최근 일렉트로닉스 제품은 디지털 가전부터 자동차에 이르기까지 여러 산업에서 프로세서와 소프트웨어 기능이 있는 편성기기가 번영하고 있다. 시스템으로의 입출입이 센서나 음성 등 아날로그 신호라도 프로세서는 A/D 변환된 디지털 신호로 처리된다. 그러한 시스템의 디버그에서는 디지털 신호를 해석하여 동작을 확인하는 필요성이 높아졌다.

임베디드 기기 디버그에 최적인 혼합 신호 오실로스코프

글│Motoaki Sugimoto, C&M Business HQ., Yokogawa Electric Corporation

최근 일렉트로닉스 제품은 디지털 가전부터 자동차에 이르기까지 여러 산업에서 프로세서와 소프트웨어 기능이 있는 편성기기가 번영하고 있다. 시스템으로의 입출입이 센서나 음성 등 아날로그 신호라도 프로세서는 A/D 변환된 디지털 신호로 처리된다. 그러한 시스템의 디버그에서는 디지털 신호를 해석하여 동작을 확인하는 필요성이 높아졌다.

그러한 배경 중, 이번에 개발한 DLM2000 시리즈는 종래 기종인 DL1000의 폼을 계승한 종형 소형경량 타입(293mm(H) x 226mm(W) x 193mm(D) 4.2Kg)으로(그림 1), 로직 8비트를 표준 탑재한 높은 파형 표시성능, 파형 해석기능을 가진 믹스드 시그널 오실로스코프이다. 이 새로운 제품 시리즈에 DLM2000 이라는 이름을 붙여, 익숙한 시리즈명 ‘DL’에 아날로그/디지털 혼재 시스템의 해석기(Mixed-Signal Oscilloscope)의 ‘ M’을 추가하였다.

그림 1. DLM2000 외관

MSO ‘DLM2000’

DLM2000 시리즈는 주파수대역 최대 500MHz, 최고 샘플링레이트 2.5GS/s, 최대 메모리 길이 125Mpts 의 기본 성능을 가진 디지털 오실로스코프이다.

특징적인 기능으로서 아날로그 입력 채널 한 개(CH4)를 로직(8비트)입력과 변환 표시하는 구조를 탑재하였다. 아날로그 4 채널 입력 범용기로서, 아날로그 3 채널입력＋로직 8 비트 입력의 믹스드 시그널 오실로스코프로 사용이 가능하다. 트리거 소스로서는 아날로그 4채널 및 로직 8비트의 조합이 가능하다.

이 제품의 관계에서 A/D 변환된 데이터에서 표시 데이터 생성, 각종 파형과 파라미터 연산등 을 처리하는 신호 처리부 및 트리거 검출부 기능을 1Chip 에 집적한 ‘ScopeCORE’ 엔진(그림 2)을 개발하여 종래 제품과 비교하여 바닥 면적 25%를 축소하고 소비전력을 15%를 삭감, 소형화/저소비 전력화를 실현하였다.

그림 2. ScopeCORETM 엔진

ScopeCORE 엔진 신호 처리부는 독자 아키텍처 구성으로 고속 파형 취득레이트, 데이터처리 능력 및 파형 표시 성능을 향상시켜 휘도 계조표시를 가능하게 하였고 포터블한 아날로그 오실로 감각으로 사용할 수 있는 믹스드 시그널 오실로스코프를 실현하였다.

다양한 기능
 
로직 입력 탑재 믹스드 시그널 오실로스코프

디지털 가전과 차재제어 등 임베디드 시스템에서는 디지털 제어＋아날로그 파형의 관측요구가 증가하고 있다. “기기내부의 제어를 SPI 버스（3 선식 or 4 선식)로 접속하여 모터 여자신호 를 아날로그로 관측하고 싶다”,“자동차 ECU 내 디지털 제어신호와 내부 아날로그 신호와의 시 간차를 관측하고 싶다” 등 기존 아날로그 ４채널에서는 측정 채널 수가 부족하다는 요구가 있다. DLM2000시리즈는 로직 ８비트를 표준 탑재하고 아날로그/디지털 혼재 시스템으로의 대응을 충실히 하였다.

 ScopeCORE 엔진에서는 데이터 취득부 에서 아날로그 입력과 로직 입력과의 변환을 실행한다. 취득한 데이터는 아날로그 채널 ４영역으로 저장되고,아날로그 데이터와 구분없이 데이터가 흐르기（표시 데이터처리는 로직 전용처리)때문에 로직 표시를 유효하게 하여도 고속 파형 취득레이트를 유지하고 보기 드문 현상을 놓치지 않는다.(그림 3) 동일하게 로직 파형을 아날로그 파형과 구별없이 표시(오버레이) 할 수 있기 때문에, 아날로그 신호와 로직신호의 시간차, 타이밍 관계를 직감적으로 인식할 수 있다.

그림 3. 로직 유효시 어큐뮬레이션 파형

로직표시 데이터 생성 이미지를 나타낸다. Upper/Lower 데이터 생성은 로직 전용으로 비 트마다 H/L 검출하고, 종선부분은 아날로그 표시와 동일하게 피크간을 보간, 합성 표시를 하드웨어로 실현한다.

트리거 회로로는 아날로그와 로직 모두 입력 트리거에서는 로직을 포함한 전 채널, 비트간 이 접속되기 때문에 아날로그/로직 표시 변환과 트리거 Skew 2ns 미만을 실현하였다. 관계없이 모두 조합 트리거가 가능하며, 혼재 ScopeCORE 엔진 블록도를 나타낸다.

로직 기능에서는 신규 개발한 로직 프로브(701989)를 사용하는 것으로 비트마다 Threshold 설정을 가능하게 하였다. 로직 8 비트 내에서 레벨이 다른 I2C 버스와 SPI 버스 모두 인터페이스 신호 관측이 가능하다.

휘도계조 표시와 히스토리 기능

시스템 설계시 디버그 작업에서는 드물게 일어나는 현상 확인이 회로의 동작 상황 파악을 단기간에 실행하는 것 이상으로 중요하다. 드물게 일어나는 현상의 포착 확율을 높이려면 1 초 간 취급되는 샘플점수를 늘리는 등 데이터처리 성능을 향상시킬 필요가 있고, 대량의 샘플점에서 많은 정보를 꺼내는 화상을 생성하는 것이 중요하다.

DLM2000 시리즈에서는 히스토리 기능을 사용 한 파형 취득 스피드의 고속화를 실현한다. 히스토리 기능은 과거 파형으로 거슬러 올라가 파형을 해석할 수 있는 타사에 없는 요꼬가와 독자의 차별화된 기능이다.

ScopeCORE 엔진에서는 종래 표시주기(60Hz)에서 동기한 파형 취득을 중지하고, 표시 주기와는 비동기로 1 차 데이터 처리부에서 히스토리 메모리로 ‘ｎ회’ 데이터 취득을 실행한다. 표시데이터 생성부에서는 ｎ장분의 히스토리 데이터를 화소마다 겹친 샘플점을 적산한 표시 데이터를 생성한다. 이 적산된 빈도정보를 휘도 정보로 변환한 데이터를 표시 메모리로 전송한다. 전송과 동시에 다음 데이터취득을 실시한다.

이 동작을 반복하는 것으로 최대 20,000장/초 파형 취득 레이트와 휘도계조 표현을 실현하였다(그림 4). 표 1은 메모리 길이와 최대 파형 취득 레이트 관계를 나타낸다.

그림 4. 해조표시파형

표 1

1.25Kpts 의 메모리 길이에서는 표시를 인식함과 동시에 히스토리 데이터로 20,000 장의 데이터가 축적되어 있기 때문에 그 후 데이터 해석이 실행되는 점도 매우 뛰어나다.

또한 히스토리 기능의 타임 스탬프 정보를 충실이 하였다. 종래 히스토리에 남겨진 취득 파형의 타임 스탬프는 10ms 분해능이었다. N-Single 시켄스로 취득한 파형에서는 여러장의 히스토리 타임 스탬프가 동일 시각을 나타낸다. 이번 샘플링 레이트에 비례하여 최소 분해능 50ns 에서의 타임 스탬프 표시를 가능하게 하였다.(그림 5)

그림 5. 히스토리 타임스탬프 화면

히스토리 기능의 타임 스탬프 분해능을 향상 시킨 것으로 엔진 회전수에 비례한 점화 펄스 파형의 관측으로 응용이 가능하다. 점화 펄스를 트리거 조건으로 하여 히스토리 파형으로 축적 하는 것으로 트리거간격（히스토리 타임 스템프 간격）이 짧으면 엔진 회전수가 빠르고, 넓으면 회전수가 느린 것을 나타내 엔진 회전수를 파악 할 수 있다.

롱메모리 대응

임베디드시스템에서는 시스템버스의 고속화와 전원의 변동관측등 고속의 샘플링레이트를 유지 한 채로 장시간 파형관측을 추구한다. 전장품의 차재평가등, 통신파형 품위를 평가(노이즈, 상승 등)할 경우, 변화가 빠르고 언제 일어날지 예측할 수 없는 현상을 확인할 필요가 있기 때문에 고속 샘플링으로 연속 장시간 포착이 필요하다는 요구가 증가한다.

DLM2000 시리즈에서는 반복 취득 최대 메모리길이 12.5Mpts의 실현으로 차재 LAN의 CAN(500Kbps) 신호파형 관측을 비트 레이트의 5배 샘플링 레이트 2.5MS/s 로 5 초간 파형취 득을 가능하게 하였다.(그림 6)

그림 6. 12.5 Mpts CAN 버스 파형과 줌파형

취득 시간 범위도 500S/s까지 준비하여 최장 5,000 초의 파형포착을 이용하는 것으로 전원 전압의 장시간 변동 등도 관측할 수 있다.

싱글 취득 동작에서는 최대 메모리 길이 125Mpts 로 하였다. 신호의 상세한 동작을 관측 하려면 신호변화에 대응한 샘플링 레이트로 파형을 취득할 필요가 있다. ‘ 샘플링 레이트＝ 메모리길이/파형취득시간’ 의 관계에서 메모리 길이가 긴 것은 동일 파형 취득 시간에서, 보다 고속의 샘플링레이트로 파형 관측이 가능하다.

ScopeCORE 엔진에서는 롱메모리 해석을 스트레스 없이 조작하는 고안을 탑재하였다. 대량의 데이터는 파형에 따라서 메인 파형으로 정보를 인식하기 어렵고, 트리거 조건 상당의 서치 검색 엔진을 탑재하여 묻혀진 파형에서 원하는 데이터를 도출한다.

검색된 데이터는 줌윈도우에 확대표시가 가능 하다. 줌 배율은 T/Div 보다도 더 작은 분해능으로 설정이 가능하며, 보고 싶은 파형을 최대 분해능으로 표시할 수 있다.

결론

DLM2000 시리즈에서는 미드 레인지(주파수 대역 최대 500MHz, 최고 샘플링레이트 2.5GS/s) 믹스드 시그널 오실로스코프로 로직 8 비트를 표준탑재하여 로직 표시 유무에 영향을 주지 않고 고속의 파형 취득레이트,데이터처리 능력을 향상시켰다. 표시에서도 샘플점이 겹친 상태를 휘도 또는 색으로 변환하여 XGA 분해능의 광시야각 액정판넬에 표시시켜 현상을 직감적 으로 파악할 수 있도록 하였다.

이렇게 뛰어난 파형 처리 성능을 가진 소형 믹스드 시그널 오실로스코프 DLM-2000 시리즈를 사용하는 것으로, 특히 소프트웨어로 기능을 기술하고 디지털을 제어하는 임베디드 시스템의 디버그 작업에서 효율화가 현격히 향상할 것이다.