[1]실험 목적
이 실험을 통해 다음을 할 수 있도록 한다.
1. 오실로스코프를 구성하는 네 가지 주요 제어부에 대해 설명한다.
2. 오실로스포코프로 직류전압과 교류전압을 측정한다.
[2]실험 재료
없음
[3]이론 요약
오실로스코프는 여러 분야에서 널리 사용되는 계측기로 회로의 전압을 그래프(시간의 함수)로 보여준다. 오실로스코프에는 아날로그 타입과 디지털 타입의 두 종류가 있다. 디지털 오실로스코프는 파형처리, 자동측정, 파형저장, 인쇄와 같은 우수한 측정능력을 갖추고 있으므로 오랫동안 사용되어온 아날로그 오실로스코프를 빠르게 대체하고 있다. 아날로그 타입이든 디지털 타입이든 운용방법은 비슷한데, 디지털스코프 가운데는 메뉴 방식으로 스코프 화면에 정보를 표시하며 자동설정 기능을 갖춘 것도 있다.
오실로스코프에 들어있는 모든 조정장치들과 특징을 여기에서 모두 다루기에는 지면이 모자라므로 줄여서 설명하기로 한다. 대신 이것들을 자세히 알 수 있도록 이 책의 부록에 수록한 ‘오실로스코프 사용법’을 꼭 읽어보기 바란다. 여러분들이 사용하는 오실로스코프의 ‘사용설명서’나 ‘제조회사의 웹사이트’를 찾아보면 더 많은 내용을 알 수 있다.
아날로그 스코프와 디지털 스코프에 들어있는 여러 조정장치들을 기능에 따라 크게 네 가지 부분으로 나누어 볼 수 있는데 자동측정기능이 있는 스코프를 사용하더라도 이 조정장치들에 대해서 확실히 알아두어야 한다. 이 실험에서는 일반적인 아날로그스코프에 대해 설명하기로 한다. 여러분들이 디지털스코프를 쓰는 경우라도 여기서 설명하는 조정장치의 조작방법과 크게 다르지 않을 것이다.
측정파형의 표시를 위해서 아날로그 스코프와 디지털 스코프가 처리하는 방식은 서로 다르지만 이들이 갖추고 잇는 네 가지 기능부와 주요 조정장치들은 똑같다. <그림17-1>에 이 네 가지 기능부로 이루어진 스코프의 구성도를 나타내었다.
스코프의 조정장치들은 대개 기능부별로 한곳에 모아놓는다. 보통 색깔을 넣거나 선을 그어 각 부분을 쉽게 구별할 수 있도록 한다. 여러분들이 사용할 스코프의 조정장치들을 기능부에 따라 나누어 살펴보자. 먼저 표시제어부에는 INTENSITy, FOCUS, BEAMFINDER와 같은 조정장치가 속하게 된다. 수직축제어부에는 입력결합방식을 선택하는 COUPLING, VOLTS/DIV, 수직축 위치를 조정하는 POSITION, 채널을 선택하는 CH1과 CH2와 DUAL, 그리고 ALT와 CHOP 같은 조정장치가 속한다. 트리거제어부에는 MODE, SOURCE, TRIGGER COUPLING, TRIGGER LEVEL, 과 같은 조정장치가 속한다. 수평축제어부에는 SEC/DIV, MAGNIFIER, 수평축 위치를 조정하는 POSITION과 같은 조정장치가 속한다. 이 조정장치들에 대한 설명은 이 책에 뒤에 실은 ‘오실로스코프 사용법’과 제조사에서 만든 ‘오실로스코프 사용설명서’에 나와 있다.
이처럼 많은 조정장치들이 있으므로 처음에는 아날로그 스코프의 화면에 밝은 수평선이 나타나도록 조정하는 것이 어려울 수도 있다. 화면에 선이 나타나지 않으면 먼저
SEC/DIV를 0.1ms/div로, 트리거 MODE를 AUTO 로, 채널을 CH1로 맞추고 BEAM FINDER 스위치를 눌러본다. BEAM FINDER 스위치를 계속 누르면서 수직축 POSITIION과 수평축 POSITION 손잡이를 돌려가며 휘선이 화면의 가운데에 놓이도록 조정한다. 이렇게 해도 화면에 아무것도 나타나지 않으면 INTENSITY 조정손잡이를 돌려본다. 종류에 따라서는 BEAM FINDER 스위치가 없는 아날로그 스코프도 있는데, 이때에도 BEAM FINDER를 뺀 나머지 방법을 그대로 쓰면 된다. 디지털 스코프는 대개 자동설정기능에 의해 스스로 조정장치를 맞추므로 BEAM FINDER 스위치가 없다.
오실로스코프는 시간에 따라 변하는 전압의 값을 그래프의 형태로 보여주므로 교류전압을 측정하기에 편리하다. 그렇지만 스코프로 측정한 값과 전압계나 멀티미터로 측정한 값 사이의 관계를 주의 깊게 살펴보아야 한다. 멀티미터는 정현파 교류의 측정값을 실효값으로 나타낸다. 교류파형의 실효값은 같은 양의 전기적인 일을 할 수 있는 직류의 크기를 나타내는 것으로, 어떤 직류의 크기가 교류의 실효값과 같으면 이 직류와 교류를 똑 같은 부하에 공급할 대 같은 양의 열이 발생한다. 스코프에서는 측정값을 피크-대-피크값으로 읽는 것이 가장 쉽다. 피크-대-피크값과 멀티미터에서 사용하는 실효값 사이의 관계를 <그림17-2>에 나타내었다.
스코프들 중에는 화면에 나타난 전압파형의 피크-대-피크값은 물론 실효값을 사람이 읽을 필요 없이 스스로 측정하여 표시해주는 것도 있다. 이렇나 스코프에는 수평커서와 수직커서가 있다. 이렇게 자동화된 스코프로 측정한 정현파교류의 실효값 속에는 교류에 직류오프셋 값이 들어갈 수도 있으므로 주의해야 한다. 직류성분이 실효값을 측정하는 데 포함되는 것을 막으려면 입력결합방식 선택스위치인 COUPLING을 AC로 맞추면 된다.
교류파형이 정현파 모양이 아니면 스코프와 멀티미터로 측정한 값을 곧바로 비교할 수 없다. 교류파형에 수평선을 그으면 파형이 위아래로 나뉘는데 이 선의 높이를 잘 맞추면 위쪽과 아래쪽 파형의 넓이가 같아지게 할 수 있다. 이때 수평선의 높이가 바로 교류파형의 직류성분이다. 정현파 교류파형의 직류성분은 언제나 파형의 최댓값과 최솟값의 한 가운데를 지나므로 이 두 값의 평균값이 된다. 멀티미터의 기능을 직류전압모드로 맞추면 교류파형의 직류성분을 정확하게 잴 수 있는데, 실효값과는 달리 직류성분은 교류파형이 정현파가 아닌 어떤 모양을 갖더라도 직류성분을 정확하게 잴 수 있다.
같은 모양이 되풀이되는 주기적인 파형이라면 이 파형이 위 아래로 움직이는 폭을 ‘피크-대-피크값, 진폭, 실효값, 평균값’의 네 가지 항목으로 나타낼 수 있다. 피크-대-피크값은 위아래로 움직이는 전체 진동 폭을 말하는 것으로, 파형의 직류성분은 이 값에 아무런 영향을 주지 않는다. 진폭은 파형의 직류성분과 이 성분에서 최대로 벗어난 점 사이의 폭으로 피크-대-피크값의 절반이 된다.
오실로스코프 측정에서 중요한 부분을 차지하는 것이 프로브이다. 제조회사에서 스코프와 함게 제공하는 프로브에는 보통 정해진 비율로 입력신호파형의 크기를 줄이는 기능이 들어 있으므로 감쇠 프로브라고 한다. 가장 흔한 것이 ⅹ10프로브로 입력신호의 크기를 1/10로 줄인다. 오실로스코프로 측정을 하기 전에는 프로브가 제대로 보정되어 있는지 확인해보는 것이 좋다. 보정이 제대로 되어 있다는 것은 측정시스템을 이루고 있는 ‘스코프와 프로브’의 주파수 응답특성이 평탄한 것을 뜻한다. 프로브 안에는 작은 가변 커패시터가 들어 잇다. 사각형 모양의 전압파형을 측정할 때 스코프화면에 나타나는 파형의 모서리가 둥글거나 삐죽 솟게 되면 완벽한 직각이 되도록 나사를 돌려 가며 커패시터의 값을 조정한다. 이처럼 프로브 보정을 할 수 있도록 오실로스코프 안에는 보통 사각여의 파형 발생기가 들어있다.
[4]실험 순서
1.스코프의 앞쪽 판에 달려있는 여러 조정손잡이와 스위치의 기능을 다시 한 번 살펴본다. 이제 스코프를 켠다. 채널을 CH1로 선택하고 SEC/DIV 0.1ms/div로, 트리거 MODE를 AUTO로 맞춘 다음 화면에 밝은 수평선이 나타나는지 확인한다. 요즘에 나온 신형스코프는 대부분의 조정과 측정을 자동으로 하지만 수동으로 조정하고 측정하는 것을 배우는 것이 앞으로 많은 도움이 될 것이다.
2.직류전원공급기를 켜고 출력전압이 1.0V가 되도록 멀티미터로 맞춘다. 이제 다음 순서대로 전원공급기에서 나오는 직류전압을 스코프로 측정해보자.
(a) 입력결합방식 선택스위치인 COUPLING을 GND로 맞춘다. 이렇게 하면 채널 입력이 끊어져 스코프 안으로 들어가지 못한다. 수직축 POSITION 손잡이를 돌려서 휘선이 스코프화면의 아래쪽 줄에 놓이도록 맞추어라. 바로 이 위치가 전압측정의 기준이 되는 기준접지가 된다.
(b) CH1의 VOLTS/DIV을 0.2v/div로 맞추어라. VOLTS/DIV 손잡이로 둘러싸인 안쪽의 작은 VARIABLE손잡이가 CAL 위치로 맞추어져 있는지 확인하여라. 이것이 제대로 되어 있지 않으면 측정값이 틀리게 된다. 디지털스코프에는 이 VARIABLE 손잡이가 없다.
(c)전원공급기의 두 출력단자 가운데 (+)단자에 프로브의 팁 단자를, (-)단자에는 프로브의 접지 단자를 연결한다. 그러면 화면의 휘선이 5칸 위로 올라갈 것이다. 0.2v/얖에 의해 한칸이 0.2V가 되도록 맞추었으므로 5칸이 올라가면 ‘0.2V/divⅹ5div=1.0V’가 되어 전원공급기에 나오는 직류전압 1.0V가 측정된다. 계산과정을 살펴보면 div가 서로 약분되어 V단위만 남는 것을 알 수 있다.
3.직류전원공급기의 전압을 <표17-2>에 수록한 값으로 맞추어라. <순서2>의 측정방법을 참고로 하여 전원공급기의 전압을 스코프로 측정하여라. 측정값을 더욱 정확하게 읽으려면 휘선이 될 수 있는대로 많이 움직여 기준접지위치에서 멀리 벗어날 수 있도록 VOLTS/DIV 값을 맞추어주어야 한다. 스코프로 측정한 값과 계측기로 측정한 값 사이의 오차는 3%보다 작아야 한다.
4.이제 교류전압을 측정하기로 한다. 측정을 시작하기 전에 스코프 프로브의 보정을 확인해보는 것이 좋다. 프로브 보정을 시작해보자. 먼저 VOLTS/DIV를 0.1V/div로, AC/GND/DC를 DC로, SEC/DIV를 0.2ms/div로 맞춘다. 프로브의 팁 단자를 스코프에 달려있는 보정신호출력단자에 연결한다. 스코프 화면에 윗면이 평평하고 모서리가 직각인 완전한 모양의 사각형 파형이 측정되는지 확인하여라. 그렇지 않으면 프로브의 나사를 돌려 완전한 사각형 모양이 되도록 하여라.
5.교류파형을 만들어내는 함수발생기의 주파수를 1.0kHz로 맞춘다. 함수발생기로 출력되는 교류파형의 크기가 1.0Vrms가 되도록 멀티미터로 맞춘다. , SEC/DIV를 0.2ms/div로, VOLTS/DIV를 0.5V/div로 맞춘다. 프로브의 팁 단자와 접지 단자를 함수발생기에 연결한다. TRIGGER LEVEL 손잡이를 잘 조정하여 측정파형이 흔들리지 않도록 하고 POSITION손잡이로 파형이 화면의 한 가운데에 놓이도록 조정하여라. 화면에는 사인함수 모양의 파형 두 개가 나타나고 이 파형의 피크-대-피크값을 재보면 2.8V가 될 것이다. 이 값을 실효값으로 환산하면 1.0Vrms 가 된다. <그림17-2>에 이 관계가 나타나 있다.
6.멀티미터를 써서 함수발생기에서 출력되는 교류파형의 크기를 <표17-3>에 수록된 값으로 맞추어라. <순서5>의 방법을 참고로 하여 함수발생기에서 출력되는 전압을 스코프로 측정하여라. 표의 첫 줄은 보기이다. 앞서 말한 것처럼 측정값을 더욱 정확하게 읽으려면 될 수 있는 대로 파형이 화면에 크게 나타나도록 VOLTS/DIV 값을 맞추어 주어야 한다.
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