기술기고문
다양한 출력 신호의 센서를 지원하는 고정밀 데이터 수집 시스템
글: 토마스 브랜드(Thomas Brand), FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
오늘날 데이터 수집 시스템은 단순한 산업용 애플리케이션에 그치는 게 아닌, 핵심 요소로 자리잡았다. 데이터 수집 시스템은 주로 온도, 유량, 충진 레벨, 압력, 그 밖의 물리량을 센서를 이용해 측정하는 데 사용되며, 그렇게 수집한 정보들은 고분해능 디지털 정보로 변환되고 추가적인 소프트웨어 처리 작업을 위해 전달된다. 이러한 시스템은 갈수록 더 높은 정밀도를 필요로 한다. 이에 따라 개발자들은 높은 변환 및 전송 속도에 대한 요구사항과 함께 신호 잡음, 드리프트 등 시스템에 부정적 영향을 미치는 특성을 통합하는데 어려움을 겪는다. 일반적으로 다양한 종류의 센서들을 그에 대응하는 각각의 아날로그 신호 출력에 직접 연결하려면 높은 입력 임피던스가 필요하다. 또한 입력은 입력 신호를 버퍼링 및 증폭하고 레벨을 조정하거나, 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 입력의 전체 전압 범위를 포괄하고, 이와 동시에 공통 모드 전압 요건들을 만족할 수 있는 차동 신호를 발생할 수 있어야 한다. 그러면서 원래의 측정 신호는 가능한 왜곡되지 않은 상태를 유지해야 한다. 따라서 입력단은 데이터 수집 시스템의 전체 정확도를 결정짓는 핵심 요소 중 하나이다. 통상적으로는 이러한 목적을 위해 프로그래머블 이득 계측 증폭기(PGIA)가 사용되며, 여기서 이득은 주로 외부 저항을 통해 조정되고 출력은 다운스트림 ADC의 입력에 직접 결합된다. 일반적으로 PGIA는 단일 종단 출력을 갖추고 있기 때문에 완전 차동 SAR(successive approximation register) ADC를 직접 구동하는 데 사용할 수 없다. 따라서 추가적인 신호 컨디셔닝 또는 드라이버 단이 필요하다. 그러나 추가적인 드라이버 단은 이를 통해 오차 성분이 유입될 수 있어 전체 데이터 수집 시스템의 성능에 영향을 미친다. 그림 1의 회로에서 보듯이 적절한 구성요소를 선택하면 우수한 성능을 달성할 수 있다.
그림 1. 정밀 데이터 수집 시스템의 블록 다이어그램 개요
그림 1은 전원 공급장치와 PGIA 및 AD4020 SAR ADC를 통합하고 레퍼런스 전압 소스와 레퍼런스 버퍼를 포함하는 데이터 수집 시스템을 간략히 나타낸 회로도이다. PGIA의 차동 출력은 디지털 프로그래밍 가능한 이득을 위해 디스크리트 표준 소자들로 구성된다. 이 시스템은 GΩ 범위의 입력 임피던스, 92dB 이상의 공통 모드 제거 비(CMRR), 낮은 출력 잡음, 낮은 왜곡 등을 특징으로 한다. 따라서 성능 손실 없이 SAR ADC를 직접 제어하는 데 적합하다. PGIA는 정밀 20비트 1.8MSPS 저전력 SAR ADC인 AD4020을 구동한다. AD4020은 조금의 성능 저하도 없이 전체 신호 체인의 복잡성을 줄이고 채널 밀도를 증가시키는 데 사용할 수 있는 많은 기능들을 제공한다. 그러한 추가 기능들 중에는 이를 테면, 단순한 RC 필터로 PGIA를 직접 연결하기 위해 긴 검출 단계와 결합된 비선형 입력 전류를 감소시키는 높은 임피던스 모드가 포함된다. AD4020의 높은 샘플링 속도는 최대 수백 킬로헤르츠(kHz)의 고주파 신호를 정밀하게 수집할 수 있게 해준다. 또한 저전압 신호의 정밀한 검출을 위해 동적 범위를 확장할 수 있도록 데시메이션도 가능할 뿐 아니라 안티앨리어싱 필터의 요구도 낮출 수 있다.
다양한 로직 레벨(1.8V, 2.5V, 3V, 5V)과 호환되는 SPI 인터페이스는 여러 가지 방식으로 프로그래밍할 수 있으며 읽기와 쓰기 기능을 모두 제공한다.
그림 1에 표시된 소자들을 사용할 경우, 이 회로는 최대 변환율과 전체 이득 범위에서 통상 ±2ppm의 우수한 선형성(INL)과 낮은 오프셋 및 이득 드리프트(각각 ±3.5ppm/°C, ±6ppm/°C), –115dB 이상의 우수한 잡음 전력을 제공한다. 이 회로는 최대 ±10V까지 바이폴라 및 유니폴라 단일 종단 또는 완전 차동 입력 신호를 구현해 1 ~ 10의 이득을 얻을 수 있다. 이득의 함수로서 입력 전압 범위의 개요는 표 1에 나와 있다.
표 1. 이득의 함수로서 입력 전압 범위
또한 이 회로는 더 큰 PGIA 범위를 사용할 수 있는 교정 옵션을 제공한다. 이 기능은 정밀한 비율계량 성능을 제공하며 신호 버퍼링, 증폭 및 감쇠, 공통 모드 레벨 시프팅 및 아날로그 신호 처리의 과제를 극복하기 위한 다양한 기능을 제공하는 옵션을 포함하고 있어 시스템 설계를 간소화한다. 높은 임피던스 입력과 프로그래밍 가능한 이득 덕분에 유니폴라, 바이폴라, 차동 및 단일 종단 출력을 갖는 다양한 종류의 센서를 연결할 수 있다. 그 밖에 드리프트, 오프셋, 선형성, SNR, 공통 모드 제거 요구사항을 만족할 수 있다. 이를 통해 정밀도 요구사항이 매우 높은 애플리케이션을 위한 고정밀 데이터 수집 시스템을 쉽게 실현할 수 있다.
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저자 소개
토마스 브랜드(Thomas Brand)는 2015년에 석사 논문을 쓰면서 아나로그디바이스(Analog Devices)와 인연을 맺었다. 졸업 후 아나로그디바이스에서 수습 기간을 마치고, 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)가 되었다. 현재는 중부 유럽의 주요 산업용 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있으며, 산업용 이더넷을 전문 분야로 하고 있다. 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다. 문의: thomas.brand@analog.com
오늘날 데이터 수집 시스템은 단순한 산업용 애플리케이션에 그치는 게 아닌, 핵심 요소로 자리잡았다. 데이터 수집 시스템은 주로 온도, 유량, 충진 레벨, 압력, 그 밖의 물리량을 센서를 이용해 측정하는 데 사용되며, 그렇게 수집한 정보들은 고분해능 디지털 정보로 변환되고 추가적인 소프트웨어 처리 작업을 위해 전달된다. 이러한 시스템은 갈수록 더 높은 정밀도를 필요로 한다. 이에 따라 개발자들은 높은 변환 및 전송 속도에 대한 요구사항과 함께 신호 잡음, 드리프트 등 시스템에 부정적 영향을 미치는 특성을 통합하는데 어려움을 겪는다. 일반적으로 다양한 종류의 센서들을 그에 대응하는 각각의 아날로그 신호 출력에 직접 연결하려면 높은 입력 임피던스가 필요하다. 또한 입력은 입력 신호를 버퍼링 및 증폭하고 레벨을 조정하거나, 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 입력의 전체 전압 범위를 포괄하고, 이와 동시에 공통 모드 전압 요건들을 만족할 수 있는 차동 신호를 발생할 수 있어야 한다. 그러면서 원래의 측정 신호는 가능한 왜곡되지 않은 상태를 유지해야 한다. 따라서 입력단은 데이터 수집 시스템의 전체 정확도를 결정짓는 핵심 요소 중 하나이다. 통상적으로는 이러한 목적을 위해 프로그래머블 이득 계측 증폭기(PGIA)가 사용되며, 여기서 이득은 주로 외부 저항을 통해 조정되고 출력은 다운스트림 ADC의 입력에 직접 결합된다. 일반적으로 PGIA는 단일 종단 출력을 갖추고 있기 때문에 완전 차동 SAR(successive approximation register) ADC를 직접 구동하는 데 사용할 수 없다. 따라서 추가적인 신호 컨디셔닝 또는 드라이버 단이 필요하다. 그러나 추가적인 드라이버 단은 이를 통해 오차 성분이 유입될 수 있어 전체 데이터 수집 시스템의 성능에 영향을 미친다. 그림 1의 회로에서 보듯이 적절한 구성요소를 선택하면 우수한 성능을 달성할 수 있다.
그림 1. 정밀 데이터 수집 시스템의 블록 다이어그램 개요
그림 1은 전원 공급장치와 PGIA 및 AD4020 SAR ADC를 통합하고 레퍼런스 전압 소스와 레퍼런스 버퍼를 포함하는 데이터 수집 시스템을 간략히 나타낸 회로도이다. PGIA의 차동 출력은 디지털 프로그래밍 가능한 이득을 위해 디스크리트 표준 소자들로 구성된다. 이 시스템은 GΩ 범위의 입력 임피던스, 92dB 이상의 공통 모드 제거 비(CMRR), 낮은 출력 잡음, 낮은 왜곡 등을 특징으로 한다. 따라서 성능 손실 없이 SAR ADC를 직접 제어하는 데 적합하다. PGIA는 정밀 20비트 1.8MSPS 저전력 SAR ADC인 AD4020을 구동한다. AD4020은 조금의 성능 저하도 없이 전체 신호 체인의 복잡성을 줄이고 채널 밀도를 증가시키는 데 사용할 수 있는 많은 기능들을 제공한다. 그러한 추가 기능들 중에는 이를 테면, 단순한 RC 필터로 PGIA를 직접 연결하기 위해 긴 검출 단계와 결합된 비선형 입력 전류를 감소시키는 높은 임피던스 모드가 포함된다. AD4020의 높은 샘플링 속도는 최대 수백 킬로헤르츠(kHz)의 고주파 신호를 정밀하게 수집할 수 있게 해준다. 또한 저전압 신호의 정밀한 검출을 위해 동적 범위를 확장할 수 있도록 데시메이션도 가능할 뿐 아니라 안티앨리어싱 필터의 요구도 낮출 수 있다.
다양한 로직 레벨(1.8V, 2.5V, 3V, 5V)과 호환되는 SPI 인터페이스는 여러 가지 방식으로 프로그래밍할 수 있으며 읽기와 쓰기 기능을 모두 제공한다.
그림 1에 표시된 소자들을 사용할 경우, 이 회로는 최대 변환율과 전체 이득 범위에서 통상 ±2ppm의 우수한 선형성(INL)과 낮은 오프셋 및 이득 드리프트(각각 ±3.5ppm/°C, ±6ppm/°C), –115dB 이상의 우수한 잡음 전력을 제공한다. 이 회로는 최대 ±10V까지 바이폴라 및 유니폴라 단일 종단 또는 완전 차동 입력 신호를 구현해 1 ~ 10의 이득을 얻을 수 있다. 이득의 함수로서 입력 전압 범위의 개요는 표 1에 나와 있다.
표 1. 이득의 함수로서 입력 전압 범위
| 입력 신호(V) | 이득 |
| 차동 | |
| ±1 | G = 5 |
| ±2.5 | G = 2 |
| ±5 | G = 1 |
| 단일 종단 | |
| ±1 | G = 10 |
| ±2 | G = 5 |
| ±5 | G = 2 |
| ±10 | G = 1 |
또한 이 회로는 더 큰 PGIA 범위를 사용할 수 있는 교정 옵션을 제공한다. 이 기능은 정밀한 비율계량 성능을 제공하며 신호 버퍼링, 증폭 및 감쇠, 공통 모드 레벨 시프팅 및 아날로그 신호 처리의 과제를 극복하기 위한 다양한 기능을 제공하는 옵션을 포함하고 있어 시스템 설계를 간소화한다. 높은 임피던스 입력과 프로그래밍 가능한 이득 덕분에 유니폴라, 바이폴라, 차동 및 단일 종단 출력을 갖는 다양한 종류의 센서를 연결할 수 있다. 그 밖에 드리프트, 오프셋, 선형성, SNR, 공통 모드 제거 요구사항을 만족할 수 있다. 이를 통해 정밀도 요구사항이 매우 높은 애플리케이션을 위한 고정밀 데이터 수집 시스템을 쉽게 실현할 수 있다.
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저자 소개
토마스 브랜드(Thomas Brand)는 2015년에 석사 논문을 쓰면서 아나로그디바이스(Analog Devices)와 인연을 맺었다. 졸업 후 아나로그디바이스에서 수습 기간을 마치고, 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)가 되었다. 현재는 중부 유럽의 주요 산업용 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있으며, 산업용 이더넷을 전문 분야로 하고 있다. 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다. 문의: thomas.brand@analog.com
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