오실로스코프에서 대역폭이란?

안녕하세요. 후스토리입니다 :)

 

오늘은 오실로스코프에서 대역폭이 의미하는 바를 알아보려고 해요!

오실로스코프를 보다보면 스펙 가장 첫번째에 대역폭을 확인하실 수 있는데, 그만큼 오실로스코프에서 중요한 스펙이라고도 할 수 있을 것 같아요 :) 그럼 대역폭이 무엇인지 알아볼까요?

 

오실로스코프의 대역폭은 "오실로스코프가 정확하게 측정할 수 있는 주파수 범위"를 나타냅니다.

IEEE 1057은 대역폭을 사인파 입력의 진폭이 기준 주파수에서의 레벨에 비해 3dB (대략 30%) 감소하는 지점으로 정의했습니다. 즉, 계산했을 때 대역폭은 정현파 입력 신호가 실제 진폭의 70.7%로 감쇠되는 주파수에서 지정되게 됩니다.

그래프로 한 번 봐볼까요?

위 그림에서 처럼 신호의 진폭이 잘 들어오다가 급격히 떨어지기 시작하는 지점을 볼 수 있습니다. 이 지점 중에 기준 주파수에서 3dB 떨어지는 부분을 대역폭으로 지정하게 되는 것이죠.

 

이렇게 정의된 오실로스코프의 대역폭은 오실로스코프가 정확하게 측정할 수 있는 주파수 범위를 이야기 하게 됩니다. 대역폭이 충분하지 않으면 신호의 진폭이 부정확해지고 파형의 세부 정보가 손실될 수 있습니다. 너무 많은 대역폭을 사용하면 과도한 노이즈를 가져오게 되어 부정확한 측정값을 제공하게 됩니다.

 

 

입력 신호가 사인파인 경우, 오실로스코프의 대역폭은 입력 신호의 기본 주파수와 같거나 커야 합니다. 구형파, 펄스 등의 신호의 경우 기본 주파수의 10배 이상의 대역폭이 적절합니다. 파형의 대역폭은 측정할 때 두가지 영향을 미칠 수 있습니다. 첫째로는 낮은 대역폭으로 인해 고조파가 필터링되면서 원래 파형 모양이 왜곡되어 사인파와 유사해 질 수 있습니다. 두번째로는 디스플레이 되는 파형이나 측정된 상승 시간이 왜곡되면서 진폭 오류가 증가할 수 있습니다.

 

아래 그림을 보면서 이야기 하면 이해가 조금 더 빠를 수 있습니다.

10MHz의 구형파(사각파)는 구성된 주파수를 보면 10M 부터 연속적인 주파수로 이루어져 있습니다.(구형파의 특성 상 구형파는 여러가지 주파수를 가진 사인파의 합이기 때문에, 주파수 축으로 봤을 때 아래처럼 여러가지 주파수의 합으로 생각할 수 있습니다.)

이런 10MHz의 구형파를 200MHz의 대역폭(Bandwidth)를 가진 오실로스코프로 측정 했을 때에는 거의 왜곡 없이 사각파를 그대로 받아오는 것을 확인할 수 있습니다.

 

하지만 10MHz의 구형파를 10MHz의 대역폭을 가진 오실로스코프로 측정했을 때에는 어떨까요? 왜곡이 생기고, 주파수를 받아올 수 있는 부분이 줄어들면서 원래의 구형파의 모습이 없는 다른 왜곡된 신호로 측정되는 것을 확인할 수 있습니다.

 

따라서 구형파를 측정하기 위해서는 내가 측정하고자 하는 신호를 왜곡 없이 받아올 수 있는 충분히 큰 대역폭을 결정하는 것이 중요하겠습니다.

 

 

오실로스코프의 상승 시간 측정 기능은 대역폭과 직접적인 관련이 있습니다. 아래와 같이, 상승 시간은 다음 식으로 구해집니다.

 

상승시간 = 0.35 / 오실로스코프의 대역폭(1GHz 미만인 경우)

 

예를 들어서, 10MHz 대역폭을 가진 오실로스코프의 상승시간은 0.35/10M = 35ns 정도로 생각할 수 있습니다.

 

 

오실로스코프에서 사각파(혹은 구형파)를 보려고 할 때, 사인파가 보이는 경우에는 구형파 자체의 고조파 구성 요소를 이해해야 합니다. 위에서 이야기 한 것 처럼 사각파의 경우 여러 주파수를 가지는 사인파의 합으로 이루어져 있습니다. 따라서 3차, 혹은 4차 고조파의 구성 요소가 스코프의 대역폭 상한선을 초과하지 않아야지만 구형파 신호와 비슷한 신호를 볼 수 있습니다.

 

 

오실로스코프를 고려할 때, 보는 여러가지 사항이 있을 겁니다.

주파수 대역, 샘플링 속도, 대역폭,  메모리 등등이요. 이런 스펙들을 잘 고려해서 내가 원하는 오실로스코프를 구매해야지만 나중에 신호 측정에도 문제 없이 잘 측정이 가능할 것입니다 :) 다음 시간에는 오실로스코프에서 보는 다른 사항에 대해서도 정리해 보면 좋을 것 같습니다.

 

다음번에도 또 유용한 정보로 찾아오겠습니다 :) 감사합니다.