실제 환경에서의 오실로스코프 프로브 분석

오실로스코프 프로브는 오실로스코프를 사용하는 실험실 설정에서 필수적인 부분이지만, 회로의 동작을 이해하거나 구성 요소의 성능을 분석하기 위해 신중하게 연구하는 신호에 프로브가 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대해 생각해 본 적이 있습니까?

이 기사에서는 다양한 오실로스코프 프로브를 살펴보고, 성능을 비교하며, 프로브가 보는 것에 어떤 영향을 미치는지 확인하고, 어떤 프로브가 귀하의 응용 프로그램에 가장 적합한지 결정합니다. 종합적인 결과를 얻기 위해, 저는 고품질 프로브와 Amazon 및 Digi-Key에서 구할 수 있는 가장 저렴한 프로브 몇 가지를 보완하여 차이점을 확인했습니다.

다양한 옵션을 살펴볼 때, 저렴한 프로브는 모두 나쁠 것이고 비싼 프로브는 일반적으로 더 나을 것이라는 기대가 있었습니다. 그러나 결과는 놀라울 수 있습니다.

오실로스코프 프로브 분석

오실로스코프 프로브 성능 분석은 다양한 프로브 유형에 대해 더 많이 알아보고 실제 시나리오에서 다양한 프로브를 사용하여 측정하는 방법에 미치는 영향을 이해하는 것을 목표로 했습니다.

프로브 성능은 고속 신호를 볼 때 특히 중요하며, 저품질 프로브는 정확한 파형을 표시하지 못할 뿐만 아니라 그것의 전기 용량 및 유도 특성이 모니터링하려는 회로의 작동에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 사용하는 프로브가 무엇인지, 그리고 측정하려는 신호에 어떤 영향을 미칠지를 이해하는 것이 매우 중요합니다.

프로브 차이로 인한 문제는 여러 종류의 프로브에 접근할 수 있는 큰 실험실에서 특히 문제가 될 수 있습니다. 회로를 테스트할 때 기록한 측정값은 다른 프로브를 사용하여 다시 측정하면 다를 수 있습니다. 이것이 공식 검증 및 검사 테스트에 사용하는 테스트 장비, 프로브 및 리드를 포함하여 완전한 기록을 보유해야 하는 이유 중 하나입니다.

테스트된 오실로스코프 프로브는 다음과 같습니다:

• Rigol PVP2150 150MHz 프로브
• Rigol PVP2350 350MHz 프로브
• Keysight N2140A 200MHz 프로브
• Keysight N2889A 350MHz 프로브
• Keysight N2894A 700MHz 프로브
• Pico Technology TA375 100MHz 프로브
• Digilent P6100 460-004 100MHz 프로브
• Youmile P6100 100MHz 프로브
• YPioneer 고전압 P4200 100MHz 프로브

오실로스코프 프로브 설명

이상적인 오실로스코프 프로브는 회로 보드에서 측정하는 신호를 오실로스코프에서 절대적인 충실도로 복제하며, 회로를 로딩하거나 노이즈가 신호를 저하시키는 것을 허용하지 않습니다. 현실은 항상 신호 왜곡, 로딩 및 노이즈의 일부 요소가 있을 것이라는 것입니다. 전형적인 절충안은 예산 제약 내에서 회로 보드와 측정 신호 모두에 미치는 부정적인 영향을 최소화하는 것입니다.

프로브에는 주로 두 가지 유형, 수동 프로브와 능동 프로브가 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이, 수동 프로브는 수동 구성 요소를 사용하여 신호를 감쇠시켜 측정된 신호의 최대 전위차가 오실로스코프의 한계 내에 있도록 합니다. 가장 간단한 형태의 수동 프로브는 감쇠 없이 실질적으로 전선의 길이입니다. 능동 프로브는 입력 임피던스를 최소화하고 감도를 향상시키기 위해 일반적으로 연산 증폭기를 기반으로 하는 능동 회로를 사용합니다. 이상적인 프로브는 높은 입력 임피던스와 낮은 입력 용량을 가집니다.

일반적으로 프로브는 소음을 최소화하기 위해 차폐된 동축 케이블을 사용하며, 이는 수동 프로브의 유도 및 용량 특성에 추가됩니다. 보통, 프로브는 임피던스 매개변수를 수동으로 조정하여 프로브가 연결된 회로에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 보상 회로를 포함합니다. 물론, 이 임피던스는 주파수에 따라 달라지므로, 측정된 신호의 주파수에 보상을 조정하는 것이 항상 중요합니다. 프로브 헤드와 오실로스코프 커넥터 사이의 케이블 길이가 측정에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 대역폭에 영향을 미칩니다. 이 영향은 프로브 리드가 유용할 정도로 충분히 길지만 필요 이상으로 길지 않은 이유입니다.

일반적인 전자 회로 보드에서는 보통 찾아볼 수 없는 고전압 측정과 같은 응용 분야를 위한 전문 오실로스코프 프로브도 있습니다. 이러한 프로브에는 사용자를 전기 충격의 위험으로부터 보호하는 안전 기능이 포함됩니다.

오실로스코프 프로브를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 요소가 있습니다.

• 대역폭은 프로브가 정확하게 측정할 수 있는 효과적인 최대 주파수를 정의하며, 신호의 -3dB 지점을 사용하여 지정됩니다. 이 주파수를 크게 초과하는 신호는 최선의 경우 감쇠되어 손실되고, 최악의 경우 극도로 왜곡되어 오도된 측정값을 제공할 수 있습니다.
• 상승 시간은 프로브가 정확하게 측정할 수 있는 가장 빠른 일시적 신호 변화를 정의하며, 기본적으로 빠르게 변화하는 신호의 경사도입니다.

오실로스코프와 프로브는 정확하게 측정할 수 있는 최대 주파수와 상승 시간을 제한할 것이며, 이는 디지털 클록 신호를 볼 때 심각한 제한 요소가 될 수 있습니다. 정확한 상승 시간은 사각파 신호의 고주파 신호 구성 요소를 정밀하게 측정하는 데 의존합니다.

프로브가 정확하게 측정할 수 있는 최대 전위차는 동적 범위입니다. 이는 일반적으로 직류 신호 구성 요소에 대해 지정되며, 신호 주파수가 증가함에 따라 일반적으로 감소합니다. 공통 모드 및 차동 모드 값의 동적 범위를 지정하는 차동 측정 프로브가 사용 가능합니다. 전원 공급 장치를 측정하기 위해 설계된 프로브도 있으며, 상당한 직류 신호에 부과된 작은 교류 신호를 측정하도록 조정됩니다.

오실로스코프 프로브 테스트 접근 방식

다양한 프로브에 대한 주파수 응답 분석에 보드 플롯 기반 테스트 과정이 사용되었습니다. 프로브 테스트에 사용된 오실로스코프는 이러한 유형의 테스트를 위한 내부 기능을 가지고 있지만 최대 50MHz로 제한됩니다. 더 넓고 대표적인 대역폭에서 비교를 생성하기 위해, Siglent SDG7102A 임의 파형 생성기가 700kHz에서 700MHz까지 주파수를 단계별로 진행하도록 프로그래밍되었습니다. 프로브 테스트에 사용된 오실로스코프는 이 테스트 대역폭을 제한했습니다. 파형 생성기는 또한 상승 에지가 500 피코초의 비율로 신호를 생성할 수 있어 상승 시간 응답의 테스트를 가능하게 했습니다.

테스트 초점은 단순히 고속 사인파를 측정하는 것이 아니라 고속 요소를 가진 신호를 탐침하는 전형적인 사용 사례에 주로 맞춰졌습니다. 이 테스트 방법은 오실로스코프 프로브의 전형적인 사용을 대표하여 회로 설계자에게 더 가치 있는 결과를 제공합니다. 우리는 주파수 응답 분석이 몇 가지 흥미로운 통찰을 제공했다는 것을 알게 될 것입니다.

테스트의 중요한 측면 중 하나는 프로브의 올바른 보상을 보장하여 결과를 교차 비교하고 정성적 성능 평가를 생성하기 위해 비교할 수 있도록 하는 것이었습니다.

오실로스코프 프로브 테스트 결과

이 기사에 동반된 비디오에서 테스트 결과를 가장 잘 볼 수 있으며, 여기서 각 프로브가 생성한 파형을 관찰하고 결과에서의 차이점과 경우에 따라 차이가 없는 점을 볼 수 있습니다. 

예를 들어, 지정된 대역폭이 150MHz와 350MHz인 두 개의 Rigol 프로브를 테스트한 결과, 파형 모양과 지속적인 오버슈트를 포함하여 거의 동일한 주파수 응답을 생성했습니다.

이 결과는 그들이 기능적으로 동일하며 단지 다르게 라벨링되었다는 것을 제안합니다. 이 결과는 이러한 프로브의 사용자들로부터의 일화적 증거와 일치합니다.

주요 발견 중 하나는 일부 프로브가 사양 값보다 훨씬 높은 -3dB 지점을 보여준 대역폭 결과였습니다. 예를 들어, Rigol 프로브는 약 750 피코초의 상승 에지를 가진 신호를 포착하여 약 460MHz의 대역폭에 해당했습니다. 이는 그들의 지정된 대역폭 150MHz와 350MHz를 초과합니다. 흥미롭게도, Keysight N2140A 200MHz 프로브도 약 460MHz의 관찰된 대역폭을 가졌습니다.

Rigol 결과 요약

Rigol PVP2150 150MHz 프로브와 Rigol PVP2350 350MHz 프로브는 거의 동일한 측정된 파형을 생성했습니다.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Keysight 결과 요약

예산 친화적인 Keysight N2140A는 정확한 공장 보정과 뛰어난 빠른 에지 테스트 측정 결과를 제공하는 두 개의 프로브 팩으로 제공됩니다. 측정된 파형은 소스 테스트 신호와 크게 일치하여 우수한 측정 정확도를 제공했습니다.

등급이 높은 Keysight N2889A 350MHz 프로브에 대한 관찰 결과, 저가의 Rigol 모델보다 신호 파형과 더 유사한 측정 파형을 생성했습니다. 이 프로브는 약 460MHz의 대역폭을 가로질러 에지 속도의 탁월한 파형 표현을 생성했습니다. 그러나 그 비용이 저가 Rigol 옵션보다 다섯 배 이상 더 많기 때문에 결과가 크게 더 나은 것은 아니었습니다. 이 프로브의 입력 용량이 낮은 대역폭 Keysight 프로브 테스트보다 높다는 점은 회로 기판의 용량성 부하에 민감한 지점에서 신호를 탐색할 때 중요합니다.

최고 등급의 Keysight N2894A 700MHz는 예산 프로브보다 약 열 배 더 비싸지만 입력 용량은 거의 절반입니다. 테스트 결과, 상승 에지의 측정 속도는 대략 520MHz의 대역폭에 해당한다고 기록되었습니다. 그러나 이 값은 고임피던스 입력에 대한 오실로스코프의 대역폭을 초과하므로, 이 프로브가 200MHz 프로브만큼 파형을 잘 나타내지 못할 수 있지만, 오실로스코프의 전면 대역폭 제한이 원인일 수 있습니다. 종이에는 700MHz Keysight 프로브가 최선의 선택이어야 하며, 테스트 및 프로브 교정 제한이 해결된 후 실제 세계에서도 그렇게 될 수 있습니다.

이 제한은 오실로스코프의 대역폭보다 빠른 구성 요소를 가진 신호를 측정할 때 중요합니다. 테스트 오실로스코프의 50옴 입력은 6.3GHz의 대역폭을 가지고 있어, 테스트 파형을 생성하는 데 사용된 기능 발생기 신호의 능력을 훨씬 초과했습니다. 예산 친화적인 N2140A 프로브는 일반적으로 더 높은 등급의 N2894A 모델보다 더 깨끗한 파형을 생성했습니다.

Pico Technology 결과 요약

PicoTest USB 오실로스코프 범위에 대한 Pico Technology TA375 프로브는 상대적으로 낮은 대역폭을 가지고 있으며 가장 대표적이지 않은 파형을 생성합니다.

테스트 결과 상승 에지 응답은 상대적으로 빠르지만 35%의 과도한 오버슈트를 포함하고 있습니다. 테스트 신호의 상승 시간을 약 2나노초로 줄이면 오버슈트를 허용 가능한 수준으로 제어하고 3나노초로 내려갔을 때 상대적으로 깨끗한 측정 신호를 생성했습니다.

결론적으로, 이 저예산 프로브는 일반적으로 20MHz 오실로스코프와 함께 사용될 때 저주파 작업에 탁월합니다.

Digilent 결과 요약

예산 범주에 확실히 속하는 Digilent 460-004는 "P6100"으로 표시되며, 나중에 살펴볼 Youmile 프로브와 동일한 모델 번호임을 알게 될 것입니다.

이 100MHz 대역폭 프로브는 또한 100MHz 사각파를 측정할 때 35%의 오버슈트를 보였습니다. 그러나 이러한 나쁜 성능은 상승 에지 응답에만 한정되었고, 나머지 측정된 파형은 테스트 신호를 합리적으로 대표했습니다.

상승 에지를 2.5나노초 이하로 줄이면, 155MHz 대역폭을 나타내며, 오버슈트를 5% 이하로 떨어뜨렸는데, 이는 여전히 광고된 사양보다 훨씬 높습니다. 이러한 저비용 프로브는 Analog Discovery 또는 기타 Digilent USB 오실로스코프와 같이 최소한의 대역폭을 가진 오실로스코프를 사용할 때 훌륭할 수 있습니다.

Youmile 결과 요약

Youmile P6100 프로브의 첫인상은 지정된 대역폭이 동일하며 약간 더 비싼 Digilent 460-004 프로브와 시각적으로 동일하다는 것입니다. 그러나 테스트 결과 Digilent 프로브와 비교하여 빈약한 공장 교정으로 인해 주파수 응답이 급격히 떨어졌습니다.

프로브를 교정하려는 시도는 트림 조절이 여행의 끝에 도달하고, 부실한 제조로 인해 플라스틱 트림 도구가 손상되어 조정을 위해 금속 트림 도구가 필요했습니다.

보정 후, 유마일 프로브의 테스트 결과는 기대에 미치지 못했습니다. 100MHz 사각파를 사용하여 테스트했을 때, 측정된 신호는 거의 유사성이 없어 측정 도구로서 사용할 수 없었습니다. 프로브의 지정된 대역폭 내에서 주파수를 크게 줄여도 테스트 신호를 충분히 대표하는 측정 파형을 생성하지 못했습니다.

초기에 외관이 동일함에도 불구하고, Digilent 프로브는 유마일 제품에 비해 훨씬 우수한 결과를 제공했습니다.

YPioneer 고전압 결과 요약

고전압 YPioneer P4200은 이 시리즈의 테스트에서 표준 프로브와의 성능을 관찰하기 위해 포함된 유일한 100:1 프로브입니다. 안전상의 이유로 고전압 테스트는 포함하지 않고 다른 프로브와의 비교 테스트만 수행했습니다.

전반적으로, 예산 고전압 프로브는 지정된 100MHz 대역폭 내에서 합리적으로 대표적인 파형을 생성했으며, 500피코초 상승 에지를 측정할 때 기대를 초과했습니다. 성능은 약 1.5나노초 상승 시간에서 떨어졌지만, 이는 프로브의 평가된 대역폭의 두 배에 해당합니다.

Keysight 테스트 결과

모든 테스트에는 강력한 실험실 장비인 Keysight MXR 오실로스코프를 사용했습니다. 하나의 하이라이트는 우수한 프로브 보정 기능이었습니다.

스코프-프로브 보정 전

스코프-프로브 보정 후

전반적으로, 프로브 테스트의 결과는 Keysight의 두 번째로 저렴한 N2889A 200MHz 프로브가 다른 모든 수동 프로브를 큰 차이로 능가했음을 보여주었습니다. 주파수 응답 분석이 최고는 아니었지만, 궁극적으로 프로브에서 원하는 것은 소스 테스트 신호와 가장 밀접하게 일치하는 측정 파형을 생성하는 것이었고, 이를 달성했습니다.

프로브를 회로에 연결하면 프로브의 임피던스 때문에 회로의 동작이 변경될 수 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 회로를 정확하게 조정하기 위해 프로브를 사용하는 것이 프로브를 분리하는 순간 회로 동작이 변경되어 무산될 수 있습니다. 프로브의 전기 용량성 및 유도성 특성도 보드의 신호를 왜곡하거나 감쇠시켜 문제를 진단하려고 할 때 성능을 저하시킬 수 있습니다.

이 테스트에서 얻은 교훈은 프로브 대역폭이 최고의 프로브를 선택하는 데 있어 전부는 아니라는 것입니다. 대역폭은 훌륭한 출발점을 제공하지만 고려해야 할 많은 요소 중 하나일 뿐입니다. 신호를 측정할 때 결과를 올바르게 해석하기 위해서는 프로브의 동작을 이해하는 것이 중요합니다.

결론

전반적인 결과는 상대적으로 저렴한 브랜드명 200MHz 프로브가 일련의 테스트에서 다른 모든 프로브를 능가할 수 있음을 보여주었습니다. 키사이트 N2140A는 성능이 가장 낮은 예산 프로브보다 약 세 배 비싸지만 세 배 이상의 성능을 제공합니다. 따라서 저렴한 프로브는 오실로스코프를 사용하는 목적인 정확한 측정을 방해하기 때문에 거짓 경제를 나타냅니다. 또 다른 고려 사항은 키사이트, 텍트로닉스, 로데슈바르츠와 같은 주요 브랜드명 프로브의 경우 품질 관리와 프로브 간 일관성에 대해 합리적인 확신을 가질 수 있다는 것입니다.

마지막으로, 보드를 테스트할 때 프로빙 기술은 신호 측정에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 모든 프로브 테스트는 동일한 기술을 사용했으므로 비교 테스트에서 어떤 효과도 상쇄하지만, 오실로스코프를 사용할 때는 항상 최상의 결과를 얻기 위해 최고의 프로빙 관행을 따르는 것이 중요합니다.