아날로그 vs 디지털 오실로스코프: 프로젝트에 맞는 올바른 선택법

오실로스코프란 무엇인가?

오실로스코프를 조정하는 손

오실로스코프는 여러 이름으로 불립니다. 오실로그래프(oscillograph), 오-스코프(o-scope), CRO(음극선 오실로스코프), DSO(디지털 저장 오실로스코프), 또는 단순히 스코프(scope)라고도 합니다. 전자 기기나 전기 회로의 두 지점 간 변화하는 신호 전압을 프로브로 측정하는 장비입니다.

멀티미터로 전압을 측정할 때는 회로의 단일 시점 판독값을 얻습니다. 반면 오실로스코프는 회로 전압을 시간에 따라 측정할 수 있습니다. 본질적으로 수천 번의 판독값을 취해 화면에 플로팅합니다. 이를 통해 과도 현상에서 발생하는 전압 스파이크나 드롭을 쉽게 비교할 수 있습니다.

오실로스코프에는 두 가지 주요 유형이 있습니다: 아날로그 오실로스코프와 디지털 오실로스코프. 둘은 기본적으로 비슷하게 작동하지만, 디지털 오실로스코프에는 아날로그에 없는 추가 기능들이 있습니다.

아날로그 오실로스코프

아날로그 오실로스코프

제조사들이 아날로그 오실로스코프를 처음 선보일 때, 수평 편향판이 있는 CRT(브라운관)를 사용해 파형을 표시했습니다.

튜브의 수평 판 전압이 전자 스트림의 위치를 변경했습니다. 전자 스트림이 화면의 형광체 코팅에 부딪히면 착지 지점이 빛났습니다. 결과적으로 결국 인지 가능한 파장이 되는 빛의 점이 표시되었습니다.

두 개의 서로 다른 신호를 비교할 수 있는 듀얼 빔 오실로스코프도 있었습니다. 두 전자 빔을 단일 평면 화면에 동시에 방출해 표시했습니다.

기본 아날로그 오실로스코프에는 저장 기능이 없었습니다. 하지만 아날로그 저장 스코프를 구입하면 입력 파형 이미지를 저장할 수 있었습니다. 다만 이 아날로그 저장 스코프는 비쌌고 현대 기준으로는 상당히 원시적이었습니다.

원래 아날로그 스코프는 흔히 크고 번거로웠습니다. 하지만 디지털 기술 덕분에 나중에는 필드 서비스 용도로 충분히 콤팩트해졌습니다.

디지털 오실로스코프

Rigol DS2000 시리즈 디지털 오실로스코프

솔리드 스테이트 스크린이 크고 번거로운 CRT를 대체했습니다. 이로 인해 스코프가 훨씬 작아지고 깊이도 얕아졌습니다. 또한 더 많은 디스플레이 기능을 제공할 수 있게 되었습니다. 오늘날 디지털 오실로스코프가 가장 일반적인 스코프 유형입니다.

또한 디지털 스코프의 등장으로 표준 저장, 향상된 디스플레이 조작, 향상된 트리거링 등 추가 기능이 가능해졌습니다.

디지털 오실로스코프의 종류

제조사들과 회사들이 최초 디지털 스코프를 출시할 때, 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO)와 디지털 저장 오실로스코프(DSO)라는 이름으로 출시했습니다. 최초 디지털 오실로스코프들이 포스퍼 스크린을 사용했기 때문입니다. 현대 디지털 오실로스코프는 LED 또는 LCD 스크린을 사용합니다.

과거에는 화면 크기와 해상도가 아날로그 오실로스코프를 제한했습니다. 반면 현대 디지털 오실로스코프는 이 문제가 없습니다.

혼합 신호 및 혼합 도메인 오실로스코프 (MSO 및 MDO)

Agilent 54622D MSO 분해

출처: 플리커(Flickr)

디지털 스코프가 제공하는 새로운 기능은 아날로그 시절에는 상상하기 어려웠던 수준을 넘어섰습니다. 일반적으로 2개 이상의 아날로그 스코프 채널 외에 로직 분석 채널을 통합했습니다. 예를 들어 혼합 신호 오실로스코프(MSO)가 등장했습니다. 펑션 제너레이터 출력과 디지털 멀티미터 기능도 가능해졌습니다.

거의 모든 최신 오실로스코프에 표준 MSO 모델이 있습니다. 또는 여러 디지털 채널을 옵션으로 제공합니다. 또한 많은 디지털 오실로스코프가 신호 처리를 포함해 주파수 도메인, 즉 스펙트럼 분석 측정을 가능하게 합니다. 이는 정상적인 스코프 측정과 스펙트럼 분석이 혼합된 회로 테스트를 허용합니다.

진정한 혼합 도메인 오실로스코프(MDO)는 주파수 도메인 측정에만 쓸 수 있는 전용 RF 커넥터를 가집니다. 흥미롭게도 보통 더 높은 성능의 스펙트럼 분석 능력을 가집니다.

디지털 샘플링 오실로스코프

디지털 샘플링 오실로스코프

출처: 위키미디어 커먼즈

또 다른 형태의 오실로스코프는 디지털 샘플링 스코프입니다. 매우 특수한 형태의 스코프로 제한된 틈새 응용 분야에 쓰입니다. 예를 들어 수십 기가헤르츠 영역의 신호 지터(jitter)를 살펴볼 수 있습니다. 따라서 일반적인 오실로스코프 응용에는 사용하지 않습니다.

결과적으로 사용 사례가 제한적입니다. 스코프는 다양한 포맷으로도 나옵니다. 실험실용 표준 벤치 케이스 형태도 있고, 필드 서비스 용도에 더 적합한 형태도 있습니다.

아날로그 vs 디지털 오실로스코프 - USB 및 PC 기반 오실로스코프

노트북에 연결된 PicoScope 6000

출처: 위키미디어

PC 기반 오실로스코프는 독립형 오실로스코프 또는 외부 오실로스코프 형태로 제공됩니다. 외부 PC 기반 오실로스코프는 PC 연결이 필요합니다. 또한 컴퓨터의 디스플레이, 전원 공급, 프로세서를 활용할 수 있습니다. 주로 USB 인터페이스로 연결합니다.

하지만 일부 외부 오실로스코프는 PXI 시스템 같은 컴퓨터 버스 시스템을 사용하기도 합니다. 물론 컴퓨터에 오실로스코프 소프트웨어와 드라이버를 설치해야 올바르게 인터페이스됩니다.

반면 내부 PC 기반 독립형 오실로스코프는 내부 컴퓨터 부품을 가집니다. 내부 마이크로프로세서가 있어 기기 제어, 자동 측정, 디스플레이 관리 같은 추가 기능을 제공합니다. 또한 디지털화된 신호의 더 복잡한 처리를 가능하게 합니다. 이는 직접 보기 저장 CRT를 가진 아날로그 버전의 능력을 초월합니다.

엄청난 종류의 다양한 타입과 모델의 오실로스코프가 존재합니다. 이들의 특성을 알고 사양서를 살펴보면 성능, 폼팩터, 전반적 역량을 파악할 수 있습니다.

아날로그와 디지털 오실로스코프의 주요 차이점

동작 방식의 차이

오실로스코프가 있는 전자 공학 작업대

초보 전자 애호가들 사이에는 큰 오해가 있습니다. 많은 사람들이 아날로그 스코프만 CRT 디스플레이를 쓴다고 생각합니다. 이는 틀렸습니다. 텍트로닉스 2230 디지털 저장 오실로스코프 같은 디지털 오실로스코프도 CRT 디스플레이를 사용합니다.

예전 아날로그 스코프인 텍트로닉스 2213과 텍트로닉스 2230 DSO를 비교하면 후자가 더 많은 패널 컨트롤을 가짐을 알 수 있습니다. 따라서 디지털 저장 스코프의 동작 방식이 본질적으로 더 복잡합니다.

디지털 스코프는 아날로그 스코프의 모든 기능을 수행할 수 있습니다. 하지만 아날로그 스코프에서 줌 아웃을 시작하면, 특히 저주파수일 때 출력 이미지가 깜빡이기 시작합니다. CRT 화면이 파형을 표시하는 방식 때문입니다.

디지털 저장 오실로스코프(DSO)는 더 안정적인 이미지를 제공해 이 문제를 해결합니다. 변화하는 전압을 직접 표시하는 대신, DSO는 파형을 다양한 지점에서 샘플링해 저장하고 표시합니다. 이로 인해 더 안정적인 디스플레이가 가능하고 전체 파형을 보기 쉬워집니다.

디지털 오실로스코프는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 통해 이를 달성합니다. 측정된 전압을 아날로그 신호로 받아 디지털 신호로 변환합니다.

아날로그 스코프는 디지털 스코프 같은 지속성(persistence)을 가질 수 없습니다. 또한 디지털 스코프에서는 유효 지속성을 조절해 더 많은 노이즈를 포착할 수 있습니다. 디스플레이 캘리브레이션으로 더 정확한 측정과 더 나은 그래프 품질을 얻을 수 있습니다. 게다가 LCD 기술 사용으로 디지털 시스템이 더 가볍고 휴대하기 편합니다.

사양의 차이

오실로스코프 벡터 이미지

출처: 커먼즈 위키미디어

오실로스코프 간 차이를 이해하는 또 다른 방법은 사양을 관찰하는 것입니다. 이 섹션에서는 그런 사양들을 다룹니다:

대역폭 (Bandwidth, BW)

오실로스코프의 대표 사양입니다. 오실로스코프 프론트엔드가 처리할 수 있는 최고 주파수와 포착 가능한 가장 빠른 라이즈 타임을 나타냅니다.

신호 주파수와 그 신호의 라이즈 타임은 본질적으로 연관됩니다. 스코프가 포착할 수 있는 가장 빠른 라이즈 타임을 계산하려면 0.35를 스코프의 지정된 대역폭으로 나눕니다. 공식: 최단 포착 가능 시간 = 0.35 / 대역폭.

아날로그와 디지털 오실로스코프 모두 대역폭 사양을 가집니다. 하지만 현대 디지털 스코프는 구형 스코프의 대역폭 능력을 훨씬 뛰어넘습니다.

샘플링 레이트 (Sample/Sampling Rate)

이 사양은 디지털 스코프에만 있습니다. 오실로스코프가 초당 몇 포인트에서 데이터를 획득하는지 알려줍니다. 본질적으로 입력 신호가 아날로그 프론트엔드(대역폭이 나오는 곳)를 통과한 후, 디지타이저가 아날로그 파형을 샘플링합니다.

샘플링 레이트는 대역폭과 관련되지만 영향을 주지는 않습니다. 그저 아날로그 프론트엔드에서 데이터를 가져올 뿐입니다. 그래도 대역폭은 오실로스코프의 아날로그 부분을, 샘플링 레이트는 디지털 부분을 설명합니다. 이로써 샘플링 레이트가 디지털 오실로스코프만의 고유 사양인 이유를 이해할 수 있습니다.

메모리 깊이/크기 (Memory Depth/Size)

샘플링 레이트와 메모리 깊이는 오실로스코프에서 밀접하게 연관된 속성입니다. 메모리 깊이는 오실로스코프가 얼마나 많은 파형 데이터를 포착할 수 있는지 설명합니다. 샘플링 레이트가 빠를수록 포착된 파형은 짧아집니다. 따라서 더 빠른 샘플링 레이트의 파형은 더 많은 메모리를 차지합니다. 또한 더 많은 메모리를 활용할수록 더 긴 시간을 저장할 수 있습니다.

메모리 깊이는 디지털 오실로스코프의 세 번째로 중요한 속성입니다. 다시 말하지만 디지털 저장 오실로스코프만의 고유 사양입니다. 아날로그 오실로스코프는 파형을 포착하거나 기록하지 않으므로 메모리 깊이 속성이 없습니다.

해상도 (ADC 비트 수)

현대 오실로스코프는 8, 10, 12비트 ADC를 제공합니다. 아날로그-디지털 컨버터는 아날로그 신호를 받아 변환하고 양자화해 디지털 정보로 만듭니다. 따라서 8비트 ADC는 256개 양자화 레벨(2^8 = 256)을 표현할 수 있습니다. 이는 ADC의 수직 해상도입니다.

해상도가 높을수록 파형 표현이 더 선명해집니다. 또한 ADC 비트 수는 입력 범위를 결정합니다. 예를 들어 더 높은 해상도의 스코프가 미세한 신호 분석에 더 적합합니다. 이 또한 아날로그 오실로스코프에는 없는 고유 사양입니다.

트리거 (Trigger)

• 모든 디지털 스코프에는 스코프의 트리거 레벨을 조절하는 노브가 있습니다. 트리거는 본질적으로 스코프가 파형의 스냅샷을 찍을 시점을 알려줍니다.

표준 DSO에는 다양한 트리거 모드가 있어 트리거 이벤트 발생 시 어떻게 반응할지 정합니다. 예를 들어 에지 트리거 모드는 디스플레이 그리드 가장자리에 신호가 닿을 때 스냅샷을 찍도록 합니다. 이는 파형을 측정하는 다재다능한 방법을 제공합니다.

아날로그 스코프는 데이터를 포착하고 저장하지 않으므로 트리거는 대부분 디지털 저장 오실로스코프만의 기능입니다.

아날로그 오실로스코프의 장점

디지털 오실로스코프가 아날로그보다 장점이 많습니다. 하지만 구형 아날로그 오실로스코프의 장점은 무엇일까요?

사용이 더 쉬움

디지털 스코프는 더 정교한 오실로스코프인 경향이 있습니다. 반대로 아날로그 오실로스코프는 컨트롤이 최소화되고 디스플레이가 덜 복잡해 더 사용하기 쉬울 수 있습니다. 전압 테스트 기초를 배우는 데 활용할 수 있습니다. 종종 기능이 적을수록 더 단순합니다. 아날로그 스코프 설정하는 데 많은 시간을 들일 필요가 없습니다.

더 저렴함

아날로그 오실로스코프는 디지털 타입보다 저렴합니다. 오래되었고 기능이 적으며, 중고 제품이 많아 더 쌉니다.

아날로그 판독에 더 적합

아날로그 판독값은 아날로그 CRT 화면에서 더 잘 보입니다. 더 선명하고, 경우에 따라 덜 노이즈가 있어 보입니다.

구하기 쉬움

오래되었기 때문에 구형 중고 모델을 많이 구매할 수 있습니다. 또한 수요가 적어 평판 좋은 전자/장비 매장에 재고가 풍부한 편입니다.

디지털 오실로스코프가 아날로그보다 장점이 많습니다. 하지만 구형 아날로그 오실로스코프의 장점은 무엇일까요?

• 사용이 더 쉬움: 디지털 스코프는 더 정교한 오실로스코프인 경향이 있습니다. 반대로 아날로그 오실로스코프는 컨트롤이 최소화되고 디스플레이가 덜 복잡해 더 사용하기 쉬울 수 있습니다. 전압 테스트 기초를 배우는 데 활용할 수 있습니다. 종종 기능이 적을수록 더 단순합니다. 아날로그 스코프 설정하는 데 많은 시간을 들일 필요가 없습니다.
• 더 저렴함: 아날로그 오실로스코프는 디지털 타입보다 저렴합니다. 오래되었고 기능이 적으며, 중고 제품이 많아 더 쌉니다.
• 아날로그 판독에 더 적합: 아날로그 판독값은 아날로그 CRT 화면에서 더 잘 보입니다. 더 선명하고, 경우에 따라 덜 노이즈가 있어 보입니다.

구하기 쉬움: 오래되었기 때문에 구형 중고 모델을 많이 구매할 수 있습니다. 또한 수요가 적어 평판 좋은 전자/장비 매장에 재고가 풍부한 편입니다.

결론

전자 공학에서 대부분의 간단한 테스트에는 아날로그 오실로스코프가 디지털 오실로스코프만큼 잘 작동합니다. 초보자나 취미 제작자라면 디지털 스코프보다 아날로그 스코프 구매가 더 이득일 수 있습니다. 하지만 스코프 구매 시 목표가 명확해야 하고 오실로스코프 기능이 목표에 부합하는지 확인해야 합니다.

예를 들어 오실로스코프 설계, 디지털/아날로그 대역폭, 라이즈 타임, 샘플링 레이트, 채널 밀도, 기록 길이, 파형 포착률, 연결성, 확장성을 분석해야 합니다. 디지털 오실로스코프의 경우 채널당 메모리와 메모리 깊이도 고려해야 합니다. 이런 간단한 사양을 이해하면 어떤 오실로스코프가 나에게 최적인지 분별할 수 있습니다. 이제 누군가 "아날로그 vs 디지털 오실로스코프, 어느 게 더 나은가?"라고 물으면 명확한 답을 줄 수 있을 것입니다. 이 가이드가 도움이 되었기를 바랍니다. 읽어주셔서 감사합니다.