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오실로스코프 사용법: 스케일, 트리거, 측정

읽는 시간 7분 · bitGateLab 팀

멀티미터는 숫자 하나를 알려 주지만 오실로스코프는 시간에 따른 신호의 모양을 보여 줍니다. 오실로스코프로는 정현파가 잘렸는지, 전원에 리플이 얼마나 있는지, 필터의 출력이 입력보다 얼마나 뒤지는지를 볼 수 있습니다. 처음에는 노브가 많아 겁이 나지만 모든 것은 수직 스케일, 수평 스케일, 트리거, 커플링이라는 네 가지 개념으로 정리됩니다. 이 글에서는 이들을 조정하는 방법과 진폭, 주기, 주파수, 위상차를 구체적인 숫자로 측정하는 방법을 배웁니다.

화면: 시간에 대한 전압 그래프

오실로스코프 화면은 눈금 격자로 나뉘어 있으며, 보통 가로 10칸, 세로 8칸입니다. 세로축은 전압을, 가로축은 시간을 나타냅니다. 모든 측정은 칸 수를 세어 해당 스케일을 곱하는 것입니다.

전압 = 세로 칸 수 × (V/div)
시간 = 가로 칸 수 × (s/div)

각 칸에는 보통 중심축 위에 다섯 개의 작은 눈금이 표시되어 있어 0.2칸의 분해능으로 읽을 수 있습니다.

수직 스케일(V/div)과 위치

수직 스케일 조절기는 한 칸이 몇 볼트를 나타내는지 정합니다. 값은 1-2-5 순서를 따릅니다: 10 mV, 20 mV, 50 mV, 100 mV, 200 mV, 500 mV, 1 V, 2 V, 5 V… 위치 조절기는 스케일을 바꾸지 않고 파형을 위아래로 옮깁니다. 이것으로 0 V 기준선을 원하는 곳에 둘 수 있습니다.

실용적인 규칙은 신호 전체가 화면에 들어오는 범위에서 가장 민감한 스케일을 고르는 것입니다. 6칸을 차지하는 신호는 반 칸을 차지하는 신호보다 훨씬 정밀하게 측정할 수 있습니다.

수평 스케일(s/div)

시간축(타임 베이스)은 가로 한 칸이 얼마만큼의 시간을 나타내는지 정합니다. 화면 전체는 10 × (s/div)에 해당합니다. 주기를 정밀하게 측정하려면 완전한 사이클이 두 개에서 다섯 개 정도 보이게 하는 것이 좋습니다. 한 사이클도 안 보이면 주기를 측정할 수 없고, 수십 사이클이 보이면 세부가 뭉개집니다.

트리거(trigger)

오실로스코프는 화면을 반복해서 스윕하면서 신호를 그립니다. 스윕이 매번 파형의 다른 지점에서 시작된다면 파형이 겹쳐서 "흘러가는" 것처럼 보일 것입니다. 트리거가 이 문제를 해결합니다. 신호가 특정 전압을 특정 방향으로 지날 때만 스윕이 시작되므로 모든 스윕이 일치하고 화면이 정지해 보입니다. 주요 설정은 다음과 같습니다.

• 소스: 트리거가 감시하는 채널입니다. 두 신호를 비교할 때는 기준 신호로 트리거하세요.
• 레벨: 신호가 지나야 하는 전압입니다. 신호의 범위 안에 있어야 하며, 피크보다 높게 설정하면 트리거가 걸리지 않습니다.
• 기울기: 상승 에지 또는 하강 에지.
• 모드: 먼저 자동 모드에서는 트리거가 없어도 스윕하므로 신호를 찾을 때 유용합니다. 노멀 모드에서는 트리거가 걸릴 때만 그리므로 불규칙한 신호에 더 적합합니다. 싱글 모드에서는 이벤트 하나만 포착하고 멈추므로 전원이 켜지는 순간 같은 과도 현상에 알맞습니다.

두 채널 사이의 위상차

화면에 주파수가 같은 두 신호가 있을 때, 상승 방향 영점 교차처럼 서로 대응하는 두 점 사이의 시간 간격 Δt를 측정하고 각도로 변환합니다.

φ = 360° × Δt / T

두 번째 신호가 기준 신호보다 늦게 도착하면 뒤진 것이고, 먼저 도착하면 앞선 것입니다. 더 정밀하게 측정하려면 교차 지점 주변에서 시간축을 확대하거나, 두 채널에 같은 수직 스케일을 쓰고 파형을 영점 기준으로 가운데에 맞추세요.

DC 커플링과 AC 커플링

각 채널에는 커플링 선택 스위치가 있습니다.

• DC: 평균 레벨을 포함한 신호 전체를 보여 줍니다. 기본 모드이며 DC 전압, 논리 레벨, 저주파 신호를 측정할 때 알맞습니다.
• AC: DC 레벨을 차단하는 커패시터를 직렬로 넣어 파형이 영점을 중심으로 표시되게 합니다. 차단 주파수가 몇 헤르츠인 고역 통과 필터와 같습니다.
• 접지: 신호를 분리하고 0 V에 수평선을 표시하므로 기준 위치를 찾을 때 유용합니다.

주의: AC 커플링은 고역 통과 필터이므로 매우 낮은 주파수의 신호를 왜곡합니다. 느린 구형파는 평평해야 할 부분이 기울어져 보입니다.

흔히 하는 실수

• 트리거 레벨을 신호 범위 밖에 두고 "신호가 없다"고 결론짓는 것.
• 프로브의 감쇠비를 잊고 열 배 작은 전압을 보고하는 것.
• AC 커플링으로 DC 전압을 측정하는 것: 파형이 영점에 머뭅니다.
• 기울기가 반대인 교차점(하나는 상승, 다른 하나는 하강) 사이에서 위상차를 측정하는 것. 이렇게 하면 180°가 더해집니다.
• 한 사이클도 안 보이거나 수십 사이클이 보이는 시간축을 선택하는 것. 주기를 정확히 읽을 수 없습니다.

시뮬레이터에서 직접 해 보기

시뮬레이터의 가상 오실로스코프는 개념적으로 실험실 장비와 같은 조절기를 갖추고 있어 위험 부담 없이 연습하기에 좋습니다.

1. 진폭 6 V, 500 Hz의 정현파 전원을 배치하고 채널 1에 연결합니다.
2. 수직 스케일을 2 V/div, 수평 스케일을 0.5 ms/div로 맞추고, 피크-피크 6칸과 사이클당 4칸이 보이는지 확인합니다.
3. 트리거 레벨을 6 V 위로 옮기고 화면이 어떻게 되는지 관찰한 뒤 0 V로 되돌립니다.
4. RC 필터를 만들고 그 출력에 채널 2를 연결합니다. 영점 교차 사이의 Δt를 측정하고 위상차를 계산합니다.
5. 전원에 DC 레벨을 더하고 DC 커플링과 AC 커플링을 번갈아 선택해 차이를 확인합니다.

연습 문제

1. 어떤 정현파가 5 V/div에서 피크-피크 3.2칸을 차지합니다. 피크-피크 전압, 피크 전압, RMS 전압을 구하세요.

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   3.2 × 5 = 16 V(피크-피크); 8 V(피크); 8/√2 = 5.66 V RMS.

2. 시간축이 20 µs/div일 때 한 사이클이 2.5칸을 차지합니다. 주파수는 얼마일까요?

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   T = 2.5 × 20 µs = 50 µs. f = 1/50 µs = 20 kHz.

3. 1 kHz의 두 신호가 0.1 ms/div에서 1.5칸 떨어져 있습니다. 위상차는 얼마일까요?

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   Δt = 1.5 × 0.1 ms = 0.15 ms이고 T = 1 ms입니다. φ = 360° × 0.15/1 = 54°.

4. 10칸짜리 화면에서 1 kHz 신호의 완전한 사이클을 적어도 세 개 보고 싶습니다. 1-2-5 순서 중 어떤 시간축을 선택해야 할까요?

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   세 사이클은 3 ms 동안 지속되므로 최소 0.3 ms/div가 필요합니다. 이를 만족하는 순서상의 첫 번째 값은 0.5 ms/div로, 5 ms, 즉 5사이클을 보여 줍니다. 0.2 ms/div라면 2사이클만 보입니다.