오실로스코프는 전자 장비를 설계, 제조 또는 수리하는 모든 이에게 필수적인 툴이다. 오늘날 급변하는 세계에서 엔지니어들은 측정 문제를 빠르고 정확하게 해결할 수 있는 최고의 툴이 필요하다.

엔지니어의 관점에서 볼 때 오실로스코프는 오늘날의 까다로운 측정 문제를 해결하는 열쇠다. 그렇다면 오실로스코프는 어떤 종류가 있으며, 각각 어떤 특징을 갖고 있는지 살펴본다.

오실로스코프는 기본적으로 그래프 디스플레이 장치로 전기 신호의 그래프를 그리는 장치다. 대부분의 경우 그래프는 신호가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 표시하며, 세로(Y) 축은 전압을, 가로(X) 축은 시간을 나타낸다.

디스플레이의 명암 또는 밝기는 Z축이라고도 불린다(그림 1 참조). DPO 오실로스코프의 경우 디스플레이의 컬러 그레이딩으로 Z축을 나타낼 수 있다(그림 2 참조).

▲ 그림 1. 표시된 파형의 X, Y, Z축 컴포넌트

▲ 그림 2. Z축 명암 그레이딩이 적용된 2개의 오프셋 클럭 패턴

전자 장비는 아날로그와 디지털의 두 가지 범주로 분류할 수 있다. 아날로그 장비는 지속적으로 변하는 전압으로 작동하지만, 디지털 장비는 전압 샘플을 나타내는 개별 2진수로 작동한다. 재래식 축음기는 아날로그 장치이며, CD 플레이어는 디지털 장치다.

오실로스코프도 이와 유사하게 아날로그와 디지털 방식으로 분류할 수 있다. 아날로그 오실로스코프와 달리 디지털 오실로스코프는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 사용해 측정된 전압을 디지털 정보로 변환한다. 디지털 오실로스코프는 파형을 일련의 샘플로 획득하며, 파형을 만들기에 충분한 샘플이 누적될 때까지 샘플을 저장한다. 그 다음 파형을 재조합해 화면에 표시한다(그림 3 참조).

▲ 그림 3. 아날로그 오실로스코프는 신호를 추적하는 반면, 디지털

오실로스코프는 신호를 샘플링하여 디스플레이를 구성

디지털 오실로스코프는 디지털 스토리지 오실로스코프(DSOs), 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPOs), 혼합 신호 오실로스코프(MSOs)와 디지털 샘플링 오실로스코프로 분류할 수 있다.

디지털 방식이란 오실로스코프에서 작동 범위 내의 어떤 주파수라도 안정적이며 밝고 선명하게 표시할 수 있음을 의미한다.

반복되는 신호의 경우 디지털 오실로스코프의 대역폭은 오실로스코프 프런트엔드 컴포넌트의 아날로그 대역폭 함수이며, 일반적으로 –3dB 포인트라고 부릅다. 펄스와 스텝과 같은 1회성 및 이상신호 이벤트의 경우 대역폭을 오실로스코프의 샘플링 속도로 제한할 수 있다.

디지털 스토리지 오실로스코프

기존 디지털 오실로스코프는 대개 디지털 스토리지 오실로스코프(DSO)에 속한다. 또한 일반적으로 디스플레이로 형광체 광원 대신 래스터 방식의 스크린을 사용한다.

디지털 스토리지 오실로스코프(DSO)를 사용하면 이상신호로 알려진 한 번만 발생하는 이벤트를 캡처 및 확인할 수 있다. 파형 정보가 일련의 저장된 2진수 값의 디지털 형식으로 존재하므로 오실로스코프 자체 내에서 또는 외부 컴퓨터를 사용해 파형 정보를 분석, 저장, 인쇄 또는 다른 방법으로 처리할 수 있다. 파형이 연속적일 필요도 없으며, 신호가 사라진 후에도 표시할 수 있습다. 디지털 스토리지 오실로스코프는 아날로그 오실로스코프와 달리 영구적인 신호 저장과 광범위한 파형 처리 기능을 제공한다.

하지만 DSO는 일반적으로 실시간 명암 그레이딩 기능이 없으므로 실시간 신호의 명암을 다양한 레벨로 표현할 수 없다. DSO를 구성하는 서브시스템 중 일부는 아날로그 오실로스코프에 사용되는 것과 유사하다. 하지만 DSO에는 전체 파형에 해당하는 데이터를 수집 및 표시하는데 사용되는 추가적인 데이터 처리 서브시스템이 포함돼 있다. DSO는 그림 4와 같이 시리얼 프로세싱 아키텍처를 사용해 신호를 캡처하고 화면에 표시한다.

▲ 그림 4. 디지털 스토리지 오실로스코프(DSO)의 시리얼 프로세싱 아키텍처

아날로그 오실로스코프와 마찬가지로 DSO의 첫 번째(입력) 단계는 수직 증폭기다. 이 단계에서 수직 컨트롤을 사용해 진폭과 위치 범위를 조정할 수 있다. 다음으로 수평 시스템 내의 ADC(아날로그-디지털 컨버터)가 개별 시간 포인트에서 신호를 샘플링하고, 해당 포인트에서 신호 전압을 샘플 포인트라고 하는 디지털 값으로 변환한다. 이 프로세스를 신호의 디지털화라고 부른다.

수평 시스템의 샘플 클럭에 따라 ADC에서 샘플을 취하는 빈도가 결정된다. 이 속도를 샘플링 속도라고 하며 초당 샘플 수(S/s)로 나타낸다. ADC의 샘플 포인트는 획득 메모리에 파형 포인트로 저장된다. 여러 샘플 포인트가 하나의 파형 포인트를 구성할 수도 있다. 동시에 파형 포인트는 하나의 파형 레코드를 구성한다. 파형 레코드를 만드는 데 사용된 파형 포인트의 수를 레코드 길이라고 부른다. 트리거 시스템에서 레코드의 시작 지점과 정지 지점을 결정한다.

DSO의 신호 경로에는 측정된 신호가 디스플레이로 전달되는 과정에서 통과하는 마이크로프로세서가 포함돼 있다. 이 마이크로프로세서는 신호를 처리하고, 디스플레이 작업을 조율하며, 전면부 컨트롤을 관리하는 역할 등을 담당한다. 그런 다음 신호는 디스플레이 메모리를 통과해 오실로스코프 화면에 표시된다.

오실로스코프의 기능에 따라 디스플레이를 보강하는 조치로 추가적인 샘플 포인트 처리가 실행될 수 있다. 또한 프리 트리거 기능으로 트리거 포인트 전의 이벤트를 확인할 수 있다. 대부분의 최신 디지털 오실로스코프는 측정 과정을 간소화할 수 있도록 선별적인 자동 파라미터

측정 기능을 제공한다. DSO는 1회성의 멀티 채널 장비에서 높은 성능을 제공한다(그림 5 참조). DSO는 반복 속도가 낮거나 1회성의 고속 멀티 채널 설계 분야에 최적이다. 실제 디지털 설계 분야에서는 일반적으로 엔지니어가 4개 이상의 신호를 동시에 검토하므로 DSO가 필수적인 장비로 손꼽히고 있다.

▲ 그림 5. 디지털 스토리지 오실로스코프는 다중 채널에 걸친 고속 1회성

획득 기능을제공하므로 놓치기 쉬운 글리치와 이상신호 이벤트를 캡처할

가능성이 높다.

디지털 포스퍼 오실로스코프

디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)는 오실로스코프 아키텍처에 새로운 접근법을 제시한다. DPO는 이 아키텍처를 통해 신호를 정밀하게 재구성할 수 있는 고유한 획득 및 디스플레이 기능을 제공한다. DSO는 시리얼 프로세싱 아키텍처를 사용해 신호를 캡처, 디스플레이 및 분석하는 반면에, DPO는 그림 6에 나온 것처럼 페럴렐 프로세싱 아키텍처를 사용하여 같은 기능을 처리한다. DPO 아키텍처는 파형 이미지 획득에 고유한 ASIC 하드웨어를 사용하므로 빠른 파형 캡처 속도를 제공하며, 이는 더 높은 레벨의 신호 시각화로 이어진다.

▲ 그림 6. 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)의 패럴렐 프로세싱 아키텍처

이러한 성능은 또한 런트 펄스, 글리치, 트랜지션 오류와 같은 디지털 시스템에서 발생하는 이상신호 이벤트를 관찰할 수 있는 가능성을 높여준다. DPO의 첫 번째(입력) 단계는 아날로그 오실로스코프와 유사하게 수직 증폭기이며, 두 번째 단계는 DSO와 비슷하게 ADC다. 하지만 아날로그-디지털 변환 이후에는 DPO와 다른 기존 제품의 차이가 크게 벌어진다.

아날로그, DSO 또는 DPO를 막론하고 어떤 오실로스코프든 계측기가 가장 최근에 획득한 데이터를 처리하고, 시스템을 다시 설정하며, 다음 트리거 이벤트를 기다리는 동안 항상 홀드 오프 시간이 있다. 이 시간 동안 오실로스코프는 모든 신호 활동을 인지하지 못한다. 홀드 오프 시간이 늘어날수록 간헐적이거나 반복 횟수가 적은 이벤트를 파악할 가능성이 낮아진다.

캡처 가능성을 단순히 디스플레이 업데이트 속도만으로 판단할 수 없다는 점도 명심해야 한다. 단지 업데이트 속도만 중시한다면 오실로스코프가 파형에 대한 적절한 정보를 모두 캡처하고 있다고 생각하기 쉽지만 사실 그렇지 않다.

디지털 스토리지 오실로스코프는 캡처한 파형을 순차적으로 처리한다. 마이크로프로세서의 속도가 파형 캡처 속도를 제한하므로 이 과정에서 병목된다. DPO는 디지털화된 파형 데이터를 디지털 포스퍼 데이터베이스로 래스터라이즈한다. 인간의 눈이 인지할 수 있는 최대 속도인 초당 1/30회마다 데이터베이스에 저장된 신호 이미지의 스냅샷이 직접 디스플레이 시스템으로 전달된다. 

이러한 파형 데이터의 직접 래스터화와 더불어 데이터베이스에서 메모리를 직접 복사하여 표시하는 기능은 다른 아키텍처에서 피할 수 없는 데이터 처리 병목 현상을 없애준다. 그 결과는 강화된 실시간 성능과 생생한 디스플레이 업데이트다. 신호 세부 정보, 간헐적인 이벤트, 신호의 동적 특성이 실시간으로 캡처된다. DPO의 마이크로프로세서는 이러한 통합형 획득 시스템과 동시에 디스플레이 관리, 측정 자동화, 계측 장비 제어를 수행하므로 오실로스코프의 획득 속도에 영향을 주지 않는다.

DPO는 아날로그 오실로스코프 최상의 디스플레이 특성을 충실하게 에뮬레이션해 신호를 3차원(시간, 진폭 및 시간 경과에 따른 진폭 분산)으로 실시간 표시한다.

아날로그 오실로스코프가 화학 형광체에 의존하는 것과 달리, DPO는 순수한 전자식 디지털 형광체를 사용하며, 이는 실제로 연속적으로 업데이트되는 데이터베이스다. 이 데이터베이스에는 오실로스코프의 디스플레이에 포함된 모든 개별 픽셀에 대해 별도의 셀 정보가 있다. 파형이 캡처될 때마다 즉, 오실로스코프가 트리거할 때마다 해당 정보가 디지털 포스퍼 데이터베이스의 셀에 매핑된다. 화면 위치를 나타내며 파형에 의해 작용하는 각 셀은 명암 정보로 보강되지만 다른 셀은 그렇지 못하다. 따라서 파형이 자주 통과하는 셀에는 명암 정보가 누적된다. 

디지털 포스퍼 데이터베이스가 오실로스코프의 디스플레이에 공급되면, 아날로그 오실로스코프의 명암 그레이딩 특성과 거의 유사하게 각 지점에서 신호의 발생 주파수에 비례해 디스플레이에 강조되는 파형 영역이 나타난다. DPO는 아날로그 오실로스코프와 달리 다양한 발생 주파수 정보를 디스플레이에 대조적인 색상으로 표시하는 기능을 지원한다. DPO를 사용하면 거의 모든 트리거에서 발생하는 파형과 예를 들어 100번째 트리거에서 발생하는 파형을 손쉽게 구분할 수 있다.

디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)는 아날로그와 디지털 오실로스코프 기술의 장벽을 허물었다. DPO는 높거나 낮은 주파수, 반복적인 파형, 이상신호 및 신호 변동 등을 모두 실시간으로 확인할 수 있다. 또한 DPO는 기존 DSO에서는 찾아볼 수 없는 Z축(명암)을 실시간으로 제공하는 기능을 유일하게 제공한다. DPO는 광범위한 분야에 적용하기 위해 최고의 범용 설계및 문제 해결 툴이 필요한 사용자에게 최적이다(그림 7 참조). DPO는 통신 마스크 테스트, 간헐적인 신호의 디지털 디버그, 반복적인 디지털 설계 및 타이밍 애플리케이션에서 두각을 나타낸다.

▲ 그림 7. 일부 DPO는 단 몇 초 안에 수백만 개의 파형을 획득할 수 있어

간헐적이며 놓치기 쉬운 이벤트를 캡처하고 동적인 신호 동작을 발견할 수

있는 가능성이 높다.

혼합 도메인 오실로스코프

MDO(혼합 도메인 오실로스코프)는 RF 스펙트럼 분석기와 MSO 또는 DPO를 결합해 디지털, 아날로그 신호의 RF 도메인에 대한 시간 상관 시각화를 지원하는 툴이다. 예를 들어, MDO를 사용하면 임베디드 설계에 포함된 프로토콜, 스테이트 로직, 아날로그, RF 신호의 시간 상관관계를 볼 수 있다. 이를 통해 통찰력 확보에 필요한 시간과 서로 다른 도메인 간의 이벤트 측정 불확실성을 현저히 줄일 수 있다. 

마이크로 프로세서 명령과 임베디드 RF 설계에 포함된 RF 이벤트 사이의 시간 지연을 파악하면 테스트 설정을 간소화하고 현장에서 복잡한 측정을 수행할 수 있다. 그림 8에 나온 Zigbee 설계와 같은 임베디드 무선 솔루션의 경우, RF 이벤트의 가동에 대해 트리거하고 마이크로 프로세서 컨트롤러에서 디코딩되는 SPI 제어 라인의 명령줄 대기 시간, 가동 시의 드레인 전류 및 전압, 기타 발생되는 스펙트럼 이벤트를 확인할 수 있다. 이제 하나의 화면에서 프로토콜(디지털), 아날로그, RF 등 모든 무선 도메인의 시간 상관 관계를 볼 수 있다.

▲ 그림 8. 무선 IC에 대한 드레인 전류 및 전압과 가동되는 동안의 스펙트럼

측정을포함한 Zigbee 무선 MOSI(마이크로 프로세서 SPI) 및 (MISO) 제어

라인의 시간 상관 화면

혼합 신호 오실로스코프

MSO(혼합 신호 오실로스코프)는 DPO의 성능에 패럴렐/시리얼 버스 프로토콜 디코딩 및 트리거링을 포함한 16채널 로직 애널라이저의 기능이 결합된 툴이다. MSO의 디지털 채널은 디지털 회로에서 신호를 보는 것과 동일하게 디지털 신호를 로직 하이 또는 로직 로우 중 하나로 인식한다.

이는 링잉, 오버슈트, 접지 바운스가 로직 트랜지션의 원인이 아니라면, 이러한 아날로그 특성이 MSO에 아무런 영향을 주지 않음을 의미한다. MSO는 로직 애널라이저와 마찬가지로 임계 전압을 사용해 신호가 로직 하이인지 또는 로직 로우인지 결정한다.

MSO는 강력한 디지털 트리거링, 고분해능 획득 기능, 분석 기능을 사용해 디지털 회로를 신속하게 디버깅하는 데 최고의 툴이다. 그림 9에 나온 것처럼 신호의 아날로그 표현과 디지털 표현을 모두 분석하면 많은 디지털 문제의 근본 원인을 더 신속하게 찾아낼 수 있으므로, MSO는 디지털 회로 검증 및 디버깅에 이상적인 툴이다.

▲ 그림 9. MSO는 16개의 통합 디지털 채널을 제공하므로 시간 상관

관계인 아날로그 및 디지털 신호를 관찰하고 분석할 수 있다.

디지털 샘플링 오실로스코프

디지털 스토리지 및 디지털 포스퍼 오실로스코프 아키텍처와 달리, 디지털 샘플링 오실로스코프의 아키텍처는 그림 10에 나온 것처럼 어테뉴에이터/증폭기의 위치와 샘플링 브리지의 위치가 반대다. 입력 신호는 감쇠 또는 증폭이 일어나기 전에 샘플링된다. 신호가 샘플링 게이트에 의해 이미 더 낮은 주파수로 변환되었으므로 샘플링 브리지 다음에 저대역폭 증폭기를 사용할 수 있으며 이는 훨씬 높은 대역폭 계측기로 이어진다.

▲ 그림 10. 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)의 패럴렐 프로세싱 아키텍쳐

하지만 이러한 높은 대역폭의 반대급부는 샘플링 오실로스코프의 다이나믹 레인지가 제한된다는 점이다. 샘플링 게이트 앞에 어테뉴에이터/증폭기가 없으므로 입력을 조정할 수 없다. 따라서 샘플링 브리지가 항상 입력의 전체 다이나믹 레인지를 처리할 수 있어야 한다.

결과적으로 대다수 샘플링 오실로스코프의 다이나믹 레인지는 약 1Vp-p로 제한된다. 반면, 디지털 스토리지 및 디지털 포스퍼 오실로스코프는 50 ~ 100V를 처리할 수 있다.

또한 대역폭이 제한되므로 샘플링 브리지 앞에 보호 다이오드를 배치할 수도 없다. 이로 인해 안전 입력 전압이 500V에 달하는 다른 오실로스코프와 달리 샘플링 오실로스코프는 약 3V로 낮춰야 한다.

고주파 신호를 측정할 때는 DSO 또는 DPO의 단일 스위프로는 충분한 샘플을 수집하지 못할 수 있다. 디지털 샘플링 오실로스코프는 주파수 컴포넌트가 오실로스코프의 샘플링 속도보다 훨씬 빠른 신호를 정확하게 캡처하는 데 최적이다(그림 11 참조).

▲ 그림 11. 디지털 샘플링 오실로스코프의 TDR(T ime Domain Reflectomerty)

디스플레이

이 오실로스코프는 다른 어떤 오실로스코프보다 훨씬 빠르게 신호를 측정할 수 있다. 또한 반복적인 신호에 대해 다른 오실로스코프보다 10배 높은 대역폭과 고속 타이밍을 달성할 수 있다. 순차적인 등가 시간 샘플링 오실로스코프는 최대 80GHz의 대역폭을 지원한다.

한국텍트로닉스