[오제이 튜브 임베디드 강의] 14. 오실로스코프 마지막 공부

오실로스코프란

오실로스코프는 한마디로 "진동을 보는 장치"다. 화면의 세로축은 전압의 크기를, 가로축은 시간의 변화를 나타낸다. 시간에 따른 전압 변화를 그래프로 그려 보여주는 것이다.

 

이전 글("멀티미터기 사용방법")에서 GPIO 파형과 SPI 통신 파형을 맛보기로 관찰했는데, 이번 글에서는 오실로스코프의 원리와 사용법을 본격적으로 정리한다.

 

멀티미터기는 특정 순간의 전압값(예: 3.3V)을 숫자로 보여준다. 하지만 3V를 유지하다가 0V로 떨어지고 다시 3V로 올라가는 신호의 "흐름"은 멀티미터로 알 수 없다. 이 흐름을 시각적으로 보여주는 것이 오실로스코프의 핵심 기능이다.

내부 구조

오실로스코프의 신호 처리 과정은 다음과 같다.

1. 프로브를 통해 아날로그 신호 입력
2. 증폭 — 신호를 처리 가능한 수준으로 증폭
3. AD 변환 — 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환. 연속적인 값을 특정 샘플링 주기로 쪼개어 각 시간대의 전압값을 디지털 데이터로 변환한다. 이전 글("데이터시트 읽어주는 남자")에서 다룬 ADC와 같은 원리다.
4. 메모리에 저장 — 디지털화된 데이터를 저장
5. 화면에 파형으로 출력 — 저장된 데이터를 처리하여 그래프로 표시

과거에는 아날로그 오실로스코프가 주류였지만, 현재는 디지털 오실로스코프가 보편적이며 가격도 크게 낮아져 개인 장비로 소유할 수 있는 시대가 되었다.

diagram_01_oscilloscope

화면 읽는 법

오실로스코프 화면은 격자로 나뉘어져 있고, 각 칸이 나타내는 전압과 시간 단위가 화면에 표시되어 있다. 대부분의 오실로스코프는 기본적인 사용법이 동일하므로, 하나에 익숙해지면 다른 장비도 쉽게 사용할 수 있다.

V/DIV (세로축 — 전압 단위)

화면에 1V/DIV라고 표시되어 있으면, 화면의 한 칸이 1V를 나타낸다는 뜻이다. 파형이 세 칸 올라갔다면 대략 3V 신호임을 알 수 있다. + / - 버튼이나 노브로 이 값을 변경하여 파형의 높이를 조절할 수 있다.

Time/DIV (가로축 — 시간 단위)

화면에 500ns/DIV라고 표시되어 있으면, 한 칸이 500나노초의 시간을 나타낸다는 뜻이다. 이 값을 변경하면 파형의 시간 축이 늘어나거나 줄어든다. 빠른 신호를 볼 때는 시간 단위를 줄이고, 느린 신호를 볼 때는 늘린다.

오실로스코프 화면 — V/DIV, Time/DIV 표시

프로브 배율

프로브 모드는 10배율(10x)로 설정하는 것이 일반적이다. 프로브 자체에서 신호를 1/10로 줄여 입력하고, 오실로스코프 내부에서 10배로 보상하는 방식이다.

커플링 (DC / AC)

• DC 커플링: DC 성분과 AC 성분을 모두 보여준다. 일반적으로 이 모드를 사용한다
• AC 커플링: DC 성분을 차단하고 AC 성분(미세한 떨림)만 보여준다. DC 전압 위에 실린 미세한 노이즈를 관찰할 때 사용한다

트리거

트리거는 오실로스코프 사용에서 가장 중요한 개념이다. 신호는 언제 발생할지 예측하기 어렵고 매우 빠르게 변하기 때문에, 사용자가 원하는 시점의 신호를 정확히 포착하려면 트리거 설정이 필요하다.

트리거의 원리

트리거는 프로그래밍의 if문과 비슷하게 동작한다. 두 가지 조건을 조합하여 신호 포착의 시작점을 설정한다.

• 전압 조건: "전압이 X볼트 이상일 때" (트리거 레벨)
• 엣지 조건: "전압이 올라갈 때(라이징 엣지)" 또는 "내려갈 때(폴링 엣지)"

예를 들어 트리거 레벨을 1V, 라이징 엣지로 설정하면, 전압이 1V 이상으로 올라가는 순간부터 신호를 포착한다.

트리거 모드

Auto 모드: 항상 파형을 실시간으로 보여준다. 규칙적인 신호(예: 1초 주기 GPIO)를 관찰할 때 주로 사용한다.

 

Single 모드: 트리거 조건이 발생했을 때 한 번만 파형을 포착하고 화면을 정지시킨다. 불규칙하거나 일회성 신호를 잡을 때 유용하다. SPI 통신처럼 주기적이지 않은 신호를 잡을 때, Auto 모드로는 파형이 계속 흘러가서 분석이 어렵다. Single 모드에서 트리거 레벨을 설정하고 Run 버튼을 누르면, 신호가 발생할 때까지 기다렸다가 포착 후 화면이 멈춘다.

 

Normal 모드: 트리거 조건이 발생할 때마다 파형을 갱신하여 보여준다. Auto와 비슷하지만, 트리거 조건을 만족하지 않으면 화면이 갱신되지 않는다.

트리거 설정 화면

보조 기능

T 커서 (시간 측정)

화면에 두 개의 세로 선을 표시하여, 두 지점 사이의 시간 간격을 정확히 측정할 수 있다. 클럭 신호의 주기나 펄스 폭을 측정할 때 유용하다.

V 커서 (전압 측정)

두 개의 가로 선을 표시하여, 두 지점 사이의 전압 차이를 측정한다. 신호의 정확한 전압 레벨을 확인할 때 사용한다.

T 커서 / V 커서 사용 화면

화면 저장

• Save Picture: 현재 화면을 이미지로 저장. 핸드폰 스크린샷과 같은 기능이다
• Save Wave: 측정된 파형 데이터를 저장. 나중에 불러와서 다시 분석할 수 있다