[ 전자 ] 오실로스코프 아날로그 신호 측정하는 방법

오실로스코프로 아날로그신호를 측정하는 방법을 알아보자

 

왜 아날로그 신호를 측정할 때 출력값과 다르게 측정되는가? 약 2배?

왜  오실로스코프 와 프로브는 1MΩ 로 설정하고 사용하는가?

 

임피던스 매칭이 중요성

임피던스 매칭의 중요성

- 신호 전송 라인의 특성 임피던스와 오실로스코프의 입력 임피던스를 매칭은 측정하는 데 있어 중요함
- 임피던스 불일치

• 신호를 전송하는 케이블의 특성 임피던스(예: 50Ω)  or 출력되는 신호의 임피던스 (예: 50Ω)가 오실로스코프 입력 임피던스(예: 1MΩ)와 맞지 않으면, 신호가 반사되어 왜곡이 발생.
• 특히 고주파 신호나 빠르게 변하는 신호에서 더 많이 발생됨. 

- 임피던스 일치 (매칭) 

• 적절한 터미네이션 저항 (일반적으로 아날로그신호 50Ω )을 사용하면 신호 반사가 최소화되어, 전송된 신호가 원래의 형태를 유지하며 정확히 측정됨.
• 오실로스코프 측정 장비는 임피던스 설정 50Ω 
• Probe 케이블 사용 시 임피던스 설정 1MΩ 고정됨 ( 설명은 아날로그 신호는 함수발생기를 이용해서 대체함 )
  • Board 입력단에 터미네이션 저항( termination resistor)을 추가함( 병렬 연결로 50Ω ).
  • T-어뎁터를 사용하여 외부 50Ω 저항을 병렬도 연결 후 측정. 
  • 아래 그림은 채널 2개를 사용해서 외부저항을 추가해서  or  1 채널을 임피던스 50Ω 설정하는 방법

외부 50ohm 추가

ch1 개를 50ohm 으로 설정후 하는 방법

 

Board 입력단에 터미네이션 저항(  termination resistor) 을 추가 함

 

 

프로브와 임피던스의 원리 ( 왜 프로브와 오실로스코프는  1MΩ을 사용하는가)

- 함수 발생기 출력 설정 : 1 V (source) /  (  50Ω 부하 기준 ) - 50Ω 부하 기준에서 1V를 출력한다는 말 

  출력 임피던스 :  50Ω (source)  

  프로브 입력 임피던스 : 1 MΩ ( 무한대에 가깝다고 가정)

 

전압 분배 공식 

V(load) = V (source) *  R(load) / ( R(source) + R(load))

 

부하 50Ω  (load)

= 1V * 50 Ω (load)  / 50 Ω (source) +  50 Ω (load)

= 1 * 50/100 = 1* 1/2 = 1* 0.5 = 0.5V  

 

부하 1MΩ  (load)

= 1V * 1MΩ  (load)  / 50 Ω (source) +  1MΩ  (load)

= 1 * 1MΩ / 1,000,050 Ω = 1* 0.9999500025
= 0.9999500025 V

 

* 1MΩ 일 때는 출력 값 그대로 나타남 ( 높은 임피던스로 인해서 회로에 부하를 최소화하기 위함 )

* 주의! 그러나 함수 발생기의 특성!!! 꼭 참고 50Ω 부하 기준에서 1V를 출력한다!! 함수발생기의 보상 값이 존재 

함수발생기 ( FG: Function Generator) 특성

-  출력 전압 = 1V로 설정된 경우:
이는 함수발생기  출력 단자에 50Ω 부하가 연결되었을 때, 부하에 정확히 1V가 걸리도록 신호를 출력함!

(즉  50Ω 부하를 기준으로 동작  /  측정 시 외부 부하 저항 50Ω 을 추가 해야 됨 = 그렇지 않으면 2배로 측정됨 )

- 이유는 고주파 신호 전송에서 신호 반사와 왜곡을 방지하기 위함.

- 외부 부하에 따라서 결과

• 50Ω 부하가 연결된 경우:  부하 저항과 함수발생기의 출력 임피던스가 매칭되어, 설정값과 동일한 전압이 부하에 나타남.
• 1MΩ (오실로스코프) 부하가 연결된 경우: 부하 임피던스가 매우 크기 때문에 전압 분배가 거의 발생하지 않음. 이 경우 함수발생기의 전체 출력 전압이 부하에 걸림. 즉, 설정값의 2배가 오실로스코프에서 측정.
  
  

오실로스코프의 입력 임피던스가 1MΩ일 때, 외부 50Ω 저항이 병렬로 연결되면 1MΩ이 거의 무시되는 이유

- 병렬연결의 원리 

- Rz 임피던스 (  Z / 합성저항 )

- R1 외부 저항: 50 Ω    

- R2 오실로스코프 :  1M Ω = 1,000,000 Ω

 

 Rz=  1 / (1/ R1 + 1/R2)

 = 1/ (1 /50 + 1/ 1,000,000)  ->   1/50 = 0.02 //  1/ 1,000,000 = 0.000001

= 1/ ( 0.02 + 0.000001 ) = 약 : 1 / 0.02 = 약 50 Ω

 

즉 1M ohm의 기여는 매우 작기 때문에 전체 병렬 저항은 외부 저항 50 Ω 에 매우 가까움.

병렬연결에서 전류가 대부분 작은 저항(50Ω) 쪽으로 흐르게 됨.

단!! 저항 소모전력 꼭 확인 ( P(W) = V*I = V*V/R ) 

ex) V = 2 V ,  R = 50 Ω , P = 0.08 W

 =  2*2 / 50  = 4/50 = 0.08 W ( 약 W = 최소 2배를 선정해야 됨 )

 

https://donggreen.tistory.com/entry/%EC%A0%80%ED%95%AD-resistor-%EC%84%A0%EC%A0%95%ED%95%98%EB%8A%94-%EB%B0%A9%EB%B2%95

[ 저항 ] resistor 선정하는 방법

 

마무리

오실로스코프를 사용 꼭 입력되는 신호의 임피던스를 확인 하자 매칭이 잘 못될 때 측정값에 문제가 생긴다.

오실로스코프 와 프로브가 1MΩ 인 이유는 높은 임피던스로 인해서 회로에 부하를 최소화하기 위해서 이다.

 

주의! 대체적으로 아날로그 50 Ω  / 영상과 오디오 신호 75 Ω임