교체용 오실로스코프 프로브 선택, 방법만 알면 쉽습니다.

경력 초기에 제가 운영하던 테스트 부서에는 22명의 엔지니어와 기술자가 있었고 부서에서 사용할 수 있는 오실로스코프가 35개 정도 있었습니다. 오실로스코프에서 발생하는 가장 흔한 고장은 프로브 불량이었습니다. 프로브 핀 파손, 간헐적인 커넥터 문제, 케이블 손상까지 오실로스코프 프로브에서 발생할 수 있는 문제들은 그야말로 끝이 없습니다. 그러다 보니 일 년에 교체한 프로브 수만 36개가 넘을 겁니다.

교체용 프로브를 찾을 때 프로브의 작동 원리나 프로브가 지정되는 방식에 대한 지식을 쌓는 것 말고는 특별한 비법이 없습니다. 거의 모든 오실로스코프에는 채널당 하나의 수동 프로브가 함께 제공되므로 프로브는 매우 일반적인 테스트 부속품이라 할 수 있습니다. 수동 프로브는 80년 기술 개발의 산물을 담고 있지만 기본 아이디어는 굉장히 간단합니다. 그림 1에서, 10:1 수동 프로브는 기본적으로 오실로스코프의 1메가옴(MΩ) 입력 종단에 연결하도록 설계된 보정 감쇠기입니다. 오실로스코프에 사용되는 1MΩ 입력은 병렬 정전 용량이 작은 1MΩ 저항기로 모델링할 수 있습니다.

그림 1: 오실로스코프의 1MΩ 입력과 함께 작동하는 10:1, 고임피던스, 수동 프로브의 회로 모델. (이미지 출처: Art Pini)

그림 1에서, 오실로스코프 입력 R_IN과 9MΩ 저항기를 직렬로 배치함으로써 10:1 감쇠가 실현됩니다. 이 조합은 프로브 입력의 저주파 신호를 오실로스코프 입력의 10배만큼 감쇠시킵니다. 더 높은 주파수 신호의 경우 동축 케이블의 정전 용량에 추가된 오실로스코프 입력(C_in)의 션트 정전 용량이 입력 신호에 대한 저역 통과 필터 역할을 합니다.

평평한 주파수 응답을 얻으려면 평형화가 필요합니다. 저역 통과 필터와 동일한 절점 주파수를 가진 직렬 고역 통과 필터를 추가하면 프로브-오실로스코프 조합의 주파수 응답이 평평해집니다. 그 원리는 시간 상수 R_IN x C_IN을 Ro x (C_{SCOPE in}+C_CABLE+C _COMP)의 시간 상수와 동일하게 하는 것입니다. 오실로스코프의 입력 정전 용량이 약간 다르므로 저역 통과 성분의 시간 상수를 조정하기 위해 가변 커패시터 C_COMP가 추가됩니다. 이 커패시터는 각 오실로스코프 설명서의 지침에 따라 저주파 보정을 설정하도록 조정됩니다.

교체용 프로브를 찾는 예를 살펴보겠습니다. Teledyne LeCroy HDO4104A 1GHz, 4채널 오실로스코프의 교체용 프로브를 찾고 있다고 가정해 보겠습니다. 이 오실로스코프에는 일반적으로 PP018 500MHz 프로브 4개가 함께 제공됩니다. 우선, 규격서에서 오실로스코프의 입력 정전 용량 C_{SCOPE in}을 찾아야 합니다. 규격서에는 입력 정전 용량이 16피코패럿(pF)으로 나와 있습니다. 나와 있는 정보가 없다면 명시적으로 ±20%의 허용 오차 범위를 가정할 수 있습니다.

먼저 DigiKey 웹 사이트에서 오실로스코프 프로브를 검색합니다. 검색 결과 중 하나는 그림 2에서 보이듯이 테스트 리드 - 오실로스코프 프로브입니다.

그림 2: 검색 기준(수동 프로브, 10:1 감쇠, 500MHz 대역폭, 10MΩ의 프로브 입력 저항)을 강조 표시해 놓은 DigiKey 웹 사이트의 테스트 리드 - 오실로스코프 프로브 페이지를 사용합니다. (이미지 출처: Art Pini)

검색 결과, 그림 3처럼 16개의 판매 제품이 나옵니다.

그림 3: 검색 결과에 16개의 프로브가 나열되며 그 중 처음 8개는 재고가 있습니다. 선택 사항 중 하나는 정확한 대체품인 PP018이지만 다른 제조업체에서 제공하는 적절한 프로브도 있습니다. (이미지 출처: Art Pini)

처음 8개 검색 결과 중 6개는 오실로스코프와 함께 제공되는 PP018 프로브를 포함한 Teledyne LeCroy 프로브입니다. 다른 제조업체의 프로브도 두 가지 있습니다(Cal Test Electronics의 CT4203과 Carlisle Interconnect Technologies의 P500-010). 다른 옵션을 비교해보는 것은 언제나 좋은 습관입니다.

각 프로브에 대한 규격서를 참조하여 표 1에 나와 있는 주요 사양을 비교할 수 있습니다.

표 1: 8가지 주요 프로브 사양을 사용하여 3개 제조업체의 프로브 제품 비교. (표 출처: Art Pini)

세 개의 프로브는 매우 근접하게 일치합니다. 앞에서 언급하지 않은 핵심 사양 하나는 보정 범위입니다. 이 사양은 프로브가 맞출 수 있는 오실로스코프 입력 정전 용량의 범위입니다. 오실로스코프의 입력 정전 용량은 16pF ±20%이므로, 표에 나온 모든 프로브가 맞출 수 있습니다.

두 번째 사양은 프로브 팁의 지름입니다. 작은 2.5mm 지름은 물리적 간섭 없이 프로브 간격을 더 가깝게 할 수 있습니다. 큰 5mm 프로브 팁은 더 견고하며 파손 위험이 적습니다. 프로브 팁의 지름은 엔지니어링 결정으로, 사용자만이 정할 수 있습니다.

결론

엔지니어는 오실로스코프 프로브 관리의 중요성을 알고 있지만 모든 손상이 바로 보이는 것은 아니므로 가장 조심스럽게 다룬 프로브라도 고장이 나는 경우가 있습니다. 공교롭게도, 이런 고장은 종종 가장 중요한 테스트 도중에 발생합니다.

위에서 살펴본 바와 같이, 교체품은 DigiKey의 제품 검색 엔진과 제공된 기본 선택 지침을 참고하여 비교적 간단하게 구할 수 있습니다. 프로브 팁 지름을 제외하고, 여기서 선택된 3개의 프로브는 주로 비용 면에서 차이가 나며 이는 결국 엔지니어링 결정에 달려 있습니다.

다른 방법으로, 옆 책상에서 '빌려'볼 수도 있겠죠.