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Oscilloscope
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| 아날로그 방식[1] | 디지털 방식[2] |
1. 개요
파동과 같은 주기적인 변화(oscilation)를 시각적으로 보여주는 장비로, 특히 전압의 변화를 신호로써 시각적으로 표시해주는 장치.[3] 한자로는 시파기(示波器)라고 하는데, 중화권 외에서는 잘 쓰지 않는다.대표 제조사로 로데슈바르즈, 텔레다인르크로이. 텍트로닉스, 키사이트테크놀로지스[4], 요꼬가와전기, 플루크,Goodwill Instek(굿윌 인스텍), RIGOL(리골), Siglent(시그런트),프로텍인스트루먼트, 오원, 피코스코프(PC 기반 오실로스코프), 한텍 등이 있다.
트리거가 가능한 최초의 오실로스코프는 텍트로닉스사에서 1945년에 만들어졌으며, 오늘날의 디지털 오실로스코프는 HP(Keysight 사의 전신)에서 1984년에 최초로 개발이 되었다. 1990년대에 두 회사는 전세계 오실로스코프 시장에서 치열하게 경쟁하였고, 시장 점유율 1위는 텍트로닉스사가 차지했으며 1994년 부터 텍트로닉스도 디지털 오실로스코프를 생산하기 시작하여 오늘에 이르고 있다. 지금도 점유율 경쟁은 계속되고 있다.
우리나라도 오실로스코프를 제작했다. GoldStar 시절부터 LG로 사명을 바꾼 후에도 한동안 LG가 계속 생산했고, EZ 같은 곳에서 많이 만들어서 시판했었다. 게다가 지금 오래된 공고나, 대학 등지에서는 아직도 그 시절의 오실로스코프가 굴러다니고 있고 중고로도 물량이 많이 풀려져 나오는 편. 현재는 Protek[5]등의 국산 계측기 기업이 존재한다.
2. 사용법
오실로스코프 기초 모음
접지된 상태에서[6] 프로브를 측정하려는 지점에 접촉시키면 해당 지점의 파형이 나온다.
X축이 시간축이며 Y축이 전압축으로 해당 축의 값을 원하는 수준으로 바꾸면[7] 파형이 어떠한 형상을 지니고 있는지 볼 수 있다. 프로브 아래에는 현재 각 칸이 얼마만큼의 간격값을 가지는지 나와있고 이를 통해서 파형의 주파수나 전압값을 추론할 수 있으며 디지털 스코프의 경우 주파수, 피크전압값 등의 주요 데이터를 깔끔하고 보기 좋게 정리해서 볼 수 있다.
3. 작동 방식
작동 방식으로 구분하면 크게 아날로그 방식과 디지털 방식 두 가지가 있으며, 여기에 추가 기능을 덧붙이기도 한다.이때 작동 방식은 화면의 종류나 인터페이스를 보고 판단하는 것이 아니라, 오실로스코프가 신호를 어떻게 처리하는지에 따라 종류를 구별한다.[8]
CRT화면의 디지털 오실로스코프를 보고 아날로그라 하던지, 화면에 숫자가 표시된다고 해서 무조건 디지털 오실로스코프라고 착각하는 경우가 잦은 듯 하다.[9]
장비의 제어는 여러개의 노브를 잘 돌려가며 원하는 주파수 파형을 맞추는 것이 일반적이다.
3.1. 아날로그 방식
아날로그 방식은 쉽게 말하면 브라운관 텔레비전. 전자빔의 방향조절에 측정대상인 전압을 사용(그대로 혹은 증폭)하는 것이다. 입력신호에 대해선 시간축의 경우엔 자동으로 움직인 후 화면 끝에 다다르면 처음으로 돌아간다. 때문에 측정 대상의 주기에 측정단위를 잘 맞춰야 한 주기가 끝나면 처음으로 돌아가 궤적 위에만 궤적이 계속 겹치게 만들어 깔끔한 그래프를 얻을 수 있으며, 그렇지 않으면 주기적으로 끊기지 못해 보기가 엄청나게 더러워진다. 전자빔의 세기를 조절해 화면의 밝기도 조절할 수 있는데, 아슬아슬하게 보이는 수준의 밝기로 해야 '번지는' 것을 최소한으로 해 정확한 측정값을 얻을 수 있다. 이처럼 디지털에 비해서 따질 것이 많지만 가격이 싸다. 중고로 2만원-10만원대로 저렴한 가격에 구할수가 있어 초심자들에겐 제격이다.[10] 하지만 중고로 잘못 구하면 고철덩이가 올 수도 있으니 직거래로 직접 만나서 작동 여부를 확인해보는 게 좋다. 다른 장점으로 밝기 변화 관찰과 정해진 주파수보다 높은 주파수도 대강 표시 가능하다는 장점이 있다.3.1.1. Readout 디스플레이
일부 고급 아날로그 오실로스코프는 Readout 디스플레이[11] 기능을 가지고 있는데, 간단히 말하면 전자 눈금이라고 할 수 있다.
일반 아날로그 오실로스코프는 화면에 파형만 표시되기 때문에 사용자가 화면의 눈금 칸수를 세고 조정 노브의 값과 곱해서 매번 측정해야 하지만, Readout 디스플레이는 화면에 눈금을 그려주고 계산도 알아서 해주기 때문에 사용자는 눈금만 움직여서 화면에 표시되는 측정값을 읽을 수 있는 방식이다. 그러나 작동방식은 여전히 아날로그이기 때문에 적절한 손놀림(?)을 이용해서 눈금이 신호에 맞게 잘 조정해야 한다.
일부 중고급형 아날로그 오실로스코프는 숫자 표시를 갖춘 딜레이 노브를 갖고 있는데, 이를 이용하면 Readout 디스플레이까지는 아니더라고 비교적 편하게 주파수를 측정할 수 있다.
3.2. 디지털 방식
디지털 오실로스코프는 측정 대상 신호가 아날로그-디지털 변환회로를 거쳐 데이터로 바뀌고, 이것을 화면에 표시하는 방식이다. 디지털 오실로스코프의 경우 포켓형(휴대형이지만 저성능의 작은 모델들), 일반 휴대형부터 거치해서 쓰는 일반형까지 브라운관 구조가 굳이 필요없어 크기에서 아날로그 오실로스코프에 비해 상대적으로 작고 자유로운 편이다. 또한 수치적인 값을 눈금을 읽고 판단하는 게 아니라 장비에서 직접 알려주는 등 여러 면에서 편리하기에 디지털 방식이 점점 더 많이 쓰이는 추세이다.하지만 샘플링 주파수보다 높은 주파수를 측정하면 아날로그 방식[12]과 달리 파형이 마구 꼬이는데, 이게 실제 파형이라 착각하면 큰 실수를 하게 될 수도 있으니 주의하자. 신호 측정이 정해진 주파수에서 한번씩 측정해서 발생하는 문제이며, 이를 에일리어싱이라 부른다.(디지털 문서 참조)
따라서 저가형 모델로 아날로그 회로를 측정하게 될 경우 디지털, 아날로그 모두 사용하는 게 좋다고 한다.
소프트웨어적 확장성이 뛰어나 오실로스코프 이상의 여러 가지 기능을 탑재하고 있다. 가장 흔한 기능은 로직 분석기나 FFT기능[13]이며 이외에도 터치스크린이나 신호 저장,생성능력이나 멀티미터[14]데이터로거 등등의 별의 별 기능이 달려나온 경우가 많다. 다만 이들 기능 전부다 전용 기기를 사용하는것보다는 못한 수준이다.[15]
한편 디지털로 빠른 속도로 ADC를 읽어오면서 정보를 처리하려면 상당히 강력한 성능이 요구되기 때문에 강력한 처리능력을 지닌 시스템을 쓰는 경우가 많은데 2000년대 이전에는 PC를 그대로 넣어서 쓰곤 했지만[16]2020년대 이후에는 저렴한 ARM기반 마이크로프로세서의 발달로 ARM코어를 쓰는 리눅스 기반으로 구동되거나 아예 안드로이드를 올려서 사용하기도 한다 안드로이드를 올려서 사용하는 리골의 DHO 시리즈 스코프
3.2.1. 아날로그 결합형
CRT 화면을 사용하는 일부 디지털 오실로스코프는 부분적으로 아날로그 방식을 같이 사용하기도 한다. 예를 들어 신호 표시는 아날로그로 하고 측정은 디지털 방식으로 해주거나[17], 후술할 XY모드만 아날로그 방식을 사용하고 나머지는 전부 디지털로 측정해주거나 등등이 있다.3.2.2. PC 오실로스코프
디지털 오실로스코프로 대세가 바뀌게 되면서 PC와 연결하여 사용하는 여러 PC Scope 제품군들이 나오게 되었다. 작은 포켓박스에 BNC 커넥터만 여러 개 달려있으나, 벤치형 스코프에 들어갈 LCD나 노브들, 외장, 파워서플라이 등의 비용들이 모두 성능에 몰빵하게 되므로 오히려 같은 가격대에서는 PC Scope가 더 스펙이 높은 경우도 있다.[18] 다만, 소프트웨어 지원이 중요하기 때문에[19] 이 점을 유의해서 브랜드를 골라야 한다.
형태가 자유로워 프로브와 일체화시킨 펜타입 오실로스코프를 팔기도 한다.
진짜 싸구려 제품이나 직접 만든 제품의 경우에는 PC의 오디오 마이크 단자에 연결해서 쓰는 경우도 있다.
3.2.3. 스코프미터
오실로스코프+멀티미터인 제품. 주로 멀티미터에 기반해서 오실로스코프 기능을 추가한 제품인 경우가 많으며[20] 휴대용 제품인 경우가 많다.특성상 전부 디지털 오실로스코프이며[21] 여기서 또 분류에 따라서 멀티미터 측정부로 신호를 측정하는가와[22] 별도의 프로브를 연결하는 제품이 있다[23] 특성상 야외작업을 하는 엔지니어들이 찾는 제품군.
4. 작동 모드
일반적으로는 시간에 대해 표시한 전압값 화면이 잘 알려져 있으나, 다른 방식도 사용 가능해서 2개 이상의 전압을 측정하여 한 값에 대해 다른 값을 표시할 수도 있다. 다르게 말하면 xy평면에서 x값을 넣으면 y값이 나오는 것과는 달리, x값과 y값을 모두 지정하여 표시하는 것과 같은 방식이다. 이를 XY모드라고 하며, 리사쥬 도형을 관찰하거나 라디오 튜닝 등에 쓰인다.요즘은 여러 가지로 잘 갖고놀아서 비주얼과 사운드를 모두 포함하는 음악을 만들어 표시하거나[24]#아예 앨범도 있다, 퀘이크를 플레이하거나#[25], 전자 현미경 모니터로 써먹는 등(!!!)#[26] 정말 다양하다.
5. 특징
오실로스코프는 제품마다 측정할 수 있는 주파수 범위가 있는데, 작게는 200kHz 부터 10GHz 를 넘는 것까지 다양한 제품이 있고, 당연히 측정할 수 있는 주파수 범위가 클 수록 가격은 안드로메다로 날아가는 것을 볼 수 있다. (특히 디지털 오실로스코프)당연하지만 V=IR에 따라서 전류의 파형도 관측이 가능한데, 션트저항 또는 전류 프로브를 사용한다. 전류의 변화만 측정하려면 션트저항으로도 충분하겠지만, 한 신호의 전압과 전류를 둘 다 측정하려면 전류 프로브를 사용해야 한다.
5.1. 디지털 한정
디지털 오실로스코프는 기본적으로 아날로그 신호를 디지털로 변환(Analog-to-Digital Converting, ADC)해서 측정하는 장비이므로, ADC의 중요한 이슈인 샘플링과 분해능을 고려해야 한다. 자세한 사항은 디지털 항목 참조.먼저 신호를 세로로 구획화하는 샘플링 측면에서, 특정 신호를 측정하고자 할때는 주기성을 확인할 수 있도록 최소한 측정신호의 5배의 샘플링레이트를 가진 오실로스코프를 사용해야 한다.[27][28] 만약 디지털 오실로스코프로 측정 주파수 범위 이상의 주파수를 측정하려고 하면 샘플링 주기에 따라 주파수가 왜곡되는 모습을 보여준다.[29]
신호를 가로로 구획화하여 분석하는 ADC 분해능(해상도)에 대해 고려할 사항은 다음과 같다. 디지털 오실로스코프는 보통 8bit 의 해상도를 가지고 있는데, 이는 한 화면에 2^8 = 256 단계로만 수직축(전압)을 나눌 수 있다(=양자화(quatization) 가능하다)는 것이다. ADC 의 성능이 12bit 만 되어도 4096 단계로 표현이 가능하기 때문에 정지-확대시 파형의 디테일이 엄청난 차이가 발생하게 된다. 그래서 12bit 이상을 지원하는 제품이 좀더 비싸다 즉 ADC 해상도가 높을수록 파형을 더 자세히 분석할 수 있다는 것이고, 달리 말하자면 이는 양자화 신호대잡음비(quantization SNR)를 높게 가져갈 수 있는, 즉 비가역적이고 필수적인 ADC 프로세스의 정보 손실을 최소화할 수 있다는 것이다. 참고로 양자화 신호대잡음비는 '대략' 6.02 * n(bit) + 1.76 [dB]이다.
다만 변조된 신호 대다수가 8bit 분해능만 되어도 신호를 분석하는것에 있어 큰 문제가 없어[30] 키사이트나 텍트로닉스등의 업계 최상급 회사들도 보급형은 전부 8bit로 나가고 현장에서도 아무런 불만없이 잘 쓰이며 현재 대부분의 제조사들이 10~12bit급 제품을 주력인데다 고급형으로 가면 초 고주파수 지원을 위해 일부러 분해능을 줄이는 제품이 많다. 또한 반대로 저주파수에서는 ADC 분해능을 조금 더 늘려주는 기능이 있는 회사들도 있다.
6. 제조사
일반적으로 고급기능을 다갖춘 상위급 업체와 저렴한 맛에 쓰는 저가형 업체로 분류가 나뉜다.- 키사이트 테크놀로지
전자공학에서 가장 유명한 브랜드중 하나이자 광범위한 라인업과 최고수준의 완성도로 유명한 회사. - 텍트로닉스
키사이트 만큼이나 유명한 근본있는 제조업체. 라인업또한 키사이트와 경쟁할수 있을 정도로 풍족하며 완성도 또한 눈에 띄게 좋다. - 리골(RIGOL)
메이저 중국업체. 옛날 에질런트(현.키사이트)와 텍트로닉스의 저가형 스코프를 OEM으로 양산한 적이 있다. 유명업체들과 비빌수 있을정도로 라인업이 다양한 편이며 그럼에도 불구하고 값이 비싼편이 아니라서[31] 학교등의 기관에서 매우 선호하는 브랜드중 하나로 자주 볼수있다. 또하나 특징이라면 벤치톱 장비만 만든다. - 로데 슈바르츠
독일업체. 주요 산업분야는 무선통신 분야로 방산업쪽에 걸쳐 있지만 전자 계측기 사업또한 꽤 규모가 있는 편. - OWON
중국업체. 특이한 폼펙터의 계측기기를 내놓거나 하는경우가 많은데 태블릿형 오실로스코프등이 대표적이다. - UNI-TREND
중국업체. 보통은 약자인 UNI-T로 잘 알려져 있으며 아래의 HANTEK에 비하면 라인업이 더 많은 편이지만 이쪽도 저렴하다는걸 제외하면 딱히 내세울 구석은 없다. - HANTEK
중국업체. 정식 명칭은 칭따오 한텍 전자로 적당히 그럴싸한 스펙의 기기를 상당히 싼 가격에 굴릴수 있다는 점 덕분에 찾는 사람들이 꽤 있으며 이외에도 스코프미터나 태블릿형 스코프등 괴한 라인업도 꽤 있다. - 프로텍인스트루먼트
국내업체 '흥창'이 이름을 바꾼 회사. 한때 싸고 뛰어난 국산 아날로그 오실로스코프를 생산해냈으며 현재도 아날로그 라인업이 남아있다. - FNIRSI
제조사 업체라고 하기에도 민망한 업체. 중국업체로 알리에서 정말 싸게 풀리는 스코프등을 만드는 브랜드인데 사실상 장난감에 가까운 수준의 물건을 만든다. 기능 자체는 일단 동작하기에 정말 싼 스코프라도 굴리고 싶다면 골라보는 수준이나 어지간하면 프로텍이나 HANTEK같은 회사의 제품을 사는게 좋다.
7. 기타
전기,전자 계열에서 공통적으로 많이 쓰이는 장비는 오실로스코프와 멀티미터이다.[32] 그 외에 전공에 따라 논리 분석기[33], 스펙트럼 분석기, 전력 분석기 등이 많이 쓰인다.컴퓨터 쪽에서는 파워서플라이의 뻥파워 여부를 측정하거나 공유기에 OpenWrt를 올리기 위해 각종 단자를 확인하는 등 다양한 용도로 쓰인다.[34]
일렉기타에서는 오버드라이브(음향기기)를 제조할때 파장의 거칠기를 분석하여 톤을 예상하며 디자인하는데 쓰인다.
심전도 계측기에 오실로스코프를 사용한다.
비디오 게임의 여명기의 도구가 되기도 하였다. 테니스 포 투라는 게임인데, 자세한건 비디오 게임/역사문서 참조
[1] 사진은 국내에서 흔히 볼 수 있었던 (구)흥창 오실로스코프이다. 회사명을 바꾼 현재에도 아날로그 오실로스코프 라인업이 남아있다.[2] 네모파 신호의 경우에는 디지털 신호를 측정한 것으로 사진의 오실로스코프는 아날로그 채널뿐만 아니라 별도의 디지털 신호도 동시에 측정할 수 있는 혼합시그널 오실로스코프이기 때문이다.[3] 파동과 관련 정보를 보여주는 장치.[4] 애질런트 테크놀로지에서 분사했다.[5] 구 흥창. 아날로그 오실로스코프로도 유명했던 기업이고 지금도 아날로그 오실로스코프를 만드는 기업중 하나이다.[6] 정말로 중요하다. 특히 AC값의 경우 접지가 안 되어 있으면 트리거 값을 못 잡아서 마구 날뛰는 값을 볼 수 있다. 일반적으로는 스코프의 프로브에 따로 접지선이 나있는 경우가 대부분인데 이게 귀찮다면 그냥 측정하려는 기기가 공급받는 전원에 달린 접지라인을 스코프에 연결해놔도 되며 아예 그럴 목적으로 접지선을 별도로 연결가능한기기도 많다.[7] 디지털 스코프의 경우 자동으로 트리거를 잡아서 설정해주는 옵션이 있어서 훨씬 간단해지나 프로브가 판단하는 상태로만 잡아주기 때문에 의도와는 다르게 잡아줄 수 있는 관계로 조금이라도 익숙해졌다면 해당 기능은 안 쓰는게 좋다.[8] 아날로그 오실로스코프는 CRT 화면 밖에 없지만 디지털 오실로스코프는 CRT, LCD 모두 가능하다.[9] 후술할 Readout 디스플레이 기능을 갖춘 아날로그 오실로스코프일 가능성이 있다.[10] 디지털도 3만원대부터 저가형 모델이 존재하지만 가격대비 측정 주파수는 비교불허(...) 그나마 장점이 있다면 그나마 디지털 형이라고 주파수나 전압 측정치 출력기능이 딸려있어서 일일이 계산할 필요 없다는정도.[11] 그냥 Readout 이라고만 줄여쓰기도 한다.[12] 파장이 점점 작아지다 없어진다.[13] 고속 푸리에 변환. 말 그대로 신호에 대한 푸리에 분석결과를 띄워주며 스펙트럼 분석기와 같은 역할을 할수있게 된다.[14] 일반적으로는 멀티미터에 오실로스코프가 달려나오는 형태인 경우지만 간혹 가다가 오실로 스코프 분류로 넣은 경우도 있다. EX:키사이트(애질런트).[15] 다만 아예 진짜로 별도의 모듈로 붙여놓게만든 추가기능들의 경우에는 진짜 전용기기수준의 성능을 보여주기도 한다. EX:텍트로닉스 MSO 제품군[16] 따라서 그냥 PC처럼 둠을 돌리는 기행도 가능했다.[17] 앞전의 Readout 디스플레이는 사용자가 파형을 보고 눈금을 움직여야만 측정이 가능하지만, 디지털 방식은 컴퓨터가 파형을 처리하여 주파수 등을 전부 자동으로 계산해준다.[18] 그리고 처리 성능도 더 좋은 경우도 있는데, PC의 성능은 저가형 계측기에 들어가는 DSP를 압도하는 성능을 가지고 있기 때문이다.[19] 대표적으로, macOS는 지원하지 않는다.[20] 반대의 경우가 없는건 아니다. 벤치톱 다영역 시그널 오실로스코프등이 대표적인 예시인데 이경우에는 전압측정등의 간단한 기능만 들어간 경우가 많아서 멀티미터 기능을 기대하긴 힘들다.[21] 아날로그 방식은 특유의 CRT 관 같은 구조물 때문에 중량과 부피가 미친듯이 증가해서 멀티미터에 넣을수 있을만큼 소형화가 불가능하다.[22] 대표적인 제품이 UNI-T 사의 UT81제품군.[23] 사실상 대부분의 스코프미터가 이방식인 경우가 많다.[24] 그냥 들어보면 좀 투박한 전자음악같이 들리지만, 오실로스코프에 좌우 채널을 입력시키면 음악에 내재된 비주얼을 관찰할 수 있다. 비주얼 쪽을 신경써서 거의 뮤비급으로 만드는 경우도 있다![25] 특별할 것도 없는 것이, CRT이므로 X-Y 신호만 입력해주면 동영상도 표현 가능하다. 다만, 일반 CRT TV와는 형광물질도 다르고, 초록형광 뿐이라...[26] 화면의 밝기 변화는 오실로스코프 뒷면의 Z축 입력 포트를 이용한 것이며, 평범한 시간축 모드에서도 사용 가능하다.[27] 학부에서 접하게 되는 나이퀴스트 샘플링 법칙은 원본 아날로그 신호를 재현하기 위해서는 '이론적으로' 최소한 2배의 샘플링 레이트가 필요하다고 하지만 실제 신호는 대역제한되지 않았기에 다양한 하모닉스 성분들을 가지고 있어 통상적으로 최소 5배의 샘플링 레이트가 필요하다고 보고 있으며, 이 때문에 시중에 풀린 대부분의 오실로스코프는 최대 측정 주파수의 5배정도의 샘플링레이트를 기본으로 가지는 것이 많다. 사실 오실로스코프는 제조 환경에서 생산성을 위해 하드웨어 자체는 대부분 동일한 아키텍쳐를 갖다 쓰며 그 때문에 기본적인 샘플링레이트도 거의 같지만, 여기서 실제로 사용 가능한 주파수만 소프트웨어적으로 락을 걸어놓고 파는 일이 많다. 즉 정체불명의 회사의 제품을 사는게 아닌 이상 샘플링레이트가 측정 주파수보다 낮은 제품은 보기 힘들다.[28] 아날로그 오실로스코프는 물리적으로 직접 파형을 CRT에 뿌려주기 때문에 샘플링레이트 관련 문제에서는 덜 구애받는다.[29] 일반적으로 사인파 측정시에 사인파가 뜬금없이 계단으로 각진 형태로 나오는 경우가 대표적인 예시다.[30] 왜냐면 오실로스코프를 쓰는 이유는 파형의 형상을 보는게 아니라 변화량을 보기위함이고 이는 ADC 해상도가 아닌 샘플링레이트에 연관된 문제이기 때문이다. 디지털 신호값의 경우는 입력되는 신호가 HI/LOW만 존재하는 만큼 ADC 해상도가 크게 연관성이 없으며 아날로그 신호의 경우에도 1mV 단위의 극미량의 전압변화를 측정하는일은 멀티미터가 훨씬 더 잘하며 여러 전위차를 가진 주파수 성분의 분석은 스코프가 아니라 스펙트럼 분석기가 훨씬 더 잘한다.[31] 물론 아래의 HANTEK이나 UNI-T만큼 저렴한것은 아니나 위의 텍트로닉스와 키사이트에 비하면 눈에 띄게 저렴하다.[32] 디지털일 경우 DMM (digital multimeter). 전압, 저항, 전류를 모두 측정가능한 장비. 현장에서는 '테스터기'라고도 부른다.[33] logic analyzer. 디지털 논리 신호를 분석해서 데이터로 변환해주는 기계.[34] 사실 대부분은 멀티미터만으로도 판별이 가능하기때문에 이런 용도로 쓰는것은 낭비다.