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• 실험 목적
- 순시값, 최대값, 실효값을 이해하고, 오실로스코프와 함수발생
기 사용법
• 강의 내용
- 프로브 (Probe) 기초
- 오실로스코프 (Oscilloscope) 기초 및 사용법
- 함수발생기 (Function Generator) 기초 및 사용법
• 오늘의 실험
- Multisim을 이용한 시뮬레이션
- 브레드보드에 회로 구성을 통한 실험 및 계측
• 프로브의 핵심적 요소
- 신호원 (signal source)와 오실로스코프 입력 사이에 적절한 편의
성과 품질을 갖춘 연결을 제공
- 연결의 적절함은 물리적 결합, 회로 동작에 대한 영향, 신호 전송
이라는 세 가지 핵심적인 요소로 결정
• 이상적인 프로브
- 연결의 간편성 및 편의성
- 완전 무결한 신호 충실도
- 신호원에 대한 Zero 부하
- 완벽한 노이즈 면역성
• 연결의 간편성 및 편의성
- 손쉽고도 편리하게 물리적인 연결이 가능해야
- 고밀도 소형화 회로의 경우 초소형 프로브 헤드와 SMT 장치용으로 설계된 다양한 프로브 팁 어댑터를 통해 연결의 간편성과 편의성을 촉진
• 완전 무결한 신호 충실도
- 이상적인 프로브라면 모든 신호를 프로브 팁부터 오실로스코프
입력까지 완전 무결한 신호 충실도로 전송해야
- 이를 위해 팁부터 오실로스코프 입력에 이르는 프로브 회로는 감쇠가 0이고, 무한의 대역폭을 가지며, 모든 주파수에서 선형 위상이어야
- 이러한 이상적인 요구 사항은 현실적으로 달성하기 불가능할 뿐
아니라 비현실적
• 신호원에 대한 제로 부하
- 외부 장치는 신호원에서 신호 전류를 끌어올 때 부하로 작용
- 부하 작용 또는 신호 전류 인출은 테스트 지점 이면의 회로 동작
을 변경시키며, 테스트 지점에서 나오는 신호도 변경
- 따라서 신호원에서 신호 전류를 끌어내지 않아야 하며, 이를 위
해 프로브가 무한의 임피던스 (개방회로)를 가져야
- 실제로는 오실로스코프 입력단에 신호 전압을 전달하려면 프로
브가 일부 소량의 신호 전류를 끌어 써야 하므로 신호원에 대한
부하가 0인 프로브는 만들 수는 없음
- 따라서 프로브를 사용할 때는 신호원에 대한 약간의 부하 발생은
필연적이므로 적절한 프로브를 선택하여 부하의 양을 최소화
- 형광등과 팬 모터는 수많은 전기 노이즈 소스
- 이러한 소스는 주변의 전기 케이블 및 회로에 노이즈를 끌어들여
신호에 노이즈를 발생
- 이상적인 프로브는 모든 노이즈 소스에 완전히 면역이 되어야
- 오실로스코프에 전달되는 신호에는 테스트 지점에서 나오는 신
호와 비교했을 때 추가적인 노이즈가 없어야 함을 의미
- 실제로 차폐를 사용하면 대부분의 일반적인 신호 수준에서 프로
브에 높은 수준의 노이즈 면역성을 확보 가능
- 그러나 일부 저레벨 신호에서는 노이즈 문제가 발생 가능
• 완벽한 노이즈 면역성
- DC 신호(주파수 0Hz)의 경우, 프로브는 일부 연속적인 저항과 종
단 저항으로 이루어진 간단한 도체 쌍
- AC 신호의 경우, 분산 인덕턴스(L)와 분산 커패시턴스(C)이 존재
분산 인덕턴스는 주파수가 상승할수록 AC 전류 흐름에 대한
방해가 심해지는 형태로 AC 신호에 반응
분산 커패시턴스는 주파수가 상승할수록 AC 전류 흐름에 대
한 임피던스가 낮아지는 형태로 AC 신호에 반응
• 프로브는 단순한 와이어가 아닌 복잡한 회로임을 인식해야
- 대역폭은 오실로스코프 또는 프로브가 작동하도록 설계된 주파
수 범위 의미
100MHz 프로브 또는 오실로스코프는 최대 100MHz의 모든 주
파수에서 사양 내로 측정이 가능하도록 설계
- 정확한 진폭 측정을 위해서는 오실로스코프의 대역폭이 측정 대
상 파형의 주파수보다 5배 더 커야 (5배의 규칙)
사각파와 같은 비사인파 파형의 고주파 컴포넌트에 대해 적절
한 대역폭 보장 가능
• 대역폭 및 상승 시간의 한계의 인식
- 모든 프로브에는 초과해서는 안되는 고전압 안전 한계 존재
- x1 프로브(1배 프로브)의 경우 다이나믹 측정 레인지가 오실로스코프와 동일하며, 신호 측정 범위는 4mV ~ 40V
- x10 프로브의 경우 다이나믹 레인지가 40mV ~ 400V로 전환
입력 신호를 10의 계수로 감쇠함으로써 오실로스코프의 스케일을 10배로 증폭하는 효과를 제공
x10 프로브는 전압 범위가 최고 수준이며 시그널 소스에 대한
부하가 적기 때문에 대부분의 범용 용도에 선호
- 폭넓은 범위의 전압 레벨을 측정을 위해 전환이 가능한 4mV ~
400V의 다이나믹 레인지의 x1/x10 프로브 고려
• Tip
- 5kHz 이상의 신호 측정 시 x10 프로브 사용 (일반적인 프로브)
이때 오실로스코프도 수직리드아웃도 10x 계수 사용해야
- 미약한 신호 측정 시 x1 프로브 사용 권장
• 다이나믹 레인지의 한계
• 디지털 오실로스코프 (Digital Oscilloscope, DSO)
- 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 화면상에 보여
주며, 디지털로 파형을 처리하여 데이터를 저장가능하므로 아날
로그 오실로스코프에서 할 수 없는 파형 데이터 보존 및 분석이
가능
• 오실로스코프 구성 : 4개의 주요 부분으로 구성
Ch 1
Externaltrigger
Conversion/storage(Digital scopes only)
Signal coupling
AC
DC GNDAmp
Ch 2 Conversion/storage(Digital scopes only)
AC
DC GNDAmp
Volts/Di v
Verticalposition
AC
DC
Ext
Triggersource
External triggercoupling
Ch 1Ch 2
Line
Triggercircuits
Triggerlevel andslope
Time base
Sec /Div
Horizontalposition
Control and process(Digital scopes only)
Intensity
AC
DC to all sec tionsPower supply
Vertical section
Display section
Horizontal sectionTrigger section
Digitalonly
Analogonly
• 샘플링 속도의 의미는?
- 디지털 변환된 신호가 얼마나 원신호(아날로그)에 가깝게 복원되는지를 판단할 수 있는 지표
- 나이키스트(Nyquist) 이론 : 아날로그 신호를 디지털로 전환할
때 원신호 주파수의 최소 2배 이상의 샘플링 속도를 가져야만 신호 왜곡 없이 변환 가능
현재 시장에 나온 DSO들은 입력되는 신호 주파수(대역폭)의
약 10배 이상의 샘플링 속도를 가짐
GDS-2102A : 대역폭 100MHz, 샘플링 속도 2GS/s → 약 20배
• 트리거(Trigger)란?
- 사용자가 설정한 특정 조건에 맞을 때만 파형을 업데이트 해주는
기능
- 트리거 기능을 사용하지 않으면 DSO는 실시간 데이터를 바로 화면에 표시하게 되는데 파형 분석이 어려움
• Edge 트리거
• 트리거 모드 (Auto, Normal, Single) 이해
1. Auto 모드 : 트리거 조건에 맞지 않을 때에도 연속적으로 파형 업
데이트
2. Normal 모드 : 트리거 조건에 정확히 맞는 경우만 파형 업데이트
3. Single 모드 : 트리거 조건에 맞는 경우 현재 화면 정지(STOP)
• 프로브 감쇠비
- DSO 의 수직축 범위를 넘어서는 전압 레벨을 갖는 신호를 측정
할 때 사용
- 프로브의 종류에 따라 x1, x10, x100, x1000 등이 있음
- 예) 200V 신호를 측정한다면 전압을 측정할 때 프로브 쪽에서
x10를 선택한 후 DSO 쪽에서 10x 보상을 해주면 정확한 값을 측
정 가능
• Multisim에서의 기기 선택
- 직류전원장치 : Multisim의 DC Power를 선택
- 오실로스코프 : Tektronix Osciloscope 이용
- VOM (Volt-Ohm Multimeter) : 내장 Multimeter 이용
• Tektronix Oscilloscope 설정
- 수평축 (시간축) 설정 : 한 눈금 (Div)을 적절하게
- 수직축 (크기축) 설정 : 한 눈금 (Div)가 1V가 되도록 설정, 기준위치는 2눈금 정도 아래로
- Measure 버튼을 누르고, 측정항목 선택 : DC 측정이므로 Mean
(평균값) 선택
수직축 설정
수평축 설정
수평축 한 눈금값 수직축 한 눈금값
측정항목 설정
• 시뮬레이션 수행
- 입력 전압을 변경해 가면서 멀티미터 측정값과 오실로스코프 측정값을 비교
• 표 11-1에서의 용어
- 수직이동량 (cm) : 캡처된 파향이 기준 위치에서 몇 눈금 떨어져
있는지를 의미함. 위 그림에서는 1 눈금
- VOLT/DIV : 한 눈금당 전압을 의미하며 위 그림에서는 1 V
- 계산값 : 수직이동량과 VOLT/DIV를 곱한 값으로 스코프에서 측정한 Mean (평균값)과 동일
- VOM 측정값 : 멀티미터로 측정한 DC 전압값
• 저주파 발진기 및 오실로스코프
- 저주파 발진기는 함수발생기 (function generator)로 대체
- 오실로스코프는 Tekronix oscilloscope 이용
- 멀티미터를 사용하여 실효치 측정
• 함수발생기 설정
tftVtv m 10002sin22sin)(
진폭 (Amplitude) 주파수 (Frequency)
정현파 (Sinusoid)
주어진 진폭대로 출력 주어진 진폭의 2배로 출력
• 오실로스코프 설정
- 수평축 설정 : 여러 주기의 정현파를 볼 수 있도록
- 수직축 설정 : 인가 전압의 진폭에 충분히 관찰할 수 있게
- Measure 버튼을 누르고, 측정항목 선택 : 주기(Period), 주파수(Frequency), 첨두치 (Vp-p, Pk-Pk), 진폭 (Vm, 최대), 실효값 (Vrms)
주기 (Period)
주파수 (Frequency)
첨두치 (Vp-p, Pk-Pk)
진폭 (Vm,최대, Max)
실효값 (Vrms)
입력 주기에 맞게 입력 진폭에 맞게
• 직류전원장치, 저주파 발진기 및 오실로스코프
- 직류전원장치는 DC Power를 이용
- 저주파 발진기는 함수발생기 (function generator)로 대체
- 오실로스코프는 Tekronix oscilloscope 이용
- 멀티미터를 사용하여 실효치 측정
- 정확한 실효값 측정을 위해서는 한 화면에
많은 파형이 보이도록 오실로스코프의 시
간축 설정해야
• Oscilloscope 설정
- 수평축 (시간축) 설정 : 한 눈금 (Div)을 적절하게
- 수직축 (크기축) 설정 : 한 눈금 (Div)가 1V가 되도록 설정, 기준위치는 2눈금 정도 아래로
- Measure 버튼을 누르고, 측정항목 선택 : DC 측정이므로 Mean
(평균값) 선택
• 멀티미터 설정
- 교류전압의 평균값 측정을 위해 DCV 버튼을 누름
- 멀티미터용 프로브는 전압을 위한 단자에 연결
• 회로 구성
- 오실로스코프와 멀티미터를 다음과 같이 직류전원장치와 연결
• 실험 수행
- 직류전원장치의 출력이 1V, 2V, 3V, 4V, 5V를 변화시켜 가면서 멀
티미터의 전압값과 오실로스코프의 평균값을 기록
• 함수발생기와 오실로스코프 설정
- 실효값 전압과 주파수를 설정하기 위해 오실로스코프를 설정
- 오실로스코프의 Measure 버튼을 누른 후 화면 아래의 측정항목추가 버튼를 누르고, 사이드 메뉴에서 “전류/전압” 항목을 누르고, Variable 노브를 돌려 “최대”를 선택한 후 Select 버튼을 누름
- 다시 “시간” 항목을 누르고, Variable 노브를 돌려 “주파수”를 선택한 후 Select 버튼을 누름
- 함수발생기와 오실로스코프를 직접 연결한 후 함수발생기의 주파수 및 진폭를 조정하여 500Hz와 최대값이 5V가 되도록 조정
• 오실로스코프 추가 측정항목 설정
- 위에서와 같은 방법으로 “피크대피크”, “진폭”, “실효치”, “평균”,
“주기” 항목을 추가
• 멀티미터 설정
- 교류전압의 실효값 측정을 위해 ACV 버튼을 누름
- 멀티미터용 프로브는 전압을 위한 단자에 연결
• 회로 구성
- 함수발생기, 오실로스코프와 멀티미터를 다음과 같이 연결
• 실험 수행
- 오실로스코프와 멀티미터에 표시되는 측정값을 기록
• 반복 실험 수행
- 함수발생기의 주파수 및 진폭를 조정하여 1kHz와 최대값이 8V
가 되도록 조정한 후 반복 실험 및 측정값을 기록
• 함수발생기 설정
- 두 번째 실험과 같은 방법으로 오실로스코프를 이용하여 500Hz
와 1V 진폭이 되도록 조정
- 직류전원장치를 이용하지 말고 함수발생기의 오프셋 기능을 이용하여 1V를 위로 수직 이동. 이때 오실로스코프의 평균값이 1V
가 되도록 조정하면 됨
• 실험 수행
- 오실로스코프와 멀티미터에 표시되는 측정값을 기록
• 정확한 측정
- 좀더 정확한 신호를 측정하기 위해서는 Acquire 버튼을 누른 후 ,
아래 메뉴의 “모드”를 누름. 사이드에 나타나는 메뉴에서 “평균”
버튼을 누르고 Variable 노브를 돌려 “64”나 “128” 선택
- 이는 여러 번 측정한 결과를 평균해 주는 기능이므로 측정값의 변
화를 최소화할 수 있음
• 실효값 측정
- 오실로스코프로 실효값을 측정할 때의 한 화면에 5~10개 정도의
파형이 보이도록 시간축을 조정
• 진폭 측정
- 두 번째 실험에서는 최대값이 실제 진폭에 해당되며, “진폭” 측
정항목에 나타나는 값은 이 강좌에서 정의한 진폭의 2배임
- 세 번째 실험에서의 진폭을 측정할 경우에는 “진폭” 항목에 나타
나는 값을 2로 나눈 값으로 기록