고속화 시대의 계측·프로빙 입문(11) - 패시브 프로브의 성능을 100% 끌어낸다

고속화 시대의 계측·프로빙 입문 - 패시브 프로브의 성능을 100% 끌어낸다

 

주파수 특성 교정 및 노이즈 저감 방법

패시브 프로브의 성능을 100% 끌어낸다

 

 

패시브 프로브는 조정해 두지 않을 경우 바르게 측정할 수 없다

 

1. 패시브 프로브에는 조정 기구가 달려 있다

 

오실로스코프에서 가장 많이 활용되는 프로브는 패시브 프로브이다. 패시브 프로브는 사진 1과 같이 트리머 콘덴서에 의한 조정 기구가 달려 있다. 이 트리머 콘덴서를 확실하게 조정하여 확실하게 관측할 수 있도록 프로브의 주파수 특성을 보정해야 한다.

 

2. 프로브 보정을 실시하지 않으면 상당한 오차가 발생한다

 

프로브는 원래 제대로 보정해서 사용해야 한다. 그러나 옆에 있는 오실로스코프로부터 빌리거나 다른 사람에게 빌리는 등 보정하지 않고 무심코 계측하는 경우가 상당히 많을 것이다.

 

 

 

(1) 디지털 신호에 미치는 영향

디지털 신호를 프로브 보정이 불충분한(보상 부족) 상태로 측정한 것이 그림 1(a), 적절하게 측정한 것이 그림 1(b)이며, 다시 보정이 불충분한(과보상) 것이 그림 1(c)이다. 그림 1(a),그림 1(c)에서는 방형파를 바르게 측정할 수 없다.

 

 

(2) 아날로그 신호에 미치는 영향

프로브 보정의 적절함/부적절함에 따라(그림 1과 같은 조건은 아니다) 정현파 신호(저주파 신호 발생기 출력)를 측정한 것이 그림 2이다. 프로브를 보정하고 측정한 것이 CH₁이고, 보정이 불충분한 상태로 측정한 것이 CH₂이다. 약 24%의 전압 오차가 발생했다. 이렇게 되면 아무리 계측계가 확실하다고 해도‘확실성 높은 계측’을 실현할 수는 없을 것이다.

 

시뮬레이션으로 확인! 패시브 프로브 보정의 영향

 

보정하지 않고 쉽게 측정 대상에 패시브 프로브를 접속하여 계측하면 그림 1, 그림 2와 같이 계측에 오차가 발생한다. 그래서 프로브 보정이 어느 정도 어긋나 있을 때 주파수 특성 으로서 오차가 어떻게 발생하는지 시뮬레이션해 본다.

 

1. 케이블 용량까지 포함한 패시브 프로브의 등가 회로와 주파수 특성

 

 

그림 1에 나타난 보정이 부적절할 때의 파형과 프로브의 사양서를 토대로 패시브 프로브의 등가 회로상수를 그림 3과 같이 추정하여(프로브 케이블 용량 포함) 시뮬레이션해 보았다. 그림 4는 그 결과이다. 그림 1에 나타난 각각의 상태(부족, 적정, 과도)에서의 주파수 특성을 구해 보았다.

보정하지 않고 프로브를 적당히 오실로스코프에 접속하여 계측하면 큰 오차가 발생한다는 것을 알 수 있다. 오차는 주파수 특성을 갖고 있어 쓸데없이 귀찮다. 계측하기 전에 프로브 특성을 확실히 보정해야 한다는 것을 알 수 있다.

 

2. 패시브 프로브에는 사용할 수 있는 한계 주파수가 있다

 

그렇지만 단순히 프로브를 적절하게 보정해 두기만 한다고 되는 것은 아니다. 계측하는 신호가 고속으로 되면 다음과 같이 문제가 발생하므로 패시브 프로브를 쉽게 이용해서는 안된다.

 

시뮬레이션으로 확인! 패시브 프로브를 사용할 수 있는 상한은 100MHz 정도

 

1. 그라운드 리드와 입력 용량을 더한 패시브 프로브의 등가 회로

 

 

고속 신호 계측에서는 그라운드 리드가 상당한 문젯거리이므로 영향을 고려해야 한다. 그림 5는 입력 용량과 그라운드 리드를 포함한 패시브 프로브의 등가 회로 모델이다. 여기서 그라운드 리드는 100nH(100mm 정도)의‘인덕턴스’로 상정했다. 100nH는 10MHz에서 6Ω의 리액턴스, 즉 저항 상당량에 의해 계측에 영향을 줄 가능성이 생긴다.

회로의 그라운드와 계측계(오실로스코프)의 그라운드가 ‘10MHz에서는 6Ω의 저항으로 분리되어 있다’고 생각하면 ‘과연 바르게 계측되고 있는 것일까?’라고 직감적으로 불안을 느끼게 될 것이다.

 

2. 100MHz 주변부터 특성이 평탄해진다

 

이 등가 회로 모델을 사용하여 패시브 프로브 끝에서부터 오실로스코프의 입력까지 주파수 특성(전달함수)을 시뮬레이션한 결과가 그림 6이다.

 

 

여기서도 그림 3과 마찬가지로 프로브 케이블 용량을 포함하여 계산했다. 또 케이블 부분에 대해서는 집중상수로서(분포상수로서가 아니라) 취급했다.

100MHz 정도부터 진폭 레벨이 커지며(폭주하기 시작) 높은 주파수 대역까지 평탄해지지 않았다. 이렇게 하면 100MHz 이상의 고속 신호를 적은 오차로 적절하게 계측하는 데 상당히 문제가 있다는 것을 알 수 있다.

 

그라운드 리드의 루프는 가급적 작게 한다

 

1. 그라운드 리드를 포함하여‘코일’이 된다

 

 

패시브 프로브의 그라운드 리드는 인덕턴스라고 설명했다. 뿐만 아니라 그라운드 리드가 접속된 프로브 끝 부분은 사진 2와 같이 프로브 끝에서 그라운드 리드까지 루프가 나와 있다. 이것이‘원턴 코일’을 형성해 버린다.

이 루프 안을 외부 자계(예를 들면 기판 위의 별도 회로에 흐르는 전류에서 발생한 자계)가 통과하면 이 외부 자계의 변동 주파수와 루프 면적에 비례하는 유도전압이 프로브 끝 부분(원턴 코일)에 발생해 버린다.

 

2. 고속 신호에 의해 발생하는 자계가 유도 노이즈로서 나타난다

 

 

결국 이 유도 전압이 계측하는 신호에 대해 노이즈(유도 노이즈)로 되어 부가된다 … 패시브 프로브로 픽업되어 버리는 것이다. 의외로 이 문제를 신경쓰지 않고‘이상한 노이즈가 많다’고 생각할 수도 있다. 그래서 실제로 사진 3과 같이 셋업하여 이 유도 노이즈 모습을 재현시켜 보았다.

여기서는 500kHz의 측정 대상 파형에, 방형파와 가까운 50MHz의 신호를 외부 자계로서 유도 노이즈원이 되도록 부여해 보았다.

 

 

그림 7(a)은 유도 노이즈원을 OFF한 결과이고 그림 7(b)은 50MHz의 노이즈원을 ON하여 외부 자계를 부여한 경우이다. 외부 자계의 주파수가 높아지면 계측계에 유도 노이즈(패시브 프로브로 픽업하는 노이즈)가 나타난다.

 

패시브 프로브를‘개방’으로 하여 그라운드 리드를 짧게 한다

 

1. 패시브 프로브를 제각각 사용하는 비법

 

지금까지 설명해온‘인덕터’문제를 모두 해결하는 방법은 다음과 같다.

• 그라운드 리드가 인덕턴스로 되므로 고주파에서 특성이 평탄해지지 않는다

• 루프(원 턴 코일)에 의한 유도 전압

 

 

그것은 사진 4(a)와 같이 이 프로브를 개방하여 프로브 칩주위의 도체 금속을 그라운드 리드 대신 사용하는 방법이다. 사진 4(b)는 실제로 측정하는 모습이다. 프린트 기판의 그라운드 패턴 측에 금속 탭을 세우고, 이곳을 기판의 그라운드와 프로브 주위의 도체 금속과의 접점으로 한다. 이로써 그라운드 리드의 인덕턴스가 작아지고 루프(원턴 코일)도 없어져 유도 노이즈가 작아질 것이다.

이 방법을 모든 프로브에서 실현할 수 있는 것은 아니다. 이번 연재에서 이용한 P6139A에서 가능한 방법이다. 또한, 프로브 메이커에서 권장하고 있는 것도 아니다. 일례라고 생각하기 바란다.

 

2. 실험!‘개방’프로빙의 효과

 

그렇다면 프로빙한 파형을 살펴보자. 대전류가 흐름으로써 발생하는 방사 자계의 묶음, 스위칭 전원 회로(ADP1870 ARMZ-0.6-R7 평가 보드)의 출력 리플 전압을 측정했다.

 

 

그림 8(a)은 P6139A를‘그 상태에서 그라운드 리드가 있 음’으로 프로빙한 것이다. 방사 자계에 의한 유도에서 큰 유도 노이즈를 볼 수 있다.

한편, 그림 8(b)은 사진 4(b)와 같은 방법으로 프로빙한 모습이다. 노이즈가 급격히 감소하고 있다는 것을 알 수 있다. 그만큼 파형이 다른 것이다. 이 프로빙 방법이라면 지금까지 설명한 프로브에서 발생하는 ‘인덕터’로서의 2가지 영향을 이론적으로 거의 없앨 수 있다.

다음 회에는 간이 액티브 프로브를 직접 제작하여 계측 대 상에 영향을 주지 않고 고속 신호를 계측하는 방법 등에 대해 소개한다.

 

디지털 오실로스코프만 갖고 있는 주의점

 

주제와는 다소 거리가 있다고 생각되지만, 일반적인 디지털 오실로스코프로 계측할 때의 주의점에 대해 소개한다.

 

1. 에일리어싱이 원인이 되어 바르게 측정할 수 없다

 

 

디지털 오실로스코프를 이용할 경우 샘플링 속도의 1/2보다 높은 주파수를 계측하면 다른 낮은 주파수로 보이게 된다. 본래 파형의 변화에 대해 샘플링 속도가 따라가지 못하기 때문이다. 이것을‘에일리어싱’이라고 한다. 구조는 그림 9와 같다. 이렇게 되면 계측의 확실성은 완전히 없어진다.

 

 

그림 10은 마이컴용 33MHz의 클록 발진기를 관측한 경우, 에일리어싱으로 인해 본래 주파수 33MHz가 표시되지 않는 모습이다. 알고 있어도 깜빡하기 쉬우므로 주의하자.

 

2. FFT 기능으로 측정할 수 있는 다이내믹 레인지는 40∼50dB 정도

 

최근의 디지털 오실로스코프에는 계측한 신호, 즉 시간축정보를 주파수축 정보로 변환하는 FFT(Fast Fourier Transform) 기능이 많은 기종에 실장되어 있다. 이 FFT 기능을 사용하여 주파수 특성을 계측할 경우 다이내믹 레인지를 넓게 취하기 어렵다.

(1) 샘플링률을 높이면 최고 주파수가 높아진다

 

 

계측한 시간축 정보(신호)와 그것을 FFT한 주파수축 정보에는 그림 11과 같은 관계가 있다. 샘플링 속도를 높이면 FFT의 최고주파수가 높아지고 샘플링하는 시간을 길게 하면 FFT 주파수 분해능을 높일 수 있다.

따라서 FFT를 사용하여 원하는 최고 주파수나 주파수 분해능을 얻기 위해서는 그림 11의 관계를 충분히 이해하고 계측하는(오실로스코프를 설정하는) 것이 포인트이다.

(2) 동일한 시간축 스케일이라도 샘플링 길이를 늘리면 노이즈가 감소되므로 다이내믹 레인지가 넓어진다

시간축 스케일(샘플링률)이 같아도 샘플링 길이(메모리 길이)를 늘리면 오실로스코프 내부에서 발생하는 노이즈 성분이 필터링된 것처럼 되기 때문에 어느 정도는 노이즈 플로어를 줄일 수 있다.

노이즈 플로어란‘노이즈의 바닥’이라는 의미로 내부 노이즈 등에 의해 발생하는, 소거되지 않는 일정량의 노이즈이다. 측정기의 계측 한계도 이 노이즈 플로어가 한계점이다. 노이즈 플로어를 줄일 수 있으면 측정할 수 있는 신호의 다이내믹 레인지가 향상된다.

(3) 다이내믹 레인지를 40∼50dB보다 넓게 하려면 스펙트럼 애널라이저를 사용한다

그러나 오실로스코프에서 이용되고 있는 A-D 컨버터는 6∼10비트 정도인 것이 많기 때문에 측정기 내부 노이즈나 양자화 노이즈 등을 포함하여 40∼50dB 정도의 다이내믹 레인지가 좋다.

본래 이러한 경우의 계측에서는 일반적으로 80dB∼100dB의 다이내믹 레인지가 요구된다. 이와 같은 점에서 역시 스펙트럼 애널라이저를 이용하여 계측하는 것이 최적이라고 생각된다.

 

 

대부분의 프로브가 관측 신호를 1/10로 감쇠시키는 이유

 

패시브 프로브는 오실로스코프 계측에서 가장 일반적인 것이다. 액티브 소자가 들어 있지 않으므로 전원 공급도 필요 없어 간단하게 사용할 수 있으며 정밀도도 유지하기 쉽다.

대부분의 패시브 프로브는 10 : 1로 저항 분압되어 있기 때문에 측정 대상 회로에 대해 10MΩ의 높은 임피던스로 된다(단 직류에서 저주파까지). 측정 대상에 영향을 주지 않고 계측할수 있다. 10 : 1에서 입력 신호가 1/10로 감쇠하므로 높은 전압 레벨도 안정적으로 계측할 수 있다. 또한, 오실로스코프 화면 상에서의 값도(1/10이므로) 편하게 판독할 수 있다.

오실로스코프의 입력 단자에는 용량 성분이 있다. 10 : 1로 분압하는 회로에 병렬로 (조정용)용량을 부여하면 프로브 보정 회로를 만들 수 있으므로 프로브 주파수 특성을 고역까지 평탄하게 유지할 수 있다.

그러나 주파수가 높아지면 프로브 끝 부분의 입력 용량 문제 등이 현저해지므로 100MHz 정도의 주파수 이하에서 사용하는 것이 현실적일 것이다.

 

참고문헌

 

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=002&idx=10605