측정기기 및 센서류

1.  측정기기 및 센서류

전자파 간섭 및 장해 현상의 측정에 사용되는 측정기는 측정목적에 따라서 선택되어야 한다. 예를 들면 장해전자파의 파형을 관찰하기 위해서는 오실로스코프(oscilloscope)와 같은 시간 영역의 파형을 측정할 수 있는 측정기를 사용하지만, 장해전자파의 스펙트럼 분포를 관측하기 위해서는 스펙트럼분석기(spectrun analyzer) 또는 EMI 수신기(EMI receiver) 등과 같은 주파수 영역에서 측정하는 측정기를 사용한다.
최근에는 디지털 기술을 이용한 디지털 오실로스코프가 시판되고 있는데 이것을 사용하면 시간 영역에서의 파형 관측뿐만 아니라 관측된 시간 영역의 파형 데이터를 기록할 수 있으므로 이 데이터를 푸리에 변환하여 스펙트럼까지도 구할 수 있다.
이러한 시간 영역 및 주파수 영역에서 사용하는 오실로스코프 및 스펙트럼분석기, EMIT 수신기의 입력 단에는 센서류 또는 측정기기가 연결되어 EMC 기본 측정량인 전합 또는 전류, 전력, 전자기장의 세기 등을 지시계(측정용 수신기의 브라운관)에 표시하게 된다. 이하에 측정용 수신기 및 수신기의 입력단에 연결하는 센서류 및 측정 기기를 살펴보기로 한다.

1.1 측정용 수신기

장해전자파의 파형은 일반적으로 불규칙하고 진폭 변화가 많으므로 장해전자파 측정용 수신기의 과도응답 특성은 대단히 중요하다. 이 특성은 주로 중간주파 증폭단의 대역폭과 검파회로의 충전 시정수, 방전 시정수 및 지시계의 기계적 시정수에 의해 결정되므로 이들 파라미터는 자세하게 정해두어야 한다. 장해전자파를 측정하기 위한 측정용 수신기의 요구조건으로는 첫째 감도특성이 좋아야 하고, 둘째 수신기의 내부회로는 넓은 진폭범위에 걸쳐서 선형 응답특성이 양호해야 하며, 셋째 펄스 형태의 장해 전자파를 용이하게 측정할 수 있도록 수신기의 과도응답 특성도 규정되어 있어야 한다. 특히 넓은 진폭 범위에 걸친 선형 응답 특성을 확보하기 위해 수신기의 입력 단에 프리셀렉터(pre selector)로서 대역 제한 필터를 장착하여야 한다. 대역제한 필터를 장착하면 불필요한 주파수 성분을 제거할 수 있으며, 큰 진폭을 가진 신호가 입력될 때 발생하는 회로의 포화를 방지할 수 있다. 이러한 특성을 갖춘 장해전자파 의 측정용 수신기로서는 CISPR 규격에 규정되어 있는 EMI 수신기가 있다.
일반적으로 EMI 수신기는 전자파장해 수신기 또는 무선간섭 측정장치(radio inter-ference measuring apparatus)라고도 불린다. 이것은 일종의 주파수 동조형 고주파 전

압계이며 측정 주파수 범위는 9 kHz이다. 수신기의 특성을 결정하는 중요 파라미터는 중간주파 회로의 대역폭, 검파기의 충전 시정수 및 방전 시정수, 지시계의 시정수 이다. CISPR 규격에서는 이들의 파라미터 뿐만 아니라 펄스응답 특성, 선택도, 측정 정밀도 등을 자세히 규정하고 있다.
전자파장해 수신기는 검파기의 특성에 따라서 첨두치 검파형식, 준 첨두치 점파형 식, 평균치 검파형식, 실효치 검파형식으로 분류한다. 이러한 첨두치형, 평균치형 및 실효치형의 검파형식을 갖는 측정기는 장해전자파가 입력되면 중간주파 증폭단에서 대역이 제한되어 중간주파수로 진동하는 포락선 형태의 중간주파 증폭기 출력신호가 얻어지는데, 이 출력신호의 첨두치, 평균치 및 실효치 레벨을 각각지시기에 표시한다. AM라디오의 수신 장해와 상관관계가 좋은 측정치를 나타내는 것으로는 준 첨두치 검파형식이 있는데 대단히 이해하기 어려운 검파형식이다. 왜냐하면 수신 장해와 측정치의 상관관계는 주관적인 평가로 이루어지기 때문이다.
그림 2.3은 각종 검파기의 응답을 그림으로 나타낸 것이다. 일반적으로 장해전자 파의 허용치는 준 첨두치와 평균치로 규정되어 있으며 여기서는 대표적인 김파기 형식에 대하여 간단히 설명한다.

 

1.1.1 준 첨두치형 측정기

준 첨두치형 검파형식(quasi-peak detector)을 갖는 전자파장해 수신기는 점파기의 방전 시정수가 충전 시정수에 비교하여 대단히 크다. 이 때문에 중간주파증폭회로에 서 대역이 제한된 장해전자파의 첨두치에 가까운 값을 지시 치로서 표시한다. 준 첨 두치형 전자파장해 수신기의 기본특성은 표 3.3과 같으며, 충전 시정수의 값은 장해 전자파에 의한 AM라디오의 수신 장해와 장해전자파 레벨의 지시치가 양호한 상관 관계가 되도록 주관적으로 평가한 실험에 의해서 정해진 것이다.

 

1.1.2 평균치형 측정기

평균치형 검파기(average value detector)를 갖는 전자파장해 수신기는 그림 2.3과 같이 장해전자파의 입력에 대하여 포락선 형태인 중간주파 출력의 평균치를 지시기

1.1.3 첨두치형 측정기

첨두치형 검파기(peak detector)를 갖는 전자파장해 수신기는 장해전자파의 입력에 대하여 포락선 형태인 중간주파 출력의 첨두치를 지시계에 표시하는 것이다. 첨두치의 추출방식으로서는 아날로그 방식과 디지털 방식이 있으며, 방전 시 정수가 대단히 큰 점파기(첨두치 검파기)를 이용하거나 포락선 검파 후에 AD변환하여 첨두치를 추출한다.
스펙트럼분석기는 시간적으로 변동하는 전기적인 신호의 주파수 스펙트럼을 표시하기 위한 측정기이며, 슈퍼헤테로다인 수신기의 국부발진기의 주파수를 스위프(sweep) 하 여, CRT 화면의 가로축에 주파수를 표시하고 세로축에 검파 출력을 표시하도록 한 것이 스펙트럼분석기이다.
먼저, 스펙트럼분석기를 장해전자파의 측정에 이용하는 경우를 생각해 보자. 스펙트럼분석기는 전자파장해 수신기와 다른 점이 있는데 그 내용은 다음과 같다. 즉, 대 단히 넓은 주파수 범위를 스위프하면서 수신하기 때문에 입력회로에 대역제한 필터 (프리셀렉터)가 없으며, 중간주파 증폭회로의 특성은 가우스 필터에 가깝다. 또한 분 해능 대역폭은 넓은 범위에 걸쳐서 가변시킬 수 있으며, 검파기로서는 포락선 검파 기를 사용한다. 대수압축 회로를 이용하므로 넓은 진폭범위를 한 번에 표시할 수 있다. 스펙트럼분석기는 이러한 특징을 가지고 있으므로 CISPR규격에 의한 1 GHz 이 하의 장해전자파 측정에는 적절하지 않다.
이를 극복하기 위해 입력회로에 프리셀렉터를 접속하고 선형성(직선성)이 좋은 회 로를 사용하여 준 첨두치 및 평균치 검파기를 부가한 스펙트럼분석기가 사용되고 있다.
스펙트럼분석기를 1 GHZ 이상 주파수 대역의 장해전자파 측정에 사용할 경우에  분해능 대역폭이 12025 NHz이며 첨두치를 측정한다.

다음으로 스펙트럼분석기를 주파수 스펙트럼의 측정에 이용하는 경우를 생각해 보자. 스펙트럼분석기는 피 측정 신호가 입력되어 중간주파 증폭회로에서 대역이 제 한된 포락선 파형의 진폭을 표시하는 측정기이므로 포락선 진폭의 첨두치를 각 주파 수마다 표시한다. 따라서 표시되는 스펙트럼 진폭은 중간주파 증폭회로의 주파수 특성에 크게 의존한다. 스펙트럼분석기가 올바른 스펙트럼을 표시하는 것은 중간주파 회로의 임펄스 응답이 정현파적인 경우이며, 임펄스 응답의 지속시간이 입력시간의 지속시간보다 충분히 길지 않으면 안 된다. 그리고 입력되고 난 후에 관측하는 경우에는 입력신호의 지속시간의 역수보다 분해능 대역폭이 충분히 좁지 않으면 안 된다.
그러나 이 조건을 만족하기란 일반적으로 불가능하므로 근사적인 스펙트럼을 표시한다고 생각하면 된다. 이상을 정리하면 정현파에 대해서는 올바른 스펙트럼이 얻어지며, 주기적 파형에 대해서는 선스펙트럼의 간격보다 분해능 대역폭을 충분히 좁게 하면 올바른 스펙트럼이 얻어짐을 알 수 있다.
스펙트럼분석기는 전력의 단위로 표시되는 경우가 많지만 이 값은 정현파 입력에 대한 것이며 일반적인 입력신호의 전력을 나타내고 있는 것은 아니다. 즉, 피 측정 신호의 전력을 구하는 경우에는 표시 스펙트럼의 시간적 변화도 고려할 필요가 있다.
디지털형의 스펙트럼분석기 중에는 입력신호를 AD변환하여 내장된 컴퓨터로 유한 이산 푸리에변환(DFT)을 고속으로 처리하는 것도 있다.
참고로 스펙트럼분석기의 분해능 대역폭, 감도 및 다이내믹레인지에 대해서 설명 한다. 스펙트럼분석기의 주파수 선택특성은 중간주파 필터에 의해 주어지므로 이 대역폭이 좁을수록 분해능은 향상된다. 따라서 3 dB 대역폭을 분해능 대역폭이라 부른다. 실제적으로 이 분해능 대역폭은 저주파용인 경우에는 1 H, RF 대역인 경우에는 10 Hz이다.