[그림] 수평축 제어

2.6.1 수평 메뉴

Main/Delayed 버튼을 누르면 관련 메뉴가 나타난다. 다음 그림은 화면 아이콘 설명과 컨트롤 표시자를 보여준다.

2.6.2 지연 스위프 (Delayed Sweep)

지연 스위프는 주 파형 창의 일부분을 확대하기 위해 사용된다. 파형의 보다 세부적인 분석을 위해 지연 스위프를 사용하여 주 파형 창의 위치를 지정하고 일부를 확대할 수 있다.

※ 지연 스위프 타임 베이스 설정은 주 타임 베이스 설정보다 느리게 설정할 수 없음

[그림] 지연 스위치 창

Main/Delayed 메뉴를 활성화 한 후, Delayed 버튼을 눌러 ON 시키면 그림 2.12와 같이 화면이 두 부분으로 분할된다. 디스플레이의 상단 부분은 메인 파형을 보여주고 있으며, 하단은 두개의 블록에 의해 가려지지 않은 부분을 확대해서 나타낸다. 이 모드에서 수평 위치 및 스케일 노브는 지연 스위프 창의 크기와 위치를 제어한다. 주 타임 베이스를 변경하려면 지연 스위프 모드를 꺼야 한다.

2.6.3 X-Y 형식

이 형식은 두 파형의 위상 상관 관계를 연구하기 위해 유용하다. 일반적으로는 X축이 시간,  Y축이 파형의 크기를 나타내는데, X-Y형식으로 표시하면, X축에 채널 1의 크기가 Y축에 채널 2의 크기가 표시된다. 오시로스코프 화면에는 파형 데이터가 점으로 표시되며, 예를 들어 90도 위상차를 갖는 정현파를 채널 1과 채널 2에 입력할 경우, 완전한 형태의 원이 그려진다. 샘플링 속도는 기본 1MSa/s이며, 2kSa/s～100MSa/s 범위에서 변경 가능하다.

[그림] X-Y 디스플레이 형식

• DC커플링은 실제 파형을 그대로 표시한다,

• AC 커플링은 DC 오프셋(offset) 전압을 제거한 교류 파형을 나타낸다.

• 마지막으로 GND 커플링은 입력 파형을 차단하고, GND 파형을 표시한다.

 일반적으로 파형의 실제 형태 및 크기를 측정하고자 할 때는 DC 커플링 상태를 사용한다. 그리고 화면에서 GND (0V) 위치를 파악하고 위치를 이동하고자 할 때는 GND 커플링을 선택한 후, 수직 위치 노브를 조정하여 GND 위치를 움직일 수 있다. AC 커플링은 측정하고자 하는 신호가 기본적으로 DC 오프셋 전압을 가지고 있고 작은 교류 신호가 중첩되어 있을 때 사용한다. 이 때 DC 커플링 상태에서는 작은 교류 신호가 잘 나타나지 않기 때문에, AC 커플링을 사용하여 DC 오프셋 전압을 제거하고 수직 크기 노브를 조절하여 작은 교류 신호를 확대하여 정확히 측정할 수 있다.

커플링 선택은 메뉴 버튼을 누르고, 나타난 커플링 메뉴에서 선택한다.

1) AC 커플링 : DC 오프셋 전압을 입력 파형으로부터 제거

• 우측의 메뉴에서 AC 커플링임을 확인할 수 있고, 또한 아래 상태 표시줄의 교류 기호에서 AC 커플링 상태임을 나타낸다.

[그림] AC커플링 상태

2) DC 커플링 : 실제 입력 파형 (AC 및 DC 컴포넌트) 표시

• 우측의 메뉴에서 DC 커플링임을 확인할 수 있고, 또한 아래 상태 표시줄의 직류 기호에서 DC 커플링 상태임을 나타낸다.

[그림] DC 커플링 상태

3) GND 커플링 : 파형 차단

• 우측의 메뉴에서 그라운드 커플링임을 확인할 수 있고, 또한 아래 상태 표시줄의 접지 기호로 GND 커플링 상태임을 나타낸다.

[그림] 그라운드 커플링 상태

1) 위치 노브를 사용하여 파형이 디스플레이의 중앙에 오도록 한다.

• 위치노브를 돌리면, 파형의 수직 위치가 변경된다.

• 위치 노브를 돌리면 전압 값이 잠깐 표시되어 그라운드 레퍼런스와 화면 중앙과의 거리가 표시된다는 것에 주목한다.

• 또한 디스플레이 좌측의 그라운드 기호가 위치 노브와 연관하여 움직인다는 것에도 주목한다.

※ 채널이 DC커플링 된 경우, 그라운드 기호부터의 거리만을 통해 파형의 크기 값을 측정할 수 있음. 채널이 AC 커플링 된 경우, 파형의 DC성분이 차단되어 파형의 AC 부분을 표시하기 위해 더 큰 감도를 사용할 수 있음

2) 스케일 노브

• 스케일 노브를 회전하면, 화면에 표시되는 파형의 크기가 변경된다. 즉 Volt/scale이 변경되어 1칸에 나타나는 크기가 바뀜

• 수직 설정의 변경이 상태 표시줄에도 영향을 주는 것에 주목하여, 상태 표시줄을 통해 수직 설정을 신속히 파악할 수 있다.

• 1 버튼을 누르면. CH1(채널1) 메뉴가 나타나고 1번 채널이 선택되어, 1번 파형의 설정을 변경할 수 있다.

• 각 메뉴 버튼을 작동해보고 어떤 버튼이 상태 표시줄을 변경시키는지 주목

• 1 버튼을 눌러 채널을 끄거나 켭니다. MENU ON/OFF(메뉴 켜기/끄기) 버튼은 채널을 끄지 않고 메뉴를 표시하거나 숨김

※ 채널의 수직 스케일 노브를 누르면 감도가 대략 모드와 미세 모드 사이에서 변경된다. 대략 모드에서 노브를 돌리면 Volts/Div 스케일이 2mV/div, 5mV/div, 10mV, ..., 5V/div 순서로 변경되고, 미세 모드에서 노브를 돌리면 Volts/Div 스케일이 대략 모드에서보다 작은 간격으로 변경된다.

[그림] 프로브 보상

그림 3.2.1는 현재 본 교재에서 사용하고 있는 Agilent사의 디지털 오실로스코프 DSO3000의 매뉴얼에서 발췌한 전면부 형태이다. 타사 제품의 경우 기능 및 버튼 등이 다를 수 있으나, 오실로스코프가 동작하기 위한 기본적인 기능은 모두 유사하므로 본 교재의 오실로스코프를 기준으로 확인하기 바란다.

[그림 3.2.1] 오실로스코프 제어판 및 사용자 인터페이스

• 전원버튼 : 오실로스코프의 전원 ON/OFF

• 프로브 연결포트 1, 2 : 측정하고자 하는 채널에 프로브를 연결하는 포트

• 프로브 보상단자 : 일정한 주파수와 크기의 구형파를 출력하는 단자로써, 프로브를 연결하여 구형파를 측정하면서 오실로스코프의 기능과 프로브의 보상을 수행할 수 있음.

• 채널선택버튼 : 1번 채널과 2번 채널 선택 버튼

• 한번 누르면 녹색 불이 켜지면서 스코프 화면에 해당하는 채널 파형이 나타남.

• 한번 더 누르면 해당 채널의 메뉴가 표시됨.

• 한번 더 누르면, 불이 꺼지면서 채널 파형이 없어짐

• 메뉴 ON/OFF : 해당하는 채널의 메뉴의 화면 표시 또는 없어짐

• 수직 컨트롤 (Vertical) : 해당 채널에 대한 수직축 크기(Volt/scale) 설정 및 파형의 수직 위치를 이동하게 함. (결정된 volt/scale은 수직 축 grid 한 칸의 전압 크기를 나타냄)

• 수평 컨트롤 (Horizontal) : 모든 채널에 수평축 크기 (time/scale) 설정 및 파형의 수평축 위치를 이동하게 함 (결정된 time/scale은 수평 축 grid 한 칸의 시간 크기를 나타냄)

• 실행컨트롤 : Run/Stop 버튼은 파형의 실시간 측정 또는 파형의 정지 상태를 제어할 수 있으며, 정지 중일때는 버튼이 빨간색임.

• Auto Scale 버튼 : 프로브가 연결된 모든 채널의 파형을 화면에 표시하고, 자동으로 수직컨트롤과 수평컨트롤 및 트리거를 수행하여 파형이 화면 중앙에 위치하도록 함.  

• 트리거컨트롤 : 파형의 트리거를 결정하는 버튼으로 트리거란 마치 카메라의 초점을 맞추는 것처럼, 계속 시간에 따라 변화하는 파형을 화면에 정지되어 있는 것처럼 표시할 수 있도록 트리거의 위치를 적절히 선택함.

구형파(square wave)란 주기를 가지는 사각형 모양의 파형을 의미한다. 다음 그림에서 두 번째 파형이 구형파이다.

[그림] 위에서부터 정현파, 구형파, 삼각파, 톱니파 신호이다.

이 기기의 보상단자에서는 주기가 1ms이고 크기가 3V인 구형파가 생성된다.

[그림 3.2.2] 오실로스코프 화면의 사용자 인터페이스  

[그림 3.2.2]은 오실로스코프 화면을 보여준다. 화면에는 측정하고자 하는 파형뿐 아니라, 다양한 상태 정보가 표시되며 이를 보면서 현재 파형의 정보를 파악할 수 있다. [그림 3.2.2]의 화면을 분석해 보자.

• 수집상태 : STOP – 현재 오실로스코프는 정지 상태로 입력의 변화를 측정하지 않음

• 채널 1 접지 기호 : 기호가 위치한 수직 축의 중앙이 측정 신호의 0V 위치임

• 채널 1 상태 : 수직 축 Grid 한 칸의 간격이 20mV이며, DC 커플링 상태임, 따라서 파형의 크기는 ±50mV의 구형파임을 알 수 있음

• 타임베이스 상태 : 수평 축 Grid 한 칸의 간격이 500us 이며, 파형의 한주기는 2칸을 차지하므로 파형이 1000us 즉 1ms의 주기를 나타냄.

[그림 3.1.1] 2채널 디지털 오실로스코프 및 프로브

본 교재에서는 Agilent사의 DSO3000시리즈의 2채널 스코프를 기준으로 설명한다. 프로브는 측정하고자 하는 파형의 위치에 프로브 팁을 접촉하고 오실로스코프에 연결하여 파형을 측정하게 한다.

숫자를 표기하는데 많이 사용되는 장치로 7세그먼트가 있다. 이것은 7개의 선과 하나의 점으로 구성되어 있는데 주로 아라비아 숫자 0~9와 제한적으로 알파벳 등을 표시할 수 있다. 외형은 다음 그림과 같다.

7세그먼트는 내부 회로 구성에 따라 에노드 공통형과 케소드 공통형으로 나뉜다.

보통 부품을 정면을 바라봤을 경우 좌우로 각각 다섯 개의 핀들이 나와 있는데 핀 번호는 다음과 같다.

7세그먼트로 표시할 수 있는 숫자와 문자를 예로 들면 다음과 같다.

기본적인 회로는 만약 5V 전원을 이용한다면 다음과 같이 꾸밀 수 있다.

(주의) 실험에 사용되는 S-3191CSR의 핀 배열은 일반적인 경우와 약간 다르다. 위의 그림대로 결선하면 된다.

이 회로대로 결선하면 7세그먼트의 모든 LED가 빛을 내게 된다.

[그림 1.1.9] 다양한 소재의 고정저항

 저항은 고정저항, 가변저항, 어레이 저항으로 구분할 수 있다. 고정저항은 항상 일정한 값을 갖지만 가변저항은 일정 범위 내에서 저항값을 바꿀 수 있다. 어레이 저항은 고정저항의 일종으로 디지털 회로 등에서 동일한 크기의 저항을 대량으로 사용할 때 이용하기 용이하도록 여러 개의 저항을 하나로 묶어 놓은 형태를 갖는다. 또한 소재에 따라 탄소피막저항, 금속피막저항, 산화금속피막저항, 권선형저항, 시멘트저항, 세라믹저항 등으로 구분된다.

1) 탄소피막저항 : 양산화에 의해 가격이 싸며, 높은 저항치를 소형으로 제조 가능하기 때문에 고정밀도나 대전력이 아닌 모든 경우에 가장 많이 사용되고 있다.

• 저항범위 : 1.0Ω ∼ 100MΩ

• 전력범위 : 1/8W, 1/4W, 1/2W

2) 금속 피막 저항 : 정밀한 저항이 필요한 경우에 가장 많이 사용하며 특히 고주파 특성이 좋아 디지털 회로에 널리 사용되지만, 단점은 가격이 비싸다는 점이다.

• 저항 범위：20Ω ∼ 2ＭΩ

• 전력 범위：1/8Ｗ,1/4Ｗ,1/2Ｗ

3) 산화금속피막 저항 : 소형이면서도 큰 전력에 견딜 수 있으며 열에 강하기 때문에 전원회로 등에 널리 쓰인다.

• 저항 범위：10Ω∼100ｋΩ

• 전력 범위：0.5Ｗ,1Ｗ,2Ｗ,3Ｗ

4) 권선형 저항 : 금속저항선을 세라믹 로드와 같은 권심에 감아서 일정한 저항 값을 갖도록 만들어서 정밀한 저항 값을 갖으며, 고온과 습도에 우수한 특성을 갖는다. 주로 계측기에 사용하고 있으나 고저항값을 얻기 힘들다.

• 저항 범위：0.1Ω∼200ｋΩ

• 전력 범위：1/8W∼2W

5) 시멘트 저항 : 온도와 습도로부터 저항기를 보호하기 위하여 저항체를 시멘트 몰드에 넣어 만든 저항으로써 내전압 특성이 우수하며 고온에도 잘 견디므로 주로 대전력을 다루는 부분에 사용된다.

6) 가변저항 : 볼륨형 가변저항과 반고정 가변저항이 있으며, 볼륨형이라는 단어는 오디오의 볼륨 조절과 같이 기기의 외부에 손잡이를 두고 항상 조절 가능한 형태의 저항을 나타낸다. 반고정 가변저항은 볼륨형 저항과 달리 대부분 회로 기판에 직접 장착되며 회로의 동작점을 미세조정할 때 사용된다.

[그림 1.1.10] 다양한 가변저항들

7) 네트워크 저항은 부품의 집적도를 높이기 위해 여러 개의 저항을 하나의 패키지 안에 넣고 저항 네트워크를 구성한 것으로 칩 형태와 다리를 갖는 형태의 어레이 저항이 있다.

[그림 1.1.11] 네트워크 저항

 저항에 따라 전력 용량이 다르기 때문에 회로의 저항에서 소모되는 전력을 확인하고 용량에 맞는 저항을 선택하여야 한다. 실습에서의 대부분의 회로는 매우 작은 전력만을 저항에 흘리므로 1/4W나 1/8W정도의 저항이면 충분하다. 저항은 극성이 없이 사용된다.

[표] 대표적인 도체의 상온에서의 전기전도도

 절연 물질은 전류의 흐름이 매우 약한 물질이며 전류의 흐름이 요구되지 않는 곳에서 전류의 흐름을 막기 위해 사용된다. 도체와 비교하여 절연체는 거의 자유전자를 갖고 있지 않다.

[그림 1.1.8] 전선의 구조. 도체를 부도체가 감싸고 있다.

 반도체는 가해지는 전압의 요건에 따라 전류가 흐르거나 그렇지 않기도 하는  독특한 성질을 가진다. 몇몇의 반도체 물질들은 다이오드(diod), 트랜지스터(transister) 같은 현대 전자 소자의 기본이 된다. 실리콘과 게르마늄이 가장 보편적으로 사용되는 반도체 물질이다. 순수한 상태에서는 부도체와 비슷하지만 불순물의 첨가나 기타 조작에 의해 전기전도도가 늘어나기도 한다.