[측정에 대하여] 내가 맞게 측정 한걸까..? : Probe 와 Oscillocsope

측정이 뭐길래..?

우리는 디지털 시대에 살고 있다.
그렇다고 디지몬 세계는 아니고...
측정이라는게 전부 전기신호를 이용해 디지털화 되기 때문이다.
측정은 우리가 세상에서 알고자 하는 속성이 얼마나 존재하고 어떻게 변화하는지를 알아보는 행위이다.
온 우주는 원자로 이루어져있고
원자는 전자와 양성자로 이루어져있다.
전자와 양성자는 모두 전하를 가지고 있으며
이 들의 변화는 전류와 전압의 변화를 발생시킨다.
그 말은 즉!
세상에서 일어나는 모든 변화는 전류나 전압의 변화를 통해 알 수 있다는 게 된다!
약간 비약이 심했지만 실제로 거의 대부분의 측정소자는 전기소자이다.
빛을 측정하는 광센서, 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 게이지, 심지어 미세먼지를 측정하는 센서도 (보통 광센서를 응용한다) 자연의 변화에 따른 전기신호의 변화를 감지한다.

출처 : 개날연 블로그 (진공 플라즈마 기초를 배울때 많이 애용했다 정말 쉽게 잘 설명되어있어서 내 블로그의 롤모델이다..)

많은 센서와 정보들이 전기 신호로 변환될 수가 있는데 이를 검출하는 가장 기본적인 장비가 바로 오실로스코프(Oscilloscope)와 프로브(Probe)이다.
프로브에는 크게 전류 프로브(Current probe)와 전압 프로브(Voltage probe)가 있다.
이 전류와 전압 프로브, 그리고 오실로스코프를 통해서 이론상 세상의 모든 변화를 측정할 수 있다.

이상적인 측정과 노이즈

이런저런 가정을 통해 측정을 하면 이게 노이즈 인지 정말 내가 원하는 신호인지 아리까리 할때가 있다.
측정된 신호파형에서 어떤게 노이즈이고 어떤게 신호인지는 논문을 봐도 잘 나오지 않는다.

출처 : 고속화 시대의 계측 프로빙 입문 https://onea01.tistory.com/199

심지어 오실로스코프 자체에도 노이즈가 섞여있고
측정하는 프로브에도 노이즈가 내제되어있다.
함수발생기에 연결해서 이상적인 파형을 이미 알고 있는 경우가 아니라면
이상적인 측정의 조건을 통해 어떻게 노이즈를 없애는 지에 대해서 알 필요가 있다.
프로브를 이용한 오실로스코프의 이상적인 측정 조건은 총 세가지 이다.
1. 이상적인 프로브 회로는 감쇄가 없어야 한다
2. 무한대의 대역폭을 가져서 모든 주파수의 신호를 얻을 수 있어야 한다
3. 모든 주파수에 대하여 선형 위상을 가져야 한다

위 조건이 이상적이라는 것은 실제로는 저렇게 측정이 되지 않는다는 것이기도 하다.
1번 조건처럼 감쇄가 없기 위해서는 프로브의 임피던스가 무한대를 가져야한다.
무한대의 임피던스를 가진 프로브로 측정하면 신호원에서 전류를 빼앗아가지 못한다.
때문에 신호를 교란시키거나 감쇄를 일으키지 못한다.

하지만 어느정도의 전류가 가야지만 프로브회로에서 검출이 가능하다.
그러니 실제로 아무런 감쇄가 없는 측정은 불가능하다고 할 수 있다.

2번 조건처럼 무한대의 대역폭을 가질 수도 없다.
일반적인 오실로스코프의 대역폭은 500MHz 정도인데 주기로 환산하면 2 ns 정도이다.
즉 2나노초 보다 짧은 신호는 측정을 할 수가 없다.
(들이는 돈에 따라 다르긴 하다, 이 스펙도 300만원짜리 Tektronix의 TDS3054 모델 스펙이다)
다만 대역폭 문제는 측정하고자 하는 신호의 유형에 따라 예상을 할 수는 있다.
예를 들어 소리신호면 소리의 전파속도가 수백 m/s 이므로 측정하는 신호의 변화도 대략 수백 마이크로초 단위일 것이다.
이런 경우 만약 나노초의 노이즈가 발생했다면 그건 노이즈로 생각할 수 있다.

3번 조건이 돈이 가장 많이 들어가는 영역이다.
일반적으로 주파수에 따라 임피던스도 변하고 신호들의 감쇄율도 다르다.
이를 보정해주기 위해서는 주파수에 따라 다른 보정치는 주는 보상회로가 필요하며, 그게 얼마나 정교한지에 따라 정밀도도 달라지고 프로브 가격도 달라진다.

프로브의 임피던스

아까 주파수에 따라서 프로브의 임피던스가 변한다는 말을 했다.
그냥 프로브에 저항만 있으면 가상 커패시턴스나 인덕턴스 등에 의해 (커패시턴스와 인덕턴스는 사실 어디에나 있다)
신호원에서 전류를 많이 가져와버릴 수 있다.
신호도 왜곡하고 오실로스코프도 망가질 수 있는 아주 위험한 일이다.
그래서 프로브의 임피던스는 RLC 회로의 조합으로 이루어져 있고, 주파수에 따라 적절한 값을 가지도록 설계되어있다.
(그러니까 이건 사서 쓰는 겁니다 교수님.. 만드는거 아닙니다...)

출처 : Tekctronix에서 배부한 프로브 기초

그리고 이로인해서 프로브 자체도 대역폭을 가지게 되는데,
오실로스코프와 마찬가지로 프로브도 작동 주파수가 명시되어있다.
측정할 수 있는 범위를 넘어가면 진폭의 감쇄가 심해서 측정을 못하거나 측정값이 불안정 할 수 있다.

출처 : Tecktronix에서 배부한 프로브 기초

그래서 이상적이지는 못해도 노이즈를 최소한으로 안고가기 위한 측정방법은
1. 감쇄를 최대한으로 줄여야한다. 프로브의 설계가 잘 되어있더라도 어떻게 측정하느냐에 따라 노이즈가 달라지게 된다.
전압을 측정한다고 할때 전선과 프로브의 접촉이 안좋으면 가상 커패시턴스가 생겨나는데 (전하가 프로브에 쌓임)
이로인해 노이즈가 생기는 뿐아니라 스파크가 튈 수도 있다. 최대한 접촉을 좋게해서 프로브가 저항으로 작동하도록(전류신호가 프로브로 읽히도록) 해야한다.
2. 내가 측정하고자 하는 대상의 대역폭을 대충이나마 계산해야한다.
신호의 주기는 대략 어느정도인지를 파악해야 노이즈를 줄이거나,
데이터를 가공할 때 분별하는 지표가 될 수 있다.
3. 프로브가 단순한 도선이 아니라 R-L-C의 조합으로 이뤄진 복잡한 회로임을 알고
각 성분으로 인해 생길 수 있는 노이즈를 인지하고 측정해야 한다.
예를 들어 접지선을 어떻게 연결하는지에 따라서 노이즈가 달라질 수도 있고,
측정을 위한 점프선이 너무 길어서 그로인한 인덕턴스로 노이즈가 생겨날 수도 있다.
그래서 어떻게해야 최선의 측정을 할 수 있을지를 실험하면서 여러가지를 시도해봐야한다.

3줄요약
1. 이론적으로 자연에서 일어나는 모든 변화는 전기신호(전류, 전압)의 변화를 통해 알 수 있다.
2. 모든 장비는 완벽하지 않다. 측정의 대상과 측정기의 스펙을 정확히 알고 측정해야한다
3. 어떤게 오류를 만들어내는지 알려면 이상적인 측정이 무엇인지를 알아야 한다.