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오실로스코프(Oscilloscope)의 이해와 올바른 사용법
◎ 오실로스코프의 구조와 각 부분의 기능
오실로스코프는 시간에 따라 빠르게 변하는 전압 신호를 눈으로 확인할 수 있도록 보여주는 장치로서
물리학 실험에서 요긴하게 사용되는 중요한 기기이다.
광범위하게 사용됨에도 불구하고 구조나 기능을 제대로 알지 못하고 사용하는 경우가 많다.
특히 전압 축이나 시간 축을 자체 교정하는 기능과, 전압 감쇄기의 구조, 입력의 직류/교류 결합의 차이,
내부/외부 트리거 신호와 트리거 슬로프, 레벨의 조절, 이중 흔적과 빗 갈린 흔적의 사용 등을 익힌다.
실험에서 사용하는 오실로스코프는 사진과 다소 차이가 날 수 있으나 기본적인 기능은 동일함.
① INTENSITY
스크린 상의 휘점이나 휘선의 밝기를 조절하는데 쓰는 조정기
② FOCUS
스크린 상의 휘점이나 휘선의 초점을 맞추는데 쓰는 조정기
③ ROTATION
지자기 등의 영향으로 휘선이 기울어졌을 때 바로잡는 기능
④ CAL
교정 전압 신호(0.5 Vp-p 1 kHz 사각파형) 출력 단자
⑤ ILLUM
화면의 눈금 조명을 조절함.
⑥ POWER
전원 여닫이
⑦ AC-GND-DC
CH 1의 수직 입력 결합 방식 전환 여닫이
AC - 입력 신호 중 직류 성분은 차단 축전기에 의해 차단됨
GND - 입력 단자는 개방되고 내부 증폭기의 입력은 접지 됨
DC - 입력 단자가 증폭기에 직접 연결됨.
⑧ CH 1 IN
CH 1 의 수직 입력 접속 단자
⑨ V MODE
화면에 파형이 나타나는 방식을 정해주는 여닫이
CH1 - CH 1 의 신호 파형이 나타남.
CH2 - CH 2 의 파형이 나타남.
CHOP - CH 1 과 CH 2 의 신호 파형이 빗갈려(chop) 나타남.
ALT - CH 1 과 CH 2 의 신호 파형이 엇갈려(alternating) 나타남.
ADD - CH 1 과 CH 2 의 신호 파형이 더해져서(addition) 나타남.
⑩ INPUT X
CH 2 용 수직 입력 단자
⑪ AC-GND-DC
CH 2 의 수직 입력 결합 방식 전환 여닫이
⑫ GND
접지(ground) 단자
⑬ VARIABLE/PULL x10
CH 2 용 연속 전압 감쇄기 - 오른편으로 최대로 돌린(CAL) 위치가 교정된 위치이고, 잡아당기면 10 배가 됨.
⑭ COUPLING
트리거 신호의 입력 결합 방식을 선택한다.
AC - 입력 신호 중 직류 성분은 차단 축전기에 의해 차단됨. 일반적으로 사용
HF-REJ - 입력 신호 중 높은 떨기수 성분은 제거됨. 트리거 신호에 고주파 잡음이 많을 때 사용
DC - 입력 단자가 트리거 신호원에 직접 연결
TV-V - TV 내부 신호 중 수직 동기신호를 입력
TV-H - TV 내부 신호 중 수평 동기신호를 입력
⑮ SOURCE
트리거 신호를 선택하는 여닫이
ALT - CH 1 과 CH 2 신호가 교대로 트리거 신호로 사용 됨
CH1 - CH 1 신호를 트리거 신호로 사용 함
CH2 - CH 2 신호를 트리거 신호로 사용함
LINE - AC 전원을 트리거 신호로 사용함
EXT - EXT TRIG IN 단자에 가해진 신호를 트리거 신호로 사용함
16 SLOPE/TV POL
트리거가 일어나는 경사를 선택한다. (+) 는 전압 증가 시, (-)는 전압 감소 시를 의미한다.
17 EXT TRIG IN
외부 트리거 신호의 입력 단자
18 HOLDOFF
PULL NORM - 작은 손잡이를 잡아당기면 보통의 트리거 방식이 됨.
PUSH AUTO - 작은 손잡이를 밀면 자동 트리거 방식이 되어 트리거 신호가 없어도 자유롭게
휩쓰는(free running) 파형이 나타난다.
19 LVEL
트리거가 일어나는 시점의 트리거 전압을 정해주는 조정기로 (+) 또는 (-) 전압을 모두 택할 수 있다.
20 TIME VARIABLE
수평 휩쓸기의 가변 조정기. 맨 오른편 위치가 교정된 위치임.
21 TIME/DIV
수평 휩쓸기의 시간 선택 손잡이 - 스크린 상의 큰 눈금 한 칸에 해당하는 시간 간격을 나타내며
맨 왼쪽 X-Y 위치로 놓으면 X-Y MODE 가 됨.
22 POSITION/PULL x10 MAG
수평 위치 조절 손잡이로 잡아당기면 수평 휩쓸기의 너비가 10배로 확대됨.
23 VOLTS/DIV
CH 2 용 계단식 전압 감쇄기 - 스크린 상의 큰 눈금 한 칸에 해당하는 전압을 나타냄.
24 POSITION/PULL CH2 INV
CH 2 입력 신호의 수직 위치 조정기로서 잡아당기면 극성이 바뀐다.
25 VOLTS/DIV
CH 1 용 계단식 전압 감쇄기 - 스크린 상의 큰 눈금 한 칸에 해당하는 전압을 나타냄.
26 POSITION
CH 1 용 수직 위치 조절 손잡이
27 VARIABLE/PULL x10
CH 1 용 연속 전압 감쇄기 - 오른편으로 최대로 돌린(CAL) 위치가 교정된 위치이고, 잡아당기면 10 배가 됨.
오실로스코프의 핵심은 전압의 크기를 화면(스크린)상에 위치로 나타내 주는 브라운관(또는 음극선관 CRT)이다.
브라운관 안에는 전자빔을 가속시키는 전자총과 수직, 수평 방향으로 움직이는 편향 판들로 이루어져 있다.
편향 판에는 (편향)전압을 가해 주는데 시간에 따라서 주기적으로 변하는 신호를 눈으로 볼 수 있게 하기 위해서는
수평 편향 판에 톱니 파의 전압 신호를 가해 준다.
특별히 저장 기능이 있는 오실로스코프(storage oscilloscope)를 제외하고는 눈의 잔상 시간 안에 전자빔의 휩씀(sweep)을 되풀이해야 하는데 전자빔의 위치를 같은 자리에서 되풀이 되게 하기 위해서 트리거 기능이 필요하다.
트리거는 수직 입력신호 자체를 이용(INT trigger)하거나, 따로이 외부 신호를 가하여(EXT trigger) 사용한다.
또, 60 Hz 교류 전원 전압과 상관이 있는 신호를 보기 위해서는 전원 전압을 이용(LINE trigger)하기도 한다.
트리거의 정확한 시점(즉, 스크린 상에서 화점 휩쓸기가 시작되는 시간)은 트리거가 일어나기 위한 트리거 신호의
전압(trigger LEVEL)과 기울기(trigger SLOPE)로 선택한다.
수 mV 에서 수십 V 의 넓은 전압 범위의 신호를 일정한 크기의 화면에 잘 보이게 하기 위해서 수직 축(수평축)
증폭기와 계단식(VOLTS/DIV) 및 가변(VARIABLE) 감쇄기가 필요하다. 또, 증폭기의 증폭율과 톱니 파 발생기의 특성, 편향 판의 특성 변화를 보정해 주기 위해 오실로스코프에는 일정한 크기와 주기를 갖는 교정 신호(CAL)를 발생하는
기능이 있다.
큰 직류전압이 더해진 작은 교류 전압 신호를 잘 관찰하기 위해서 차단 축전기(blocking capacitor)를 사용한 교류
결합 입력 기능이 있다.
입력 임피던스 뿐 아니라 수직, 수평축 증폭기와 수직, 수평 편향 판 회로의 한정된 주파수 대역(frequency bandwidth) 때문에 오실로스코프로 관찰할 수 있는 신호의 최대 주파수가 정해진다.
대부분의 오실로스코프는 둘 이상의 신호를 동시에 관찰할 수 있는 기능(DUAL mode)이 있다. 이때 각각의
신호에 독립된 전자총을 사용하는 경우도 있지만, 많은 경우에는 한 개의 전자총을 시간을 나눠서 함께 사용한다.
시간을 쪼개는 방법에 따라 상호 교대(alternative) 이중 흔적과 빗 갈린(chop) 이중 흔적의 두 가지가 있다.
◎ 오실로스코프의 올바른 사용법
오실로스코프를 사용할 때는 미리 오실로스코프의 올바른 사용법을 알아야 한다. 특히 각 오실로스코프마다
정해져 있는 주파수 대역폭과 입력 저항과 입력 전기들이, 그리고 최대 허용 입력 전압 크기를 확인하고 사용해야 한다.
큰 전압 신호를 관찰하거나 입력 임피던스를 높여서 조사하려는 회로를 자극하지 않고 측정하기 위해서는 x10 또는 x100 프로브(probe)들을 사용한다.
프로브는 기본적으로는 전압 분배기(voltage divider)이나 오실로스코프의 입력 임피던스가 입력 저항 R2 와 입력
전기들이 C3 로 이루어져 있기 때문에 교류 신호를 다루기 위해서 프로브의 속에도 저항 R1 과 전기들이 C1 이
들어 있다.
전기들이 C3 에는 프로브 줄의 전기들이 C2 가 더해지고 또, 이 줄의 전기들이는 줄이 구부러지고 하는 등에 의해서
변하기 때문에 이를 보정해 주어야 한다. 프로브의 구조와 바른 조정 방법을 익힌다.
가 되어 신호의 떨기 수 ω 에 무관하게 일정한 감쇄율을 얻을 수 있다. 이러한 조건이 되도록 C1 을 조절하는 것을
프로브의 조정이라고 부른다.
프로브의 실제 조정은 계단파 신호를 관측하면서 계단의 끝이 사각이 되도록 조절한다.
전자빔은 자기마당에 의해서 힘을 받는다. 이를 이용해서 음극선(전자)의 전하 대 질량 비를 구한 톰슨의 실험은
물질의 궁극을 찾는 현대 물리학의 중요한 업적으로 유명하다.
자석을 오실로스코프의 주위로 가져와서 전자빔이 화면에 닿는 위치가 어떻게 변하는가 확인한다.
오실로스코프의 주위에 자기마당이 있거나 음극선관(CRT)의 방향이 틀어진 경우에는 스크린 상의 화선(line trace)이 수평을 이루지 않게 된다.
[화선을 관측하기 위해서는 트리거 레벨을 AUTO 에 놓고 FOCUS 와 INTENSITY 를 조정하여 화선이 가늘게 잘
보이도록 한다.] 틀어진 화선은 TRACE ROTATION 을 돌려 되돌린다.
오실로스코프는 전자총에서 가속된 전자빔이 스크린에 부딪칠 때 X-선을 방출한다. 이 X-선은 CRT 의 스크린
유리벽 등에 의해서 대부분이 흡수되기 때문에 큰 문제는 되지 않으나 필요 이상으로 오랜 동안 스크린에 가까이
하지는 않는 것이 좋다. INTENSITY 는 가능하면 줄여 주는 것이 좋다.
◎ 오실로스코프를 사용한 특수 측정
수평축에도 따로 전압 신호를 가하는 X-Y 표시 방식으로는 리사주 그림(Lissajous pattern)과 같은 조사가 가능하다. 이때 조심해야 할 것은 CH1 과 CH2 입력 단자가 BNC 단자로 되어 있어 같은 접지(ground)를 공유하고 있다는
점이다.
따라서 접지 된 입력 측을 잘못 연결하는 경우 측정하려는 회로를 단락(short) 시킬 수도 있음에 유의한다.
접지 되어 있지 않은 신호를 관찰하는 방법으로는 접지로부터 신호 양단 사이의 전압을 각각 CH1 과 CH2 로 읽어서
두 전압을 빼 주는 측정 방법을 쓸 수 있다.
두 전압을 더 하는(ADD) 기능이 있는 오실로스코프에서는 CH2 신호를 뒤집어(INVERT) 더하면 뺀 것이 된다.
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How_to_use_an_oscilloscope[1].pdf