한경대학교 전기전자제어공학과

유동상 교수

• 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

• 개요

- 프로브는 오실로스코프와 테스트 지점 사이에 물리적, 전기적

연결을 만들어주는 장치

- 프로브는 프로브 헤드, 프로브 케이블, 보상 회로함으로 구성

• 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

• 오실로스코프 (Oscilloscope)

- 시간의 흐름에 따른 전기적 신호의 변화를 직관적으로 알 수 있

도록 화면상에 나타내주는 장비

• 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

• 대역폭(Bandwidth)의 의미?

- 입력되는 신호의 주파수 성분 중 감쇠(3dB=70%) 없이 입력될 수

있는 최대 주파수 를 의미

• 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

• DSO 화면 살펴보기

• DSO 수직축(전압 레벨) 조정 방법

• DSO 수평축(시간축) 조정 방법

• 커서 (Cursor) 기능 사용 파형 분석하기 (수동분석)

• 자동측정 기능 사용 (개별설정)

• 자동측정 기능 사용 (전체설정)

• 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

• Egde 트리거 동작 이해

• 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

• GDS-2102A 전면 패널

• GDS-2102A 후면 패널

• GDS-2102A 디스플레이

• 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