오실로스코프 프로브의 종류와 사용법 안내

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이 글에서는 다양한 프로브의 종류와 용도에 대해 소개합니다. 프로브란 무엇인가: 오실로스코프는 전자 엔지니어들이 가장 많이 사용하는 측정 장비이며, 오실로스코프 프로브는 의심할 여지 없이 오실로스코프에서 가장 자주 사용되는 부품입니다.오실로스코프 프로브는 측정 대상 회로와 오실로스코프 입력단을 연결하는 전자 부품입니다.프로브가 없으면 오실로스코프는 그저 장식품에 불과해져서, 단지 장식용으로만 사용될 수 있습니다.오실로스코프 프로브를 선택하기 전에, 사용하는 오실로스코프의 설명서를 살펴보아 어떤 종류의 프로브가 적합한지 알아보는 것이 좋습니다.다음 몇 가지는 프로브를 선택할 때 중요하다고 생각됩니다: 프로브의 인터페이스가 우리 오실로스코프의 인터페이스와 일치하는지 확인해야 합니다.대부분의 오실로스코프의 프로브 인터페이스는 BNC 인터페이스입니다.일부 오실로스코프는 SMA 인터페이스일 수 있습니다. 선택한 프로브의 입력 임피던스와 커패시턴스가 오실로스코프의 입력 임피던스와 커패시턴스와 일치하는지 확인하십시오.우리 모두는 테스트 대상인 회로에 미치는 프로브의 영향을 최소화하고 싶기 때문입니다.프로브의 임피던스와 커패시턴스가 오실로스코프와 얼마나 잘 맞는지가 **측정 신호의 정확도에 영향을 미칩니다.** https://pic3.zhimg.com/80/v2-5bcc1dd26e801a485478a93e375933d6_720w.jpg BNC 인터페이스
https://pic2.zhimg.com/80/v2-9b2be07c20c56635b4b4f44e105f3bd9_720w.jpg SMA 인터페이스
일부 오실로스코프는 50 Ω 또는 1 MΩ의 입력 임피던스를 전환할 수 있습니다.하지만 대부분의 측정에서는 1 MΩ가 가장 흔하게 사용됩니다.50Ω의 입력 임피던스는 마이크로파와 같은 고속 신호를 측정하는 데 자주 사용됩니다.또한 논리 회로의 신호 전송 지연과 회로판 임피던스 측정 등도 있습니다.오실로스코프의 입력 임피던스는 보통 1 MΩ 또는 50 Ω로 고정될 수 있지만, 입력 커패시턴스는 대역폭과 기타 설계 요소들의 영향을 받습니다.일반적으로 1 MΩ 임피던스의 오실로스코프의 흔한 입력 커패시턴스는 14pF입니다.이 수치도 5pF에서 100pF 사이일 수 있습니다.따라서 프로브가 오실로스코프의 입력 커패시턴스와 맞도록 하려면, 프로브를 선택하기 전에 그 프로브의 커패시턴스 범위를 미리 알아야 합니다. 그런 다음 교정용 바를 이용해 프로브의 커패시턴스를 조절하는데, 이것이 바로 프로브의 보상 과정이며, 프로브를 사용할 때 반드시 주의해야 할 첫 번째 단계입니다.https://pic3.zhimg.com/80/v2-14b29ac4ba9de82d2878ffa2b6715896_720w.jpg 그렇다면 우리에게는 몇 개의 센서가 필요한가요? 그리고 어떤 종류의 센서가 필요한가요?우리의 측정 요구에 따라 프로브의 수와 종류에 대한 요구도 달라집니다.이건 DSLR을 사용하는 사람과 비슷한데, 아마 그 사람은 카메라가 하나뿐일 수 있지만, 렌즈는 여러 개를 가지고 있는 경우가 많습니다.예를 들어, 단순히 직류 전압을 측정하는 경우라면 1 MΩ의 수동 프로브면 충분합니다.그러나 전원 시스템 테스트에서 자주 측정이 요구되는 3상 전력 공급에서의 상선과 상선 사이, 또는 상선과 중성선 사이의 상대 전압 차이를 측정할 경우에는 차동 프로브가 필요합니다.https://pic1.zhimg.com/80/v2-ab82fabf5b83f636af4748700653c0d0_720w.jpg 차분 프로브, 수동 프로브. 수동 프로브는 가장 흔한 유형의 프로브로, 일반적으로 오실로스코프를 구입할 때 제조업체가 몇 개를 기본으로 함께 제공합니다.일반적인 수동형 프로브는 프로브 헤드, 프로브 케이블, 보상 장치 또는 기타 신호 조절 네트워크와 프로브 연결 단자로 구성됩니다.이러한 유형의 프로브에는 트랜지스터나 앰프와 같은 액티브 소자가 사용되지 않으므로, 프로브에 전력을 공급할 필요가 없습니다.전반적으로, 수동형 프로브가 더 흔하고 사용하기도 쉬우며 가격도 저렴합니다.일반적인 수동형 프로브의 조절 가능한 감쇠 비율은 다음과 같습니다: 1×: 감쇠 없음, 10×: 10배 감쇠, 100×: 100배 감쇠, 1000×: 1000배 감쇠. 수동형 전압 프로브는 다양한 전압 범위에 맞게 여러 가지 감쇠 계수를 제공합니다.이러한 패시브 프로브 중에서 10× 패시브 전압 프로브가 가장 자주 사용되는 프로브입니다.신호 진폭이 1V 피크투피크 이하인 애플리케이션의 경우, 1× 프로브가 더 적합할 수 있으며, 심지어 필수적일 수도 있습니다.저진폭 및 중진폭 신호가 혼합된(수십 밀리볼트에서 수십 볼트) 응용 분야에서는 1×/10× 프로브를 전환하는 것이 훨씬 편리합니다.하지만, 1×/10× 프로브를 전환할 수 있는 것은 본질적으로 하나의 프로브 안에 두 개의 서로 다른 프로브가 있는 것이며, 감쇠 계수뿐만 아니라 대역폭, 상승 시간, 그리고 임피던스(R와 C) 특성도 서로 다릅니다.따라서 이러한 프로브들은 오실로스코프의 입력과 완전히 일치하지 않아, 표준 10× 프로브가 제공하는 최적의 성능을 얻을 수 없습니다.프로브 감쇠는 내부 저항을 통해 오실로스코프의 전압 측정 범위를 확장하는 것으로, 이 내부 저항은 오실로스코프의 입력 저항과 함께 사용될 때 분압기를 형성합니다. 예를 들어, 일반적인 10x 프로브에는 내부에 9MΩ 저항기가 장착되어 있으며, 1MΩ 입력 임피던스를 가진 오실로스코프와 연결될 때 오실로스코프의 입력 채널에서 10:1의 감쇠비가 발생합니다. 이는 오실로스코프에 표시되는 신호가 실제 측정된 신호의 진폭의 1/10이 됨을 의미하므로, 우리는 보통 오실로스코프의 채널 설정에서 감쇠비도 10X로 조절해 주어야 합니다.https://pic1.zhimg.com/80/v2-b1c2775303d05ff02ac85cd6ae76e714_720w.jpg 이 감쇠 기능 덕분에 우리는 오실로스코프의 전압 한계를 초과하는 신호도 측정할 수 있습니다.또한 감쇠 회로는 더 높은 저항(일반적으로는 좋은 현상)과 더 낮은 커패시턴스를 유발하는데, 이는 고주파 측정에 매우 중요합니다.https://pic1.zhimg.com/80/v2-84e3eaf69fc42a325ca52b2120dacee8_720w.jpg 10X 수동형 프로브의 회로도. 반면, 액티브 프로브는 트랜지스터나 증폭기와 같은 활성 부품들이 포함되어 있어 전력 공급이 필요하기 때문에 액티브 프로브라고 불립니다.가장 흔한 경우, 액티브 장치는 전계효과 트랜지스터(PET)이며, 이는 매우 낮은 입력 커패시턴스를 제공합니다. 낮은 커패시턴스는 더 넓은 주파수 대역에서 높은 입력 임피던스를 유발합니다.액티브 FET 프로브의 규정 대역폭은 일반적으로 500MHz ~ 4GHz 사이입니다.더 높은 대역폭 외에도, 액티브 FET 프로브의 높은 입력 임피던스 덕분에 임피던스가 알려지지 않은 테스트 지점에서도 측정이 가능하며, 부하 효과가 발생할 위험도 훨씬 낮습니다.또한, 낮은 커패시턴스로 인해 접지선의 영향이 줄어들어 더 긴 접지선을 사용할 수 있습니다.액티브 FET 프로브에는 패시브 프로브의 전압 범위가 없습니다.액티브 프로브의 선형 동적 범위는 일반적으로 ±0.6V에서 ±10V 사이입니다.https://pic2.zhimg.com/80/v2-e96bb886ab825fb325891a67bd2763dd_720w.jpg 액티브 프로브, 차동 프로브. 차동 프로브는 차동 신호를 측정합니다.차분 신호는 서로를 기준으로 하는 신호이며, 접지를 기준으로 하는 것이 아닙니다.차분 프로브는 플로팅 소자의 신호를 측정할 수 있으며, 본질적으로는 두 개의 대칭적인 전압 프로브로 구성되어 있어 각각 해당 부위에 대해 우수한 절연 성능과 높은 임피던스를 가집니다.차분 프로브는 더 넓은 주파수 범위에서 매우 높은 공통모드 억제비(CMRR)를 제공할 수 있습니다. 차분 신호와 일반적인 단일 엔드 신호의 배선을 비교했을 때, 가장 두드러진 장점은 다음 세 가지 측면에 있습니다. 첫째, 간섭에 대한 저항력이 뛰어납니다. 두 차분 배선 사이의 결합이 매우 우수하기 때문에, 외부에서 소음이 발생하면 거의 동시에 두 선에 전달됩니다. 그리고 수신 측에서는 두 신호의 차이만을 고려하기 때문에, 외부의 공통 모드 소음을 최대한 상쇄할 수 있습니다. EMI를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 같은 원리로, 두 신호의 극성이 반대이기 때문에, 이들이 방출하는 전자기장은 서로 상쇄됩니다. 결합이 더욱 긴밀할수록 외부로 유출되는 전자기 에너지는 줄어듭니다. 시퀀스 정밀도가 높으며, 차분 신호의 스위칭 변화는 두 신호의 교점에서 일어나기 때문에, 일반적인 단일 엔드 신호가 높고 낮은 두 임계 전압을 기준으로 판단하는 것과 달리 공정이나 온도의 영향을 적게 받습니다. 이로 인해 시퀀스상의 오차를 줄일 수 있으며, 저진폭 신호를 다루는 회로에도 더 적합합니다.현재 널리 사용되고 있는 LVDS란 바로 이러한 소진폭 차분 신호 기술을 말합니다. 차분 증폭 원리란, 두 개의 신호가 동시에 증폭 회로에 입력된 후 서로 빼져서 원래의 신호를 얻는 것을 말합니다.차분 증폭기는 동일한 특성을 가진 두 개의 트랜지스터를 직접 결합하는 방식으로 구성된 증폭기입니다.두 입력단에 크기와 위상이 모두 같은 신호를 각각 입력하면 출력이 0이 되어, 영점 드리프트를 극복할 수 있다.https://pic2.zhimg.com/80/v2-5a7ee42e83fcb4fb943faa210f13ca5d_720w.jpg 차분 프로브의 원리도. 전류 프로브에 대해서는, 전압 프로브를 사용해 전압 값을 측정한 다음 그 값을 측정 대상인 임피던스 값으로 나누면 쉽게 전류 값을 얻을 수 있을 것이라고 생각할 수도 있습니다. 그렇다면 굳이 별도의 전류 프로브를 사용할 필요가 있을까요?실제로 이러한 측정 방식은 매우 큰 오차를 유발하기 때문에, 우리는 일반적으로 전압을 이용해 전류를 환산하는 방법을 사용하지 않습니다.전류 프로브는 전류 변압기를 이용해 입력받은 신호 전류의 자속을 변압기를 통해 전압으로 변환한 뒤, 프로브 내부의 증폭기로 신호를 증폭시켜 오실로스코프로 보내는 방식으로 전류 파형을 정확하게 측정할 수 있습니다.전류 프로브는 기본적으로 두 가지 유형으로 나뉩니다. 교류 전류 프로브와 교류·직류 전류 프로브인데, 교류 전류 프로브는 일반적으로 수동형 프로브이어서 외부 전원 공급이 필요하지 않습니다. 반면, 교류·직류 전류 프로브는 일반적으로 능동형 프로브입니다.전통적인 전류 프로브는 안정된 직류 전류가 변압기에서 전류를 유도할 수 없기 때문에 교류 신호만 측정할 수 있습니다.교류 전류가 변압기 내에서 흐를 때, 전류의 방향이 변함에 따라 전계가 변하고, 그로 인해 전압이 유도된다.그러나 홀 효과를 이용하면, 전류가 편향되는 반도체 장치에서는 직류 전기장에 해당하는 전압이 발생한다.따라서 직류 전류 프로브는 외부에서 전력을 공급받아야 하는 액티브 장치입니다.https://pic1.zhimg.com/80/v2-e2c5d62db7fcb382c6c0dad241da0a4c_720w.jpg 교류 및 직류 전류 프로브 마지막으로, 프로브와 관련된 몇 가지 조언을 살펴보겠습니다: 프로브에 적절한 보상을 적용하기: 서로 다른 오실로스코프의 입력 커패시턴스는 다를 수 있으며, 심지어 같은 오실로스코프 내에서도 다른 채널 간에 약간의 차이가 있을 수 있습니다.이 문제를 해결하기 위해 프로브에 보정 조절을 하는 방법을 익히는 것은 엔지니어가 반드시 숙지해야 할 가장 기본적인 기술입니다. 프로브가 측정 대상 회로에 연결될 때, 프로브의 접지 단자는 반드시 측정 대상 회로의 접지선과 연결되어야 합니다.그렇지 않으면 부유 상태에서 오실로스코프와 다른 장비 또는 지면 사이의 전위차로 인해 감전이 발생하거나 오실로스코프, 프로브 또는 기타 장비가 손상될 수 있습니다. 프로브의 접지선을 측정할 지점에 가능한 한 가깝게 두세요.접지선이 너무 길면 진동이나 오버슈트와 같은 파형 왜곡이 발생할 수 있습니다. 두 테스트 포인트 모두가 접지 전위에 있지 않은 경우에는 “플로팅” 측정, 즉 차분 측정을 수행해야 하며, 이를 위해서는 전문적인 차분 프로브가 필요합니다. 프로브는 오실로스코프의 측정에 매우 중요하며, 우선적으로 프로브가 측정 대상인 회로에 미치는 영향을 최소화해야 하고, 측정값의 신호 충실도를 충분히 유지할 수 있어야 합니다.만약 프로브가 어떤 방식으로든 신호를 변화시키거나 회로의 작동 방식을 바꾼다면, 오실로스코프가 감지하는 실제 신호는 심하게 왜곡되어, 그 결과 잘못된 또는 오해의 소지가 있는 측정 결과가 나올 수 있습니다.위의 설명을 통해 알 수 있듯이, 프로브의 선택과 올바른 사용에는 우리가 주의해야 할 점들이 많이 있습니다.