제품기초지식

스코프코더의 종류

스코프코더에는 연구개발·설계부터 생산이나 유지 보수까지 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.

데스크탑형 DL950

DL950은 휴대가 가능한 데스크탑형입니다. 센서 연결 부분은 측정 용도의 특징에 맞춘 모듈 방식으로 되어 있습니다.

화면 표시 부분은 대화면의 12.1인치 액정 터치 스크린을 탑재하고 있으며, 최대 32채널, 최고 200MS/s, 최대 50일의 장시간 기록이 가능합니다.

본체에 탑재된 DSP 연산 회로를 통해 실시간 연산 기능을 사용하여 측정 결과와 파형 연산 결과, 전력 연산 결과를 동시에 표시, 저장할 수 있습니다.

그림 7 데스크탑형 스코프코더 DL950

휴대용(배터리 구동) DL350

주로 현장이나 야외에서 휴대가 필요한 상황에서 A4 사이즈, 3.9kg의 소형 사이즈, 본체는 AC 전원은 물론 외부 DC 전원이나 배터리로도 구동이 가능하도록 만들어졌습니다.

노이즈 환경에 강한 8.4인치 박막 저항 방식 터치 스크린을 사용해서 전자식 펜이나 장갑을 낀 채 조작도 가능합니다. 그리고 최대 8채널, 최고 100MS/s, 최대 50일 장시간 기록이 가능합니다.

그림 8 휴대용(배터리 구동) 스코프코더 DL350

시스템 내장형 SL1000

고속 데이터 어퀴지션 유닛 SL1000은 실험 장치나 생산 검사 장치 등 시스템 랙에 내장하는 것을 목적으로 만들어진 스코프코더 시리즈입니다. 최대 16채널, 최고 100MS/s로 내장 하드 뿐만 아니라 외부에서 제어하는 PC에 연속 저장이 가능하며 최대 8대를 연결해서 동기화 및 최대 128채널로 확장할 수 있습니다. 계측 시스템을 구축할 때 랙 마운트에 최적으로 시스템 내장형 설계·개발자를 위한 제품입니다.

그림 9 시스템 내장형 고속 데이터 모델 SL1000

                                                                                                                                  그림 10 스코프 코더의 역사

메카트로닉스나 파워일렉트로닉스 분야에서의 측정 요구

스코프코더는 다양한 용도로 사용되지만 가장 많이 사용되는 분야는 메카트로닉스와 파워 일렉트로닉스의 분야입니다. 여기에서는 메카트로닉스 기기나 파워 일렉트로닉스 기기의 측정에 대해서 설명 드립니다.

다채널 절연 입력

메카트로닉스 기기나 파워일렉트로닉스 기기는 신호를 측정해야 하는 포인트가 많이 있습니다.  또한 고전압을 측정하거나 공통 모드 전압이 다른 측정 포인트를 동시에 측정해야 할 수도 있습니다. 이런 측정을 하려면 사람에 대한 안전 확보와 계측기의 파손을 막아야 합니다. 이를 위해 스코프코더의 입력 모듈 대부분은 절연되어 있습니다. 입력이 절연되어 있지 않은 계측기가 아래 그림과 같이 접지되어 있지 않을 경우 계측기 본체가 전위를 띄게 되어 사람이 감전될 위험이 있으며 큰 공통 모드 전류가 흘렀을 경우 배선이나 계측기에 손상을 주기도 합니다. 일반적인 오실로스코프나 스코프코더의 비절연 입력 모듈은 입력이 절연되어 있지 않으므로 피측정물로의 배선에 주의하고 확실하게 접지하는 것이 중요합니다.

                                                                                                                       그림 11 입력이 절연되지 않은 경우의 감전 위험

스코프코더는 아래 그림과 같은 절연 구조입니다. 모듈로부터 본체로의 신호선과 모듈로 공급하는 전원선은 절연이 되어 있습니다. 최대 입력전압은 모듈마다 다르기 때문에 스코프코더 카달로그나 사용자 메뉴얼에서 사전에 확인이 필요합니다.

                                                                                                                  그림 12 절연된 입력 회로를 가진 파형 측정기의 구성   

전원을 절연하는 방법에는 일반적으로 변압기가 이용되지만 신호를 절연하기 위한 절연 방식에는 몇 가지 종류가 있으며 용도에 따라 최적의 절연 소자가 선택되어 왔습니다.

                                                                                                                              그림 13 다양한 신호 절연 방식

고속 200MS/s 14비트 절연 모듈은 측정 데이터를 고속으로 전송하기 위해 광케이블을 이용한 절연 소자를 사용하고 있습니다.

                                                                                                              그림 14 고속 100MS/s 12비트 절연 모듈의 신호 절연

고 분해능 측정

오실로스코프나 스코프코더는 A/D 변환기를 이용해 아날로그 파형 신호를 디지털 파형 데이터로 변환합니다. A/D변환은 시간에 대해 샘플링하는 표본화, 샘플링된 신호를 수직축 값으로 할당하는양자화, 마지막으로 양자화된 신호를 이진화하는 부호화의 흐름으로 구성되어 있습니다.

                                                                                                                       그림 15 A/D 변환기의 동작 과정

스코프코더에서는 기기나 장치의 진동 또는 신호의 노이즈를 FFT 해석하는 경우나 신호를 확대하여 관찰하는 경우가 있으므로 입력 모듈에 사용되는 A/D 변환기의 분해능은 12~ 16비트로 오실로스코프보다 고분해능의 A/D 변환기를 사용하고 있습니다.

고전압/대전류 측정

대형 파워 일렉트로닉스 기기에서는 수천 V 정도의 고전압에서 동작하는 것이 있습니다. 스코프코더의 패시브프로브는 최대 1000V, 고전압 차동프로브 701977은 최대 7000V까지 측정 가능합니다.

                                                                                                                     그림 16 파워 일렉트로닉스 기기의 장치 전압과 장치 용량

또한 전류의 경우에도 전류 프로브로는 측정할 수 없는 1000A를 초과하는 경우에는 CT센서를 통해 측정할 수 있습니다.

센서와의 연결
 
 메카트로닉스 기기에서는 기계의 동작이나 상태를 측정하는 경우가 많아 전기량 이외에 물리량을 측정하기 위한 다양한 센서가 사용됩니다. 센서로부터의 신호는 일반적으로 트랜스듀서(신호변환기)를 통해 오실로스코프나 스코프코더에 연결됩니다. 센서에 따라 접속하는 단자, 커넥터 모양이 다르기 때문에 스코프코더 모듈은 온도, 가속도, 스트레인 등의 센서를 직접 연결할 수 있는 구조로 되어 있습니다.
 또한 스코프코더의 연산 기능을 사용하여 전압 입력 신호에서 원하는 단위로 변환이 가능하고 센서 출력값을 바로 분석할 수 있습니다.

디지털 신호 입력

메카트로닉스 기기의 대부분은 마이크로프로세서를 탑재해 디지털로 제어되고 있습니다. 이 때문에 기기나 장치의 동작을 관측하는 경우는 아날로그 신호 뿐만 아니라 디지털 신호를 동시에 측정할 필요가 있습니다. 아래 그림은 세탁기의 모터 구동 파워 모듈의 제어 디지털 신호를 로직 프로브를 사용하여 측정하는 사례입니다. 

                                                                                                    그림 17 스코프코더를 사용하여 세탁기의 동작을 측정하는 사례

내 노이즈 특성
 
 메카트로닉스 기기나 파워 일렉트로닉스 기기는 큰 에너지를 제어하기 때문에 경우에 따라 노이즈 발생원이 됩니다. 일반적으로 전자 계측기에 영향을 주는 노이즈는 전도 노이즈, 방사 노이즈, 유도 노이즈의 3종류로 분류하는 경우가 많습니다. 전도 노이즈는 케이블 등을 경유하여 전달되는 노이즈를 가리킵니다. 방사 노이즈는 공간을 전파로 전달하는 노이즈를 가리킵니다. 유도 노이즈는 다른 장치·기기의 영향을 받아 전달되는 노이즈를 가리킵니다.

                                                                                                               그림 18 전자 계측기의 전도, 방사, 유도 노이즈 전달 방법

노이즈 대책은 전자 계측기가 놓인 환경에 따라 달라지지만 스코프코더에서는 입력을 절연하여 노이즈 신호가 침입하지 않도록 하거나 입력에 주파수 대역을 제한할 수 있는 필터 기능 등이 있습니다.
 

파형 측정기의 구조를 이해하기 위한 기초 지식
 
A/D 변환기와 메모리를 조합한 파형 측정기의 구조를 이해하기 위한 기초 지식에 대해 설명 드립니다.
 
반복 파형 측정과 단발 파형 측정
 
파형 측정 시 발진기의 파형과 같이 동일한 신호를 반복적으로 발생하는 파형과 충돌 현상과 같이 반복이 없는 파형이 있습니다.

반복 파형은 오실로스코프로 측정하는 것이 좋으며 반복이 없는 파형은 스코프코더로 관측하는 것이 좋습니다.
각각의 파형 측정에서는 계측기에 요구되는 기능은 달라집니다. 반복 파형 측정에서는 트리거 딜레이 기능이나 트리거 홀드 오프 기능을 사용해 측정하고 싶은 파형만 측정할 수 있습니다. 한편 반복이 없는 단발 파형에서는 측정한 파형 데이터로부터 측정하고자 하는 부분을 찾게 되므로 현상을 일괄적으로 포섭하기 위한 대용량의 파형 메모리가 필요하게 됩니다.

                                                                                                                      표 3 반복 파형과 단발 파형의 측정 예와 요구 기능

A/D 변환기 분해능

측정하는 파형을 아날로그 신호에서 디지털 데이터로 변환하는 것이 A/D 변환기입니다. A/D 변환기에는 비트 분해능이 있어 분해능이 높은 A/D 변환기가 같은 샘플 레이트라도 아날로그 파형을 높은 재현성으로 표시해 줍니다. 아래 그림에서는 2비트, 3비트, 4비트 A/D 변환기에서의 파형 재현성을 보여줍니다. 분해능이 높을수록 파형 재현성이 우수합니다.

그림 19 비트 분해능 차이에 따른 파형 재현성

스코프코더 모듈에 사용되는 A/D 변환기는 12비트에서 16비트입니다. 전기 신호의 관측에는 MHz 단위의 주파수가 필요하므로 12비트에서 14비트의 고속 고분해능 A/D 변환기가 사용되며 진동이나 충격을 측정할 경우에도 16비트 고분해능 A/D 변환기가 사용됩니다. A/D 변환기에는 FFT 분석기에 사용되는 고분해능의 24비트도 있지만  폭넓은 다이나믹 레인지보다는 넓은 주파수 대역이 필요한 스코프코더에서는 사용되고 있지 않습니다.
아래 그림과 같이 A/D 변환기에는 다양한 종류가 있으며 입력 모듈 사양에 맞는 A/D 변환기가 선택되었습니다.

    그림 20 A/D 변환기의 비트 분해능과 샘플링 주파수

파형 메모리 길이와 샘플링 레이트

A/D 변환기에 의해 샘플링되어 디지털 데이터화 된 파형 데이터는 파형 메모리에 저장됩니다. 파형 데이터를 보존하기 위한 구조에서 중요해지는 것이 파형 메모리 길이(레코드 길이)와 샘플 레이트입니다. 파형 메모리 길이가 클수록 파형을 측정할 수 있는 시간은 길어집니다. 그 관계는 다음의 기본 관계식으로 나타냅니다.
 
측정시간 = 레코드 길이 ÷ 샘플링 레이트
 
 또 단위 시간당의 샘플수가 많을수록 시간축 상에서 파형을 세세하게 관측할 수 있게 됩니다. 아래 그림은 같은 파형을 1초에 10회 취득한 경우와 1초에 50회 취득한 경우의 차이를 나타냅니다.

그림 21 샘플링 레이트 차이에 따른 파형 재현성

파형 관측의 기점을 정하는 트리거

파형을 측정할 때 보고 싶은 측정 포인트를 결정할 필요가 있습니다. 레코더에서 측정하는 온도와 같이 느린 신호는 사람이 직접 파형 측정을 시작하는 포인트를 수동으로 설정할 수 있습니다. 하지만 오실로스코프나 스코프코더에서는 신호 변화가 빠르기 때문에 사람이 수동으로 파형 측정 포인트를 정할 수 없어 신호 파형으로부터 측정 포인트를 정합니다.
가장 많이 사용되는 것은 심플 트리거로 설정한 트리거 레벨을 신호가 가로질렀을 때를 측정 포인트로 합니다. 아래 그림과 같이 트리거 레벨은 임의로 설정할 수 있으며 신호가 가로지르는 방향도 설정이 가능합니다.

그림 22 심플 트리거의 설정과 동작

스코프코더에서는 심플 트리거 이외에도 확장 트리거가 있습니다. 예를 들어 DL950에서는 아래 그림과 같은 트리거 설정이 가능합니다. 확장 트리거를 사용하면 복잡한 파형이라도 측정하고 싶은 파형을 확실하게 측정할 수 있습니다.

그림 23 DL950의 트리거 기능

[칼럼] 전기학회 ‘전기의 초석’으로 선정된 전자 오실로스코프

현재, 파형 측정은 오실로스코프나 메모리 레코더 등 디지털화된 계측기가 주류를 이루고 있지만 약 100년 전의 저주파 파형 측정기는 기계식이었습니다. 현재는 사용되지 않지만 아래 그림과 같은 지침이 없는 미터(진동자) 축에 작은 거울을 달아 강한 빛을 거울에 대고 반사광을 감광지에 기록하는 구조였습니다. 진동자는 미터기와 마찬가지로 전류가 흐르면 회전하도록 만들어져 있습니다. 그리고 지침바늘이 없고 가벼워 고속 신호에도 응답할 수 있었습니다.

그림 24 전자 오실로스코프의 구조

전자 오실로스코프는 1893년에 영국 케임브리지 리서치사의 W.D.B.Duddel에 의해 고안되어 1920년에 미국 웨스팅하우스사가 발전소에서의 교류 전원 파형 관측을 위한 측정기로 판매된 것이 시초입니다. 일본에서는 요꼬가와전기가 1927년에 아래 그림의 제품을 개발해 전기시험소(현:산업기술종합연구소)나 각 연구교육기관에 납품했습니다. 전자 오실로스코프는 당시에는 전자형 오실로스코프라고 불렸습니다. 요꼬가와전기가 개발한 전자 오실로스코프는 일본 산업 발전에 기여한 것으로 알려져 2021년 전기학회로부터 '전기의 초석'으로 기록에 남게 됐습니다.

그림 25 전기의 초석으로 선정된 YOKOGAWA의 전자형 오실로스코프

전자 오실로스코프는 1980년대 정도까지 널리 사용되었으며 YOKOGAWA는 1977년에 마지막 전자 오실로스코프를 발매했습니다. 전자 오실로스코프가 사용된 분야는 현재의 메모리 레코더와 동일하며 일본의 고도 경제 성장기에 등장한 신칸센 등의 개발에 사용되었습니다. 그러나 전자 오실로스코프에 사용하는 감광지가 고액이었기 때문에 디지털 회로에 의해서 구성된 메모리 레코더나 오실로스코프 레코더로 대체되어 갔습니다.