오실로스코프 첫 실험: 프로브 보정, DC·AC 커플링, V_pp 읽는 법

함수발생기와 오실로스코프 실험에서 화면에 표시된 값으로 원리와 흔한 실수를 정리합니다.

전자회로실험 첫 시간에는 직류 전원과 멀티미터에 이어 함수발생기와 오실로스코프 쓰는 법을 익힙니다. 전원·멀티미터 쪽은 전류계 가이드에서 실측값으로 다뤘고, 이 글은 실험의 뒷부분입니다. 표의 숫자는 실험 때 스코프 측정 패널에 표시된 값을 그대로 옮긴 것이고, 파형 그림은 발생기 설정값으로 다시 그렸습니다.

1. 실험 목적

• ×10 프로브를 보정하고, 보정이 안 된 프로브가 파형을 어떻게 바꾸는지 봅니다.
• 정현파·구형파·삼각파의 V_pp와 주파수를 화면에서 읽습니다.
• DC 오프셋을 넣고 DC 커플링과 AC 커플링의 차이를 확인합니다.
• 수직 위치, 시간축을 바꿔도 측정값은 그대로인지, 어떤 조작이 측정을 방해하는지 알아봅니다.

2. 원리

프로브 보정. ×10 프로브는 팁 쪽 9 MΩ과 스코프 입력 1 MΩ으로 신호를 10분의 1로 나눕니다. 그런데 스코프 입력과 케이블에는 커패시턴스 C₂가 있어서, 저항만 있으면 높은 주파수 성분이 더 많이 줄어듭니다. 그래서 9 MΩ 옆에 조정 가능한 C₁을 두고, 두 RC의 시정수를 맞춥니다.

C₁이 크면 구형파 모서리가 솟았다가 내려오고(과보상), 작으면 모서리가 둥글게 올라갑니다(부족 보상). 예시 값으로 계산하면 이렇습니다. 과보상에서는 모서리 순간 높이가 1.23 V, 부족 보상에서는 0.74 V로 시작해 시정수 약 100 µs로 1 V에 다가갑니다.

보고서의 보정 전 화면도 모서리마다 뾰족하게 솟았다가 가라앉는 모양이었고, 보정 후에는 평평한 구형파가 되었습니다. 정현파는 모양이 바뀌지 않고 진폭만 조금 달라지므로, 보정은 반드시 구형파로 확인합니다.

DC 커플링과 AC 커플링. DC 커플링은 신호를 그대로 보여 주고, AC 커플링은 입력에 직렬 커패시터를 넣어 평균(DC 성분)을 뺍니다. 이 커패시터와 입력 저항이 고역통과 필터가 되므로, 차단주파수보다 훨씬 높은 신호만 모양 그대로 지나갑니다. 차단주파수는 기종마다 다르지만 보통 수 Hz~10 Hz 정도라 1 kHz에서는 거의 영향이 없습니다.

정현파는 평균이 오프셋과 같아서 AC 커플링에서 0 V를 중심으로 내려옵니다. 듀티 30% 구형파는 평균이 중앙값이 아니라 1.2 V라서, AC 커플링 화면에서 레벨이 비대칭이 됩니다.

3. 회로 구성

함수발생기 출력(V_s)에 프로브를 물리고, 모든 접지 클립은 같은 접지에 연결합니다. 두 채널에 같은 신호를 넣으면 채널과 프로브끼리 비교할 수 있어서, 아래처럼 한쪽 채널이 이상할 때 바로 드러납니다.

4. 측정 방법

1. 프로브를 ×10에 놓고, 스코프 채널 메뉴의 프로브 배율도 10X로 맞춥니다. 둘이 다르면 값이 10배 틀립니다.
2. 프로브 팁을 CAL 단자(보통 1 kHz 구형파)에, 접지 클립을 그 옆 접지에 연결하고 보정 나사를 돌려 모서리가 평평해지게 합니다. 채널마다 따로 합니다.
3. 함수발생기를 정현파 1 kHz, 4 V_pp, 오프셋 0 V로 놓습니다. 발생기 출력 부하 설정이 50 Ω이 아니라 High-Z인지 확인합니다.
4. 시간축은 화면에 2주기 이상 보이게, 수직축은 파형이 화면의 절반 이상을 채우게 맞춥니다. 트리거 레벨은 파형의 최솟값과 최댓값 사이에 둡니다.
5. 측정 메뉴에서 V_pp와 주파수를 띄워 적고, 오프셋 2 V를 넣은 뒤 DC와 AC 커플링을 번갈아 봅니다.
6. 구형파(듀티 50%, 30%), 삼각파로 바꿔 같은 방법으로 기록합니다. 수직 위치와 시간축을 바꿔 보며 값이 어떻게 되는지도 적어 둡니다.

5. 측정값

정현파 4 V_pp에서 스코프가 표시한 값입니다. 조건의 0 V, 2 V는 오프셋, DC·AC는 커플링, "위치 이동"은 수직 위치를 옮긴 화면, 100 µs/div는 시간축을 바꾼 화면입니다. 10 kHz 줄을 빼면 모두 1 kHz이고, 비율은 CH2 ÷ CH1입니다. 시간축은 1 kHz에서 500 µs/div, 10 kHz에서 50 µs/div였습니다. 한 사진은 해상도가 낮아 V_pp를 옮기지 않았습니다(—).

진폭

주파수

구형파와 삼각파는 CH1만 측정했습니다. 30%는 구형파의 듀티비, 삼각파의 대칭(올라가는 구간의 비율)이고, 듀티 30% 구형파만 오프셋 2 V, 나머지는 0 V입니다. 주파수는 네 경우 모두 1.000 kHz로 표시됐고, 설정 대비는 설정값 4 V_pp와의 차이입니다.

6. 측정값 해석 팁

• 커플링은 V_pp를 바꾸지 않는다: 오프셋 2 V 정현파의 CH1 V_pp는 DC 커플링 3.995 V, AC 커플링 4.020 V로 거의 같습니다. 커플링이 바꾸는 것은 파형의 위치(평균)뿐입니다. 1 kHz의 CH1 네 값은 3.995~4.020 V로 설정 4 V_pp와 1% 안에서 맞습니다.
• CH2만 작게 읽혔다: CH2는 1 kHz에서 CH1의 0.74~0.78배, 10 kHz에서 0.84배였습니다. 감쇠 설정이 틀렸다면 10배 단위로 틀리고 주파수에 따라 비율이 변하지도 않으므로, 그것만으로는 설명되지 않습니다. 주파수에 따라 비율이 바뀌는 것은 CH2 프로브 보정이 덜 됐을 때의 특징이고, 보고서에 CH2를 정확히 어디에 연결했는지 적혀 있지 않으니 연결 위치나 프로브 접촉도 후보입니다. 두 프로브를 같은 점에 물리고, 프로브를 바꿔 끼워 보면 원인이 프로브인지 채널인지 가릴 수 있습니다.
• 구형파 V_pp가 4 V보다 크다: 구형파는 4.186~4.240 V, 삼각파는 4.010 V였습니다. V_pp는 최댓값과 최솟값의 차라서 모서리의 오버슈트나 링잉, 잡음 한 점까지 그대로 들어갑니다. 프로브 보정 상태와 긴 접지선이 모서리 모양에 영향을 주므로 그쪽을 먼저 의심합니다. 평평한 부분의 높이가 필요하면 진폭(Top − Base) 측정이나 커서를 쓰세요.
• 주파수가 "?"로 나올 때: 시간축을 100 µs/div로 줄인 화면에서는 CH1, CH2 모두 주파수가 "?"였습니다. 가로 14칸이면 화면에 1.4주기만 보여서 주기를 셀 수 없기 때문입니다. 500 µs/div에서는 7주기가 보였습니다. 주파수 측정에는 2주기 이상을 띄웁니다.
• 수직 위치는 측정에 영향이 없다: 위치를 옮기는 것은 화면에서 그리는 높이만 바꿉니다. 다만 파형이 화면 위아래로 잘리면 V_pp가 잘린 높이로 나오니, 파형 전체가 화면 안에 있는지 확인합니다.
• 주파수 표시의 작은 차이: 1.003 kHz와 1.000 kHz처럼 마지막 자리가 다른 것은 스코프 주파수 측정의 분해능 수준입니다. 발생기 설정 주파수와 비교할 때는 표시 자릿수까지만 의미가 있습니다.

7. 흔한 실수

• 프로브 스위치(×1/×10)와 채널 메뉴의 프로브 배율이 달라 값이 10배 틀린다.
• 함수발생기 출력 부하를 50 Ω으로 둔 채 스코프(High-Z)에 연결해 화면 진폭이 설정의 2배로 보인다. 반대로 High-Z 설정에서 50 Ω 부하를 달면 절반이 된다.
• 트리거 레벨이 파형 범위 밖에 있어 화면이 흐른다. 오프셋을 넣거나 커플링을 바꾼 뒤에는 트리거 레벨을 다시 봅니다.
• 접지 클립을 서로 다른 전위에 물린다. 스코프 접지는 보통 콘센트 접지와 이어져 있어서, 회로의 다른 점에 물리면 그 점이 단락됩니다.
• AC 커플링으로 아주 낮은 주파수 구형파를 보고 윗면이 기울어진 것을 신호 문제로 오해한다. 차단주파수 근처에서는 커플링 커패시터가 방전하며 파형이 처집니다.

V_pp를 rms나 dBV로 바꾸는 계산은 dB 계산기, AC 커플링과 프로브 보정의 RC 시정수는 RC 필터 계산기, 멀티미터로 같은 신호를 잴 때의 정확도는 멀티미터 정확도 계산기에서 확인할 수 있습니다.