주파수 카운터란?
그림 1. 전기 신호 파형의 세 가지 파라미터
주파수 카운터는 전자 회로에서 발생하는 주파수를 측정하기 위한 디지털 기기입니다.
전기 신호는 주파수, 진폭, 위상의 세 가지 파라미터로 표현할 수 있습니다. 또한 주파수의 역수로 주기를 구할 수 있으며, 주파수 측정은 전기 신호의 기본 측정에서 중요한 파라미터입니다.
주파수 카운팅 외에 듀티 사이클 측정, 펄스 상승 시간이나 시간 간격 등 여러 기능을 추가한 것을 범용 카운터라고 합니다.
주파수 카운터의 사용 용도
주파수 카운터는 전류계나 전압계와 같이 전기 신호 계측의 기본 측정 장비로 사용되고 있습니다. 주파수 카운터 단독 제품도 있지만, 디지털 멀티미터, 오실로스코프, 광스펙트럼 분석기 등 다양한 기능을 가진 기기의 일부 기능으로 주파수 카운터의 기능을 가진 제품이 많이 개발되고 있습니다.
주파수 카운터는 원리가 매우 간단하다는 점이 특징입니다. 자체 제작이 가능하기 때문에 키트 등도 판매되고 있습니다. 주파수 카운터 키트는 수십 MHz 정도면 각 업체에서 판매하고 있습니다. 이유는 다이렉트 방식의 주파수 카운터는 복잡한 동작을 하지 않는다는 특징이 있기 때문입니다.
또한, 멀티 테스터 중에는 주파수 측정이 가능한 레인지가 탑재된 것도 있는데, 이러한 타입은 간편하게 다룰 수 있기 때문에 큰 측정장비를 가지고 갈 수 없는 현장 등에서 특히 유용하게 쓰이고 있습니다. 그러나 간편하다는 장점이 있는 반면, 높은 주파수나 유효 수치를 많이 측정해야 하는 용도에는 적합하지 않다는 단점이 있습니다.
키트는 대부분 LSI화되어 있기 때문에 구조의 모든 것을 배울 수는 없지만, 감을 익힐 수는 있습니다.
주파수 카운터의 원리
그림 2. 주파수 카운터의 원리 (다이렉트 방식)
주파수 카운터는 파형정형화 회로, 게이트, 수정 발진기, 계수회로로 구성되어 있습니다.
1. 파형형성 회로
입력된 신호를 ‘펄스열’로 변환합니다.
2. 수정 발진기
정해진 시간폭을 가진 펄스를 생성합니다. 방금 전의 펄스열을 측정하기 위한 타임 윈도우(게이트 타임)를 생성하고, 타임 윈도우는 주파수 측정을 위한 창 역할을 합니다. (그림 2-a, 그림 2-b 참조)
3. 측정 회로
타임 윈도우에 포함된 펄스 수를 세어 원래 신호의 주파수를 측정합니다. 주파수 측정의 분해능을 결정하는 것은 수정 발진기로 생성한 타임 윈도우의 시간 폭이다. 예를 들어, 타임 윈도우가 1초라면 1Hz 단위로 표시할 수 있고, 타임 윈도우가 0.1초라면 10Hz로 분해능은 타임 윈도우의 시간폭의 역수에 비례합니다.
주파수 카운터에서 가장 오차가 많이 발생하는 부분은 펄스 열을 생성하는 부분으로, 특히 입력 신호에 노이즈가 포함되어 있으면 펄스 상승이 불안정하거나 원래 없어야 할 여분의 펄스를 생성하기도 합니다. (그림 2-c 참조)
오차 발생을 방지하기 위한 방법으로 반복 측정을 통해 노이즈 성분을 평균화하는 방법을 사용합니다. 이를 통해 펄스 열을 생성할 때 발생하는 오차를 줄일 수 있습니다.
주파수 카운터의 측정 방법
그림 3. 주파수 카운터 방식
주파수 카운터는 입력 신호의 주파수를 측정하고 그 결과를 표시하는 기기입니다. 측정 방법은 실현이 용이하여 오래전부터 사용되어 온 ‘다이렉트 방식’과 고가이지만 높은 유효 자릿수를 얻을 수 있는 ‘레시프로컬 방식’의 두 가지가 있습니다.
1. 다이렉트 방식
영점 교차 측정
다이렉트 방식의 주파수 카운터는 입력 신호의 주파수가 영점에서 교차하는 횟수를 측정하는 방식입니다. 입력 신호가 사인 곡선인 경우, 영점 하강 또는 상승에서 교차하는 횟수를 계수합니다. 다이렉트 방식의 주파수 카운터의 장점은 하드웨어만으로 쉽게 구현할 수 있다는 점입니다. 따라서 이 방식은 오래전부터 사용되어 왔으며, 초당 영점 교차 횟수를 주파수 측정값으로 표시합니다.
다이렉트 방식의 주파수 카운터는 기기 내부에서 정확한 기준 클럭을 만들고, 그 시간만큼 타임 윈도우를 열어 영점 교차 횟수를 측정하는 것이 특징입니다.
측정 유효 자릿수
다이렉트 방식의 주파수 카운터에서 유효 자릿수는 타임 윈도우의 시간폭과 입력 주파수에 따라 결정되며, 예를 들어 입력 주파수가 1GHz이고 타임 윈도우가 1초인 경우, 측정값은 1채널에 10^9로 유효 자릿수는 10자릿수입니다. 입력 주파수가 1kHz인 경우 유효 자릿수는 4자릿수가 되며, 둘 다 해상도는 1Hz입니다.
여기서 타임 윈도우 시간폭을 길게 하면 분해능이 높아지는데, 예를 들어 타임 윈도우 시간폭을 100초로 하면 유효 자릿수는 1kHz에서 6자리로 분해능은 0.01Hz가 됩니다. 그러나 1회 측정에 최소 100초가 걸리는 것은 현실적으로 불가능하며, 작업성이 현저하게 떨어집니다. 또한, 측정값에는 ±3% 정도의 양자 오차가 반드시 발생한다는 것을 이해하고 사용해야 합니다.
고주파 신호의 측정만 한다면 다이렉트 방식의 주파수 카운터로 문제없이 측정이 가능하지만, 다이렉트 방식으로 정확도를 높이기 위해서는 타임 윈도우 시간폭을 길게 설정해야 합니다. 하지만 다이렉트 방식으로 타임 윈도우 시간폭을 길게 하면 1회 측정 시간도 길어지기 때문에 효율이 극도로 떨어지는 단점이 있습니다. 이러한 상황에서 선택할 수 있는 것이 ‘레시프로컬 방식’의 주파수 카운터입니다.
2. 왕복식 방식
레시프로컬 방식의 주파수 카운터는 입력된 파형을 그대로 또는 분주한 파형을 내부 기준 클럭으로 카운트하는 방식입니다. 특히 낮은 주파수 계측의 경우, 높은 유효 자릿수를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 레시프로컬 방식의 주파수 카운터에서 유효 자릿수는 내부 기준 클럭과 게이트 시간에 의해 결정되며, 입력 주파수의 영향을 받지 않는 것이 특징입니다.
예를 들어, 내부 기준 클럭이 10MHz이고 게이트 타임이 1초인 경우 유효 자릿수는 7자리, 같은 기준 클럭에서 게이트 타임이 10초인 경우 유효 자릿수는 8자리입니다. 낮은 주파수 대역의 측정에서 높은 유효 자릿수를 얻을 수 있는 왕복 방식이지만, 카운터 자체의 동작이 복잡하기 때문에 가격이 비싸다는 단점이 있습니다.