오실로스코프 프로브를 사용하는 방법: 오실로스코프 프로브 사용 정보

R&S®ESSENTIALS | 디지털 오실로스코프 및 프로브 개요

오실로스코프 프로브 유형

저자: Paul Denisowski, 제품 경영 엔지니어

오실로스코프 프로브는 두 가지 주요 유형, 즉, 액티브와 패시브가 있습니다. 선택의 기준은 간편함과 정교함 중 어느 것이 더 중요한가의 문제입니다.

패시브 프로브는 좀 더 직관적이며 외부 전원이 필요하지 않고 비용 효율적입니다. 안정적이고 견고할 뿐만 아니라 사용법이 간단하여 스코프에 연결하고 접지 리드만 부착하면 바로 사용할 수 있습니다. 패시브 프로브 세트는 일반적으로 오실로스코프가 기본 제공되므로 다양하고 기본적인 측정 작업에서 바로 사용할 수 있습니다.

반면, 액티브 프로브는 더욱 우수한 정밀성과 성능을 제공하여 벤치 작업에 더 적합합니다. 액티브 프로브는 이름에서 알 수 있듯이, 고주파 신호를 처리할 수 있는 액티브 소자가 탑재되어 있습니다. 따라서 가격은 높을 수 있지만 뛰어난 유연성과 향상된 감도로 인해 높은 정확도가 요구되는 애플리케이션에서 대체 불가한 기기라고 할 수 있습니다.

궁극적으로 패시브 프로브 또는 액티브 프로브는 작업별 특정 요구사항에 따라 선택해야 합니다. 예산과 성능 사이의 균형을 고려하여 측정 요구사항에 맞는 프로브를 선택해야 합니다.

패시브 오실로스코프 프로브 보정

패시브 프로브 보정은 오실로스코프 측정의 정확도 및 신뢰성 확보에 핵심적인 요소입니다. 적절히 보정하지 않은 패시브 프로브에 오실로스코프를 연결하면 파형 표현이 왜곡되거나 정확하지 않을 수 있습니다. 이러한 왜곡은 고주파수 대역에서 특히 심화되어 측정 신호의 충실도에 영향을 미칩니다. 보정을 통해 프로브 커패시턴스를 미세 조정하는 목적은 오실로스코프의 전체 대역폭 내에서 평탄하고 정확한 주파수 응답을 확보하는 데 있습니다.

보정 절차는 오실로스코프 내부의 고유 입력 커패시턴스를 상쇄하기 위해 패시브 프로브의 가변 커패시턴스를 조정하는 과정입니다. 대부분의 오실로스코프에는 프로브 보정을 위한 1000 Hz 사각파 발생기가 탑재되어 있습니다.

• 1단계: 프로브 팁을 신호 소스에 연결합니다.
• 2단계: 프로브 접지 리드를 접지 단자에 연결합니다.
• 3단계: 프로브 보정 입력을 표시할 수 있도록 오실로스코프를 구성합니다.
• 4단계: 프로브 보정 박스의 작은 구멍에 비전도성 툴을 삽입합니다.
• 5단계: 표시된 사각파가 최대한 직사각형으로 표시될 때까지 이 툴을 이용하여 프로브의 커패시턴스를 조정합니다.

표시된 보정 신호의 상단이 대체로 수평을 이룰 때 프로브 보정이 적절히 수행된 것입니다. 과도하게 보정된 프로브는 신호의 리딩 에지(leading edge)에서 오버슈트(overshoot)로 나타나며 프로브 보정이 충분하지 않으면 리딩 에지에서 언더슈트(undershoot)가 나타납니다. 이 문제를 해결하려면 파형 가장자리가 분명한 직사각형이 될 때까지 보정 커패시터를 조절해야 합니다. 일반적으로 이와 같은 정밀 조정은 아주 미세하게 회전해야 합니다.

패시브 오실로스코프 프로브에 최대한 짧은 접지 리드 사용

패시브 프로브를 사용할 때 또 다른 중요 사항은 접지 연결의 길이를 최소화하는 것입니다. 패시브 프로브는 "싱글 엔드" 방식으로 작동합니다. 즉, 전압을 접지에 상대적으로 측정하며 견고한 접지 연결이 필요합니다. 해당 연결은 일반적으로 악어 클립형 접지 리드를 통해 체결하며 리드의 길이를 최대한 짧게 유지하는 것이 중요합니다. 긴 접지 리드는 측정 신호에 인덕턴스 성분을 유입시켜 고주파 성분에 영향을 주며, 사각파 신호에서 링잉(Ringing), 오버슈트(Overshoot) 또는 언더슈트(Undershoot)를 발생시킬 수 있습니다. 측정 위치 근처에서 접지 지점을 사용할 수 있을 경우 슬립온 스프링 방식의 접지 리드를 사용하면 접지 연결의 길이를 더 줄일 수 있습니다.

올바른 입력 임피던스 선택

이제 채널 입력 임피던스 구성에 대해 자세히 알아보겠습니다. 오실로스코프 중에는 사용자가 50옴과 1 메가옴 입력 임피던스 중에서 유연하게 선택할 수 있는 모델들이 있습니다. 신호 소스의 임피던스 또는 프로빙 셋업에 맞게 입력 임피던스를 선택하는 것을 "터미네이션"이라고 합니다. 터미네이션은 스코프 인터페이스를 통해 채널별로 수행합니다. 오실로스코프 입력에 대한 "표준" 임피던스는 패시브 프로브로 작업할 때 적절한 1 메가옴으로 설정하는 것이 일반적입니다.

단, 액티브 프로브 또는 BNC 케이블을 이용한 직접 연결을 사용할 경우 선택사항인 50옴 터미네이션을 사용할 수 있게 됩니다. 많은 테스트 및 계측 기기와 RF 기기는 표준 터미네이션으로 50옴을 사용합니다. 설정을 잘못할 경우 신호 진폭 측정값에 영향을 미치므로 올바른 입력 임피던스를 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 터미네이션을 50옴이 아닌 1메가옴을 선택할 경우 예상 전압의 두 배가 관찰될 수 있습니다.

마지막으로, 최대 안전 입력 전압은 두 터미네이션 간 크게 다를 수 있음을 감안해야 합니다. 터미네이션을 1메가옴이 아닌 50옴에 설정할 경우 최대 안전 입력 전압의 임계값이 낮아지는 경우가 많습니다. 일부 오실로스코프는 50옴 터미네이션을 지원하지 않지만, 그럴 경우 특수 피드스루 어댑터를 사용하면 필요에 따라 50옴 터미네이션을 제공할 수 있습니다.

전류 프로브 디가우징 및 영점 조정

이제 전류 프로브에 대해 살펴보겠습니다. 전류 프로브의 강자성 프로브는 전류가 없을 때에도 자성 또는 자속을 유지할 가능성이 있음을 알는 것이 중요합니다. 이와 같은 현상은 일반적으로 프로브를 계속 사용해 켜졌다 꺼진 전류를 측정한 다음에 빈번히 발생합니다. 잔류하는 자성이 오프셋을 발생시켜 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 대부분의 전류 프로브에는 자기 소거 또는 "디가우스" 기능이 탑재되어 있으며, 프로브에서 직접 활성화하거나 오실로스코프의 사용자 인터페이스를 통해 활성화할 수 있습니다.

디가우스 기능을 시작하면 특수 파형이 발생하면서 프로브에 잔류한 자성을 모두 "없애는" 임의의 자기장이 생깁니다. 이 과정은 보통 수 초 이내에 매우 빠르게 완료됩니다. 따라서 영점 조정 전과 측정을 수행하기 전 전류 프로브를 디가우징하는 것이 좋습니다.

감도 개선을 위해 복수의 권선 사용

전류 프로브를 사용할 때 프로브를 통해 도체를 여러 번 감아 보십시오. 그러면 측정 감도가 증가합니다. 프로브의 감도는 루프 수에 따라 선형적으로 증가합니다. 예를 들어, 도체를 네 번 감을 경우 감도가 네 배 증가합니다. 오실로스코프는 루프 수를 자동으로 판단하지 못하므로 적절한 배수를 수동으로 입력해야 합니다.

이와 같이 감을 경우 삽입 임피던스는 루프 수의 제곱만큼 크게 증가하지만 낮은 전류 수치에서는 측정에 거의 영향을 미치지 않습니다. 증가된 삽입 임피던스는 비교적 작은 수준으로 유지되어 측정 정확도에 실질적인 영향을 주지 않습니다.

전력 측정 시 프로브 디스큐

전력 측정 시에는 전류 프로브와 전압 프로브를 함께 사용하는 경우가 많습니다. 정확한 전력 평가를 위해서는 전압과 전류를 모두 측정해야 하기 때문입니다. 하지만 프로브 리드를 통한 전파 시간에 차이가 있을 경우 시간 오프셋, 즉 측정된 전압과 전류 파형 사이 "스큐"가 발생해 전력 판독값이 정확하지 않을 가능성이 있습니다.

해결 방법은 특수 데스큐 픽스처를 사용해 시간을 일치시킨 전압 및 전류 펄스를 발생하여 스큐를 탐지 및 보정하는 것입니다. 이와 같이 동기화된 펄스는 전류 및 전압 프로브를 연결하여 동시에 측정합니다. 테스트 파형에 스큐가 나타날 경우 적절한 디스큐 또는 시간 오프셋 값을 오실로스코프에 입력하면 됩니다. 그러면 전류 및 전압 파형이 일치하며 측정 정확도가 개선됩니다.

부동 측정 시 디퍼런셜 프로브 사용

오실로스코프 프로브는 일반적으로 접지를 기준으로 전압을 측정하며, 이를 "싱글 엔드 측정"이라고 합니다. 하지만 접지에 연결되지 않은 구성요소 전반에서 전압을 측정해야 하는 경우에는 "디퍼런셜 측정"이 필요합니다. 이러한 측정을 "부동 측정(Floating measurements)"이라고도 합니다.

디퍼런셜 측정을 수행하는 한 가지 방법은 두 개의 싱글 엔드 프로브를 사용해 두 지점의 접지를 기준으로 측정한 다음 스코프 내에서 해당 전압을 차감하는 것입니다. 이를 "쿼지-디퍼런셜(Quasi-differential)" 측정이라고 합니다.

더 효과적인 방법은 내부 디퍼런셜 증폭기가 탑재된 전용 디퍼런셜 프로브를 사용하는 것입니다. 이 프로브는 두 연결 지점에서의 전압 간 차이에 해당하는 전압을 발생시킵니다. 디퍼런셜 프로브는 몇 가지 이유로 부동 측정에 우수합니다.

• 두 지점 간 전압을 측정할 수 있습니다.
• 공통 모드 노이즈, 즉 두 입력에 공통적인 노이즈를 거부하여 더 높은 정확도를 제공합니다.
• 사고 또는 부주의한 접지 연결로 인한 고전류로부터 기기와 운용자를 보호하는 데 중요한 역할을 합니다.

고난이도 측정 작업에서 액티브 프로브 사용

마지막 사항은 고난이도 측정 작업에 액티브 프로브를 사용하는 것입니다. 앞에서 언급한 바와 같이, 액티브 프로브는 전원이 필요한 부품이 탑재되어 있으며, 보통 프로브 팁에 FET(Field-Effect Transistor, 전계 효과 트랜지스터)가 장착되어 있습니다. 액티브 프로브는 패시브 프로브에 비해 입력 커패시턴스를 크게 낮추도록 설계됩니다. 이와 같이 커패시턴스가 감소된 경우 두 가지 주목할 만한 이점이 있습니다.

• 회로 부하를 최소화하여 오실로스코프에서 측정된 신호를 더욱 충실히 재현하고 회로 작동에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
• 고속 신호를 정확하게 측정하는 데 필수적인 높은 대역폭을 제공하며, 특히 사각파나 펄스파처럼 고주파 성분이 많은 신호를 정밀하게 측정하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

뿐만 아니라, 특정 액티브 프로브는 신호에 상당한 오프셋을 적용할 수 있습니다. 이 기능은 전원공급장치의 리플과 같이 더 큰 DC 신호에 중첩된 작은 AC 신호를 측정할 때 중요합니다.