한 후 분석한다. 마찬가지로 비파괴 검사(NDT)와 같은 초음파 기반 기술에서는 반사된 펄스를 사용하여 고체 소재의 균열 및 결함을 발견한다.
1V~48V 사이 또는 그 이상의 버스 전압에서 밀리볼트 단위의 작은 신호(예: 잡음, 리플)를 측정하는 전력 무결성 측정에서도 높은 작동 범위 오실로스코프가 필요하다.
간단한 초음파 범위 파인더 또는 전기 테이프 측정에서의 신호 측정을 고려해 보자(그림 2). 초음파 범위 파인더는 측정별로 5개 펄스를 약 16.8ms 간격으로 방출한다. 펄스 사이의 부동 시간을 캡처하는 대신 Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD 12비트 오실로스코프에서는 오실로스코프의 메모리를 사용자가 선택한 세그먼트 개수(이 예제의 경우 5개)로 분할하는 시퀀스 모드 취득을 사용한다.

[그림 2] 40kHz 초음파 범위 파인더 신호에 사용되는 Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD 오실로스코프. 상단에는 측정별로 5개의 펄스가 약 16.8ms 간격으로 표시된다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

세그먼트마다 송신된 펄스를 하나씩 취득하고 트리거 지점에 시간 스탬프를 찍다. 상단 트레이스에는 취득된 파형과 각 세그먼트가 표시된다. 확대/축소 트레이스(하단 그리드)에는 선택된 세그먼트(이 경우 첫 번째 세그먼트)가 표시된다. 화면 하단의 표에는 각 트리거 시간, 세그먼트 1 이후 시간 및 세그먼트 사이의 시간을 보여주는 시간 스탬프가 표시된다. 송신된 펄스의 피크 간 진폭은 362mV이지만, 반사된 에코의 피크 간 진폭은 21.8mV에 불과하다. 이 진폭 차이를 활용하여 높은 작동 범위 측정값을 도출한다. 그림 1에 표시된 대로 이 그림에서는 화면에 표시될 수 있는 에코 진폭을 사용하지만, 12비트 분해능에서는 오실로스코프의 픽셀 렌더링보다 더 낮은 진폭에서 이 신호를 캡처한다.
또한 전력 무결성 측정에서는 작동 범위가 높은 오실로스코프가 필요하다. 리플 전압 측정에서는 전력 버스에 탄 밀리볼트 신호를 측정할 수 있어야 한다. 그림 3 예제의 상단 트레이스에서는 5V 버스에서 리플을 측정한다. 리플 전압은 4.98V의 버스 전압에 탄 45mVp-p(피크 간)이며, 각각 WaveSurfer 4104HD의 측정 파라미터 P2 및 P1을 사용하여 직접 판독했다. 하단 트레이스는 982Hz 기본 부품의 고조파 리치 세그먼트를 보여주는 리플 전압의 고속 프리에 변환(FFT)이다.

[그림 3] 도터 카드의 5V 버스에 대한 전력 무결성 측정에서는 리플 전압과 리플의 FFT를 표시한다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

높은 분해능 이외에 이 응용 분야에서는 오프셋 범위가 우수한 오실로스코프가 필요하다. 이 예제에 나오는 오실로스코프의 오프셋 범위는 10mV 범위에서 ±8V이다. 오프셋 범위는 오실로스코프의 수직 범위에 따라 조정된다. 더 큰 오프셋 범위가 필요한 경우 Teledyne LeCroy는 오프셋 범위가 30V인 RP4030 레일 프로브를 제공한다. 레일 프로브는 낮은 임피던스 전력 레일 프로빙을 위해 특별히 고안되었으며, 큰 내장 오프셋, 높은 입력 임피던스, 낮은 감쇠와 잡음이 특징이다. 이 프로브의 대역폭은 4GHz, 감쇠는 1.2, 입력 임피던스는 50kΩ이다.
또한 HD 오실로스코프는 스위치 모드 전력 컨버터(SMPC)에서 발견되는 것보다 더 높은 전압 측정을 처리할 수 있다. SMPC에는 전원 공급 장치, 인버터 및 산업용 컨트롤러가 포함되어 있다. SMPC에서는 스위치 파형의 듀티 사이클 또는 주파수를 조정하여 전력을 제어한다. 기본 측정에는 전력 스위칭 장치(일반적으로 전계 효과 트랜지스터(FET))를 통과하는 전압 및 전류가 포함된다. 개발자의 SMPC 측정을 돕기 위해 Teledyne LeCroy에서는 응용 분야별 소프트웨어와 전압 및 전류 프로브를 제공한다. 일반 측정은 그림 4에서 확인하실 수 있다.

[그림 4] SMPC의 손실 특성화를 위해 전원 스위치 장치의 전압과 전류를 측정한 다음 전력 스위칭 사이클의 각 위상에서 전력 손실을 계산한다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

전류, 즉 분홍색 트레이스는 Teledyne LeCroy 모델 CP030A 전류 프로브를 사용하여 측정한다. 이 클램프 장착 프로브의 최대 전류 입력은 30A이고 대역폭은 50MHz이다. 베이지 트레이스로 표시되는 전압 파형은 Teledyne LeCroy HVP1306 고전압 차동 프로브를 사용하여 측정한다. 이 프로브의 최대 CATIII 정격 전압은 120MHz 대역폭에서 1000V이다. 두 프로브는 모두 WaveSurfer 오실로스코프에서 인식되며, 프로브의 이득과 측정 단위를 고려하여 특정된 파형을 자동으로 조정한다.
전력 측정 소프트웨어에서는 가장 일반적인 SMPC 측정을 자동화한다. 그림 4에서는 장치 내전력 계산을 노란색 트레이스로 표시한다. 이 계산은 전체 스위칭 사이클 동안 전류 및 전압 파형에서 수행된다. 측정 파라미터는 취득된 파형에 따라 켜기, 전도, 끄기 및 오프스테이트 손실을 분리하여 표시하고, 각 영역을 색이 지정된 오버레이로 명시적으로 구분한다. 또한 모든 영역의 총 손실과 스위칭 주파수를 표시한다. 그림에 표시된 장치 측정 이외에 다른 사용 가능한 측정을 통해 제어 루프 역학, 회선 전력 및 성능 특성(예: 효율성)을 특성화할 수 있다.
12비트 분해능은 전력 FET의 드레인 소스 저항(Rd)을 계산하는 전력 측정에서도 유용하다. 이렇게 하려면 피크 간 스윙이 약 400V인 파형에서 1V 또는 2V 정도의 전압을 측정해야 한다. WaveSurfer 4000HD 계열은 오실로스코프의 대역폭 범위와 호환되는 모든 Teledyne LeCroy 프로브와 호환된다(그림 5).

[그림 5] Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD 오실로스코프는 여기에 표시된 전력 측정 관련 프로브를 포함하여 Teledyne LeCroy의 포괄적인 프로브 라인과 호환된다. (이미지 출처: Teledyne LeCroy)

광범위한 응용 분야에서 ‘workhorse’ 오실로스코프에 대한 높은 표준 설정

WaveSurfer 4000HD 계열은 높은 작동 범위 응용 분야에만 국한되지 않다. 이 계열은 그 자체로 우수한 오실로스코프이며 ‘workhorse’ 오실로스코프에 대한 높은 표준을 설정할 수 있다. 또한 직렬 버스(예: SPI, I2C, UART 기반 링크)와 자동차 버스(예: LIN, CAN, FLEXRAY)를 지원하는 분석 패키지 및 프로브를 제공하여 저속 직렬 데이터 문제를 해결하는 데 적합하다.
직렬 버스 분석에서는 버스 프로토콜을 취득하여 디코딩하고 데이터 콘텐츠를 읽을 수 있어야 한다(그림 6). 색이 지정된 오버레이는 각 패킷을 표시한다. 빨간색 오버레이는 주소 데이터를 나타내고 파란색 오버레이는 데이터 패킷을 나타낸다. 주소 및 데이터 콘텐츠가 오버레이 내에 나타난다. 디코드 정보는 2진, 16진수 또는 ASCII 형식으로 제공된다. 디스플레이 하단의 표에는 트리거 지점, 주소 길이, 주소, 방향(읽기 또는 쓰기), 패킷 수 및 데이터 콘텐츠에 따른 시간을 보여주는 취득된 트랜잭션이 요약되어 있다. 활동, 주소, 데이터 콘텐츠 또는 주소 및 데이터 조합을 기준으로 트리거할 수 있다.

[그림 6] I2C 버스의 저속 직렬 트리거 및 디코드에는 버스의 데이터 콘텐츠를 읽는 기능이 포함되어 있다. 읽기 작업과 쓰기 작업 모두에 대한 I2C 버스 신호의 취득과 디코딩이 표시된다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

Teledyne LeCroy ZD200 활성 차동 프로브는 직렬 데이터를 측정하는 데 적합하다. 이 10:1 프로브는 입력 임피던스가 1MΩ이고, 대역폭이 200MHz이며, 최대 20V의 차동 전압과 최대 50V의 공통 모드 전압을 처리할 수 있다. 특히, CAN과 같은 차동 버스에 적합하다.

결론

8비트 오실로스코프는 항상 존재하고 많은 응용 분야에서 실제 12비트 오실로스코프의 HD 및 폭넓은 작동 범위를 사용할 수 있지만 상대적으로 높은 비용으로 인해 많은 설계자 및 테스트 엔지니어의 선택을 받지 못하고 있다. Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD 계열 오실로스코프는 훨씬 낮은 진입 가격으로 이러한 문제를 해결하는 데 큰 도움이 된다.
이 오실로스코프는 12비트 수직 분해능, 5GS/s 최대 샘플링 속도 및 낮은 잡음 플로어를 기반으로 HD 측정을 제공한다. 또한 Teledyne LeCroy 프로브 및 분석 소프트웨어 패키지와 호환된다. 따라서 오실로스코프를 비용 효율적인 높은 작동 범위 측정에서도 사용 가능하며 연구실에서 엔지니어의 작업대 또는 작업 현장으로 가용성이 확장된다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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