Ⅴ. 주파수 및 파형의 측정

5. 오실로스코프 및 분석기

오실로스코프 : 대단히 빠르게 진행되는 현상이나 과도 현상의 관측 및 파형의 분석 등을 행하는 장치로서, 전기 및 전자 계측 분야에 널리 사용된다.
오실로스코프는 브라운관이라 하는 전자관을 가지고 있다. 브라운관은 일명 음극선과(CRT)이라고도 한다.
음극선은 전자 빔을 의미하는 것으로, 음극선 관 내에는 전자 빔, 즉 가느다란 전자의 흐름이 발생한다.
전자는 음전하를 가지며, 질량이 매우 작으므로 전기장에 의하여 그 운동을 자유로이 제어할 수 있어서 수백 [㎒]의 고주파까지 사용할 수 있다.
여기서는 오실로스코프 및 X-Y기록 계기, 스펙트럼 분석기에 대하여 알아보기로 한다.

(1) 오실로스코프의 원리와 구조

[1] 원리

오실로스코프는 시간, 전압, 휘도의 3요소를 조합시켜 파형을 나타내는데, 예를 들면 사인파를 표시할 때 이 3요소가 각각 어떠한 동작을 하고 있는가를 알아보면, 우선 브라운관에 수평 방향의 편향판에는 직선적으로 변하는 전압을 가해서 전자 빔을 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하도록 편향한다. 이것을 스위프라고 한다.

<그림 5-20>
그림에서 시간(X)과 같이 변화하는 전압을 톱날파라 하는데, 이것을 브라운관의 수평 편향판에 가하고, 수직 편향판에는 표시하고자 하는 전압(Y)을 가한다. 그리고 휘도를 조정하는 전극에 휘도(Z)와 같이 변화하는 전압을 가하면 형광면에는 그림( b)와 같은 파형이 나타난다. 그런데 오실로스코프에서는 시간, 전압, 휘도의 3요소의 결합이 잘 일치해서 시간이 잘 맞는 것이 중요하다. 만일, 3요소가 따로따로 작용한다면 파형이 벗어나 그림(c)와 같이 된다. 따라서, 스위프를 어느 순간에 가동하는가 하는 것이 가장 중요하다.

적당한 구간을 정해 스위프를 반복시키고 있지만 그 스위프는 지금부터 관측하려고 하는 신호의 주기와 일치시켜 반복하지 않으면 정지한 하나의 파형으로써 신호를 포착할 수 없다.

이와 같이 스위프를 반복하는 구간을 시간의 주기에 일치시키는 것을 동기시킨다 하고, 동기한 스위프를 기동하는 것을 트리거라고 한다.

[2] 오실로스코프의 구성

<그림 5-21>
오실로스코프의 구성은 도형을 나타내는 브라운관을 주체로 관측 전압을 수직 증폭기에서 증폭하여 브라운관의 수직 편향에 가해 수직 방향으로 휘점을 움직이게 하고, 동시에 톱날파(시간축) 전압을 수평 증폭기에서 증폭하여 수평 편향판에 가해 수평 방향으로 휘점을 움직인다. 이것은 오실로스코프 내부에서 발생한 시간축 발생 회로이다. 따라서, 수평 증폭기는 외부에서 전압을 가하여 증폭할 수 있다. 전원은 고압과 저압이 있고, 고압은 브라운관의 애노드(플레이트)에 가하고, 저압은 증폭기에 가한다.

[3] 브라운관의 동작

<그림 5-22>
브라운관의 기본적인 구조는 편향판을 사이에 두고 형광면과 전자총으로 배치되어 있다. 전자총은 캐소드에서 열전자가 방사되는데, 그리드라고 하는 전극과 캐소드 사이의 전압을 제어함으로써 휘도를 변화시킬 수 있다. 그 다음은 방사된 열전자를 3극 구조 또는 4극 구조로 형성된 전자 렌즈에 의해 집속하여 하나의 전자 빔으로 만든다. 이 전자 빔을 편향하는 방법에는 자기장을 이용한 방법과 전기장을 이용한 방법 두 가지가 있는데, 각각 전자 편향, 정전 편향이라고 한다.
TV수상관에는 전자 편향형의 브라운관이 사용되지만, 오실로스코프에서는 상당히 빠른 변화로 편향해야 하므로 정전 편향의 브라운관이 이용된다.

형광면은 전자 빔의 충돌 에너지로 발광하는데, 그 형광체에도 여러 가지 종류가 있어 용도에 따라 사용된다. 오실로스코프에서는 녹색이 아닌 청록의 형광색으로 잔광 시간은 90[ms]전후의 것이 일반적으로 이용되며, 특히 느린 현상을 관측할 때에는 잔광 시간이 400[ms]정도의 것이 사용되는 경우도 있다.

(2) 오실로스코프의 기본 측정

오실로스코프의 기본 측정 절차

[1] DC 전압 측정

입력단의 연결 스위치를 GND에 놓고, 영전위(기준전위)위치를 결정한다.
입력 결합 스위치를 DC로 놓은 후 volts/div를 적절히 조정하고, AC-GND-DC전압은 volts/div의 지시값에 이동된 눈금만큼 곱해야 한다.
<그림 5-24>

예) volts/div가 50[mV/div], 4.2[div]일 때 전압은 50[mV/div]×4.2[div]=210[mV]가된다. 만약 10:1프로브를 사용했다면 신호의 실제값은 10배를 곱하여 50[mV/div]×4.2×10=2.1[V]가 된다.

[2] 직류에 교류가 중첩된 전압의 측정

입력 감쇠기의 설정 및 기준선의 위치가 부적당한 때 TRIG 모드가 AUTO 이외일 때에는 과면에 파형이 나타나지 않는 경우가 있다.

전압차를 구하는 방법에서 직류 전압은 VDC=수직 이동 거리[div]×감쇠기 지시값[volts/div]×프로브의 감쇠비

<그림5-25>

[3] 교류 전압의 측정

신호를 입력 단자에 접속하고 입력 결합 스위치를 AC로 하여 보통 스위프가 얻어지도록 각 조정기의 손잡이를 설정한 다음, 파형이 측정되기 쉽도록 volts/div와 스위프 시간(sweep time/div)의 각 손잡이를 조정한다.

다음에 수직 위치로 측정하려고 하는 점을 수평 눈금선의 하나와 일치시키고, 또 측정하는 파형이 관면 내에서 최대가 되도록 volts/div을 조정한다.

<그림 5-26>

[4] 시간의 측정

스위프 시간의 조정은 CAL의 상태로 확정한다.

<그림 5-29>

시간(T)=수평거리[div]×스위프 시간의 지시값[time/div]×수평 확대의 역수
주파수는 주기의 역수 f=1/T

예) 수평거리 6[div], 스위프 시간 1[ms/div]일 때 T=6[div]×1[ms/div]=6[ms]이고, 주파수 f=1/T=1/6[ms]=1/0.006≒166.7[Hz]이다.

[5] X-Y동작을 이용한 리사주에 의한 주파수의 측정

오실로스코프의 수평, 수직 입력에 한쪽의 미지 주파수의 신호를, 다른 한쪽에는 주파수가 판독되는 발진기의 출력 신호를 넣는다. 다음에 발진기의 주파수를 변화시켜 양쪽의 주파수의 비가 정수가 되도록 하면 그림 5-31에 나타낸 바와 같이 리사주 도형이 얻어진다. 이 파형과 발진기의 주파수에서 미지의 주파수를 구한다.

<그림5-31> <그림5-32>

ㄱ. 완전한 사인파 발생기로서 필요한 시험 주파수에서 사인파 신호를 음성 회로에 공급한다.
ㄴ. 피시험 회로의 정상 동작 전위로 신호 발생기의 출력을 조정하고, 필요시에는 오실로스코프를 사용하여 적당히 조정한다.
ㄷ. CH2입력단에 프로브를 연결하여 시험 회로의 출력단에 연결시킨다.

(3) X-Y 기록 계기

X-Y 기록계기는 전위차계식 자동 평형 장치를 X 및 Y의 두 축에 각각 따로 설치하여 X축의 평형 장치는 펜의 운반대를 수평으로 구동시키고, Y축의 평형 장치로는 기록 펜을 수직으로 구동시킨다. 실제의 기록 계기에는 Y축을 시간축으로 전환시켜 사용할 수도 있게 제작된다. 일반적으로 사용되는 X축 또는 Y축에 특정한 파형을 발생하는 함수 발생기의 출력 전압을 걸어준다.
X-Y 기록계의 결점은 가동 기구의 관성이 크기 때문에 응답도가 낮아서 변화가 심한 높은 주파수의 측정을 할 수 없다. 그러므로 변화가 빠른 측정량을 측정, 기록하고 싶을 때에는 오실로스코프를 사용하며, 파형을 나타내고, 사진을 찍어둔다.
최근에는 X-Y 기록계로도 펄스 기술을 이용한 샘플링 변환기를 사용하면 고주파까지도 측정이 가능하게 되었다.

(4) 스펙트럼 분석기

스펙트럼 측정은 피측정 신호에 포함되는 각 주파수 성분이 주파수 축상의 대응된 위치에 진폭의 크기로서 표시되는 것이 일반적이므로 피측정 신호 속에 포함되는 전 주파수 성분을 분석하여 표시하는 것이 가능하다.

이와 같은 측정에 사용되고 있는 측정기로서는 스펙트럼 분석기와 FET분석기가 있으며, FET분석기는 주로 100[㎒]이하의 주파수 분석에 사용된다. 다른 측정기와의 비교로서 주파수 측정기는 피측정 신호 속의 가장 주요한 신호 성분의 주파수만을 측정하는데 비하여, 주파수 분석기는 신호 속의 각 주파수 성분과 그 크기(진폭)라는 두 신호량이 동시에 측정되어 표시되므로 측정량의 물리적 및 정량적인 해석을 명확히 할 필요가 있다. 또, 오실로스코프에서는 입력 신호의 진폭 대 시간 특성을 관측할 수 있는데 반하여, 스펙트럼 분석기는 입력 신호를 각 주파수 성분으로 분해하고, 화면상에 진폭과 주파수 등의 함수로서 표시할 수 있다.

스펙트럼 분석기는 연속파(CW)신호의 스펙트럼 순도, 진폭 변조(AM)신호의 변조도, 주파수 변조(FM)신호의 편차, 임펄스와 랜덤 잡음과 같은 잡음, 그리고 필터의 주파수 응답 등과 같은 여러 종류의 신호로부터 넓고 다양한 정보를 얻는데 사용된다.

[맨위로] [전기전자통신측정]