이진 신호의 유형

마지막 업데이트: 2022년 1월 6일 | 0개 댓글
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Analog-to-digital converter

ADC란 Analog-to-digital converter의 약자이다. 즉 연속적인 analog 신호를 0과 1로 discrete하게 구성된 digital 신호로 변환하는 칩(I/C)이다. 아래 그림은 아주 간단하게 표현된 ADC의 동작 과정이다. 아날로그 신호가 들어와서, 결국 0과1로 구성된 디지털 신호로 바뀌게 된다. 위 그림에서 그래프를 x, y축이라 보면, x축에서(시간 축에서) 신호를 나누는 것이 sampling, y축에서(전압 축에서) 신호를 나누는 것이 quantization이라고 쉽게 생각할 수 있다. 위 그림은 sampling을 나타낸 것이다. Sampling clock의 주기가 짧을수록(주파수가 높을수록) 원래 파형과 비슷하게 됨을 알 수 있다. 반면 데이터의 양이 너무 많아져 처리하기 곤란할 수 있다는 단점이 되기도 한다. 초(second)당 몇 번 sampling을 하는지를 SPS(sample per second)라고 하며, ADC의 가장 중요한 스펙 중 하나인 sampling rate의 단위이다. 만약 어떤 ADC의 sampling rate가 200 KSPS이라면 1초당 200*1000번을 sampling하여 1초당 200,000개의 데이터가 나오는 것이다. 요즘은 워낙 세상이 좋아져서 MSPS, GSPS 단위의 ADC도 자주 쓰인다. 이렇게 sampling을 통해 측정한 전압의 값을 digital 값으로 바꾸는 과정이 quantization이다. 이때 표현할 수 있는 값의 단위가 8-bit(0~255)면 256개로, 10-bit(0~1023)면 1024개로 더 정밀하게 표현된다. 이러한 단위를 resolution(해상도, 분해능)이라고 부른다. 만약 입력되는 아날로그 신호의 voltage level이 0~3V라면 8-bit의 경우 3/256=11.718mV 간격으로 표시할 수 있으며, 10-bit의 경우 3/1024=2.929mV 간격으로 표시할 수 있다. 즉 ADC를 쓸 때 SPS와 resolution을 잘 확인하여 원하는 ADC를 선택해야 한다. SPS가 높으면 시간 축에서 정밀하게, resolution이 높으면 전압 축에서 이진 신호의 유형 정밀하게 신호를 추출할 수 있다.

ADC는 연속 시간 및 연속 진폭 아날로그 신호 를 이산 시간 및 이산 진폭 디지털 신호로 변환 합니다. 변환에는 입력 양자화 가 포함 되므로 필연적으로 적은 양의 오류 또는 노이즈가 발생합니다. 또한 ADC는 변환을 지속적으로 수행하는 대신 주기적으로 변환을 수행하여 입력을 샘플링 하여 입력 신호의 허용 대역폭을 제한합니다. ADC의 성능은 주로 대역폭 및 신호 대 잡음비 (SNR)가 특징입니다. ADC의 대역폭은 주로 샘플링 속도로 특징 지워진다 . ADC의 SNR은 해상도 , 선형성 및 정확도 (양자화 레벨이 실제 아날로그 신호와 얼마나 잘 일치하는지), 앨리어싱 및 지터 등 많은 요소의 영향을받습니다 . ADC의 SNR은 유효 비트 수 (ENOB)로 요약되는 경우가 많으며 , 평균이 노이즈가 아닌 각 측정 값의 비트 수. 이상적인 ADC는 해상도와 동일한 ENOB를 갖는다. ADC는 디지털화 할 신호의 대역폭과 필요한 SNR을 맞추기 위해 선택됩니다. ADC가 신호 대역폭의 두 배보다 큰 샘플링 속도로 작동하면 Nyquist-Shannon 샘플링 이론에 따라 완벽한 재구성이 가능합니다. 양자화 오차의 존재는 심지어 이상적인 ADC의 SNR을 제한한다. 그러나 ADC의 SNR이 입력 신호의 SNR을 초과하면 그 영향이 무시되어 아날로그 입력 신호의 디지털 표현이 본질적으로 완벽 해집니다.

변환기의 해상도는 아날로그 값의 범위에서 발생할 수있는 불연속 값의 수를 나타냅니다. 해상도는 양자화 오차 의 크기를 결정하므로 오버 샘플링을 사용하지 않고 이상적인 ADC에 대해 가능한 최대 평균 신호 대 잡음비 를 결정합니다 . 값은 일반적으로 전자 형식 으로 이진 형식 으로 저장 되므로 해상도는 일반적으로 오디오 비트 심도 로 표시됩니다 . 결과적으로 사용 가능한 개별 값의 수는 2의 거듭 제곱이라고 가정합니다. 예를 들어, 8 비트의 분해능을 가진 ADC는 아날로그 입력을 256 가지 레벨의 아날로그 입력으로 인코딩 할 수 있습니다 (2 8 = 256). 값은 응용 프로그램에 따라 0 - 255 (즉, 부호없는 정수) 또는 -128 - 127 (즉 이진 신호의 유형 부호있는 정수) 범위를 나타낼 수 있습니다. 해상도는 전기적으로 정의 할 수 있으며 볼트로 표시됩니다 . 출력 코드 레벨의 변화를 보장하는 데 필요한 전압 변화를 최하위 비트 (LSB) 전압 이라고합니다 . ADC 의 분해능 Q 는 LSB 전압과 동일하다. ADC의 전압 분해능은 전체 전압 측정 범위를 인터벌 수로 나눈 값과 같습니다.

여기서 M 은 비트 단위 ADC 분해능이고 E FSR 은 풀 스케일 전압 범위 (스팬이라고도 함)입니다. E FSR이 주어진다

여기에서 V RefHiV RefLow 는 각각 코딩 할 수있는 전압의 상한 및 하한입니다.

  • 도 1과 같은 코딩 방식
  • 풀 스케일 측정 범위 = 0 ~ 1 볼트
  • ADC 분해능은 3 비트 : 2 3 = 8 양자화 레벨 (코드)
  • ADC 전압 분해능, Q = 1V / 8 = 0.125V.

전원 관리 IC는 전력의 흐름과 방향을 제어하는 ​​솔리드 스테이트 장치입니다. 많은 전기 장치에는 여러 가지 내부 전압 (예 : 5V, 3.3V, 1.8V 등) 및 외부 전원 소스 (예 : 벽면 콘센트, 배터리 등)가 있습니다. 이는 장치의 전원 설계에 여러 요구 사항이 있음을 의미합니다 운영을 위해. PMIC는 개별 전력 관련 기능인 칩을 지칭 할 수 있지만, 전압 변환 및 저전압 보호와 같은 전력 변환 및 전력 변환과 같은 여러 기능을 통합 한 IC를 일반적으로 지칭한다. 이러한 기능을 하나의 IC에 통합함으로써보다 나은 변환 효율, 더 작은 솔루션 크기 및 더 나은 열 발산과 같은 전체 설계에 대한 많은 개선이 이루어질 수 있습니다.

다음은 전자 ADC를 구현하는 가장 일반적인 방법입니다.

직접 변환

직접 변환 ADC 또는 플래시 ADC는 뱅크 갖는 비교기 각각은 자신의 디코딩 된 전압 범위에서 소성 병렬로 상기 입력 신호를 샘플링한다. 비교기 뱅크는 각 전압 범위에 대한 코드를 생성 하는 논리 회로 를 제공합니다. 직접 변환은 매우 빠르며 기가 헤르쯔 샘플링 속도가 가능하지만 대개 8 비트의 해상도 또는 그 이하가 필요 합니다. 추가 비트 당 2 N -1 의 비교기가 필요 하므로 대형 고가의 회로가 필요합니다. 이 유형의 ADC는 큰 다이 크기, 높은 입력 커패시턴스 , 높은 전력 손실을 가지며 글리치 를 생성하기 쉽다출력에서 (out-of-sequence 코드를 출력함으로써). 새로운 submicrometre 기술로 스케일링하는 것은 장치 불일치가 지배적 인 디자인 제한이기 때문에 도움이되지 않습니다. 이들은 종종 비디오 , 광대역 통신 또는 광 저장 장치의 다른 고속 신호에 사용 됩니다. 직접 ADC에는 네 가지 유형이 있습니다.

병렬 비교기 ADC

이것은 이진 신호의 유형 가장 간단한 ADC입니다. 동시에 가장 빠르고 가장 비싼 기술입니다. 회로는 저항 분배 네트워크, 연산 증폭기 비교기 및 우선 순위 인코더로 구성됩니다. 두 입력의 전압이 같을 때 발생할 수있는 문제를 해결하기 위해 비교기에 작은 양의 히스테리시스가 내장되어있다. 저항 분배기의 각 노드에서 비교 전압을 사용할 수있다. 회로의 목적은 아날로그 입력 전압을 각 노드 전압과 비교하는 것입니다. 이 회로는 변환이 순차적으로 이루어지기보다는 동시에 일어나는 것처럼 고속의 장점이 있습니다. 일반적인 변환 시간은 100ns 이하입니다. 변환 시간은 비교기와 우선 순위 엔코더의 속도에 의해서만 제한됩니다. 이러한 유형의 ADC는 요구되는 비교기의 수가 각 추가 된 비트 당 거의 두 배가된다는 단점이 있습니다. 또한 n의 값이 클수록 우선 순위 인코더가 더 복잡해집니다.

카운터 유형 ADC

D to A 변환기는 쉽게 A-D 변환 역함수를 제공하기 위해 뒤집을 수 있습니다. 원리는 DAC의 출력은 ± 내에 제공 될 때까지 DAC의 입력 코드를 조정하는 1 이진 신호의 유형 / 2 진 디지털 형태로 변환 될 아날로그 입력 LSB.

서보 트래킹 ADC

이것은 ADC의 향상된 버전입니다. 회로는 카운트 방향을 제어하는 ​​비교기가있는 업다운 카운터로 구성됩니다. DAC의 아날로그 출력은 아날로그 입력과 비교됩니다. 입력이 DAC 출력 신호보다 크면, 비교기의 출력이 하이가되고 카운터가 카운트 업됩니다. 트래킹 ADC는 간단하다는 장점이있다. 그러나 단점은 새로운 변환 값이 아날로그 신호가 변경되는 속도에 정비례하므로 안정화에 필요한 시간입니다.

연속 근사

연속 근사 ADC는 연속해서 입력 전압을 포함하는 범위를 좁히는 비교기를 사용한다. 각 연속 단계에서 컨버터는 입력 전압을 내부 디지털 - 아날로그 컨버터 의 출력과 비교한다이는 선택된 전압 범위의 중간 점을 나타낼 수 있습니다. 이 프로세스의 각 단계에서 근사값은 SAR (successive approximation register)에 저장됩니다. 예를 들어 6.3V의 입력 전압을 고려하면 초기 범위는 0 ~ 16V입니다. 첫 번째 단계에서는 입력 6.3V가 8V (0-16V 범위의 중간 점)와 비교됩니다. 비교기는 입력 전압이 8V 미만이므로 SAR을 업데이트하여 범위를 0-8V로 좁 힙니다. 두 번째 단계에서는 입력 전압을 4V (중간 점 0-8)와 비교합니다. 비교기는 입력 전압이 4V 이상임을보고하므로 SAR은 입력 전압이 4-8V 범위에 반영되도록 업데이트됩니다. 세 번째 단계에서는 입력 전압을 6V와 비교합니다 (4V ~ 8 V); 비교기는 입력 전압이 6V보다 크고 검색 범위가 6-8V가된다고보고합니다.

램프 비교

램프 비교 ADC는 생산 톱니 신호 램프 - 업 (ramp up) 또는 아래로 신속 제로로 돌아갑니다. 램프가 시작되면 타이머가 카운팅을 시작합니다. 램프 전압이 입력과 일치하면 비교기가 작동하고 타이머의 값이 기록됩니다. 시간 경과 램프 컨버터는 트랜지스터 가 가장 적다 . 램프를 생성하는 회로가 종종 간단한 오실레이터 이기 때문에 램프 시간은 온도에 민감합니다 . 두 가지 솔루션이 있습니다 : DAC를 구동하는 클럭 카운터 사용그런 다음 비교기를 사용하여 카운터 값을 보존하거나 시간 측정 램프를 보정하십시오. 램프 비교 시스템의 특별한 이점은 두 번째 신호를 비교하는 데 또 다른 비교기가 필요하고 다른 레지스터가 전압 값을 저장해야한다는 것입니다. 매우 간단한 (비선형) 램프 변환기는 마이크로 컨트롤러와 하나의 저항 및 커패시터로 구현 될 수있다. 반대로, 충전 된 콘덴서로부터가 취할 수 적분기 , 타임 - 투 - 진폭 변환기, 위상 검출기 , 샘플 및 홀드 회로, 또는 피크 홀드 회로를 방전. 이것은 빠른 입력 변경으로 인해 느린 비교기 가 방해받지 않을 수 있다는 장점이 있습니다.

윌킨슨 ADC가 에 의해 설계되었다 DH 윌킨슨Wilkinson ADC는 입력 전압과 충전 용 콘덴서에서 생성 된 전압의 비교를 기반으로합니다. 커패시터는 전압이 입력 펄스의 진폭과 같아지기 전까지 충전 할 수 있습니다 (이진 신호의 유형 이 조건에 도달하면 비교기가 결정 함). 그 후, 커패시터는 선형 적으로 방전 될 수 있으며, 램프 전압을 생성한다. 커패시터가 방전되기 시작하는 지점에서 게이트 펄스가 시작된다. 게이트 펄스는 커패시터가 완전히 방전 될 때까지 계속 켜져 있습니다. 따라서 게이트 펄스의 지속 시간은 입력 펄스의 진폭에 직접 비례합니다. 이 게이트 펄스는 고주파 발진기 클록으로부터 펄스를 수신하는 선형 게이트를 동작시킨다. 게이트가 열려있는 동안, 이산 된 수의 클럭 펄스가 선형 게이트를 통과하고 주소 레지스터에 의해 카운트된다. 선형 게이트가 열리는 시간은 입력 펄스의 진폭에 비례하므로 어드레스 레지스터에 기록되는 클록 펄스의 수는 비례합니다. 대안으로, 커패시터의 충전은 방전보다는 모니터링 될 수있다.

통합 ADC (또한 듀얼 슬로프 또는 멀티 기울기 ADC)는 입력의 미지의 입력 전압을인가 적분기고정 된 시간 (상승 기간) 동안 전압을 램프하도록 허용한다. 그런 다음 반대 극성의 알려진 기준 전압이 적분기에 적용되고 적분기 출력이 0 (가동 중지 기간)으로 돌아올 때까지 램프가 허용됩니다. 입력 전압은 기준 전압, 일정한 가동 시간 및 측정 된 가동 시간의 함수로 계산됩니다. 런 다운 타임 측정은 일반적으로 변환기의 클럭 단위로 이루어 지므로 더 긴 집적 시간으로 인해 더 높은 해상도가 가능합니다. 마찬가지로, 분해능을 희생시킴으로써 컨버터의 속도를 향상시킬 수 있습니다. 이러한 유형의 변환기 (또는 개념의 변형)는 대부분의 디지털 전압계 에서 직선 성과 유연성을 위해 사용됩니다 .

ADC 밸런싱

ADC를 밸런싱하는 원리는 먼저 전압 대 주파수 변환기를 사용하여 입력 신호를 주파수로 변환하는 것입니다.이 주파수는 카운터로 측정되어 아날로그 입력에 비례하는 출력 코드로 변환됩니다. 이러한 컨버터의 주된 장점은 다음과 같습니다. 잡음이 심한 환경이나 고립 된 형태로도 주파수를 전송할 수 있다는 장점이있다. 그러나이 회로의 한계는 V / F 변환기의 출력이 온도와 시간으로 쉽게 유지 될 수없는 RC 제품에 의존한다는 것이다.

듀얼 슬로프 ADC

회로의 아날로그 부분은 높은 입력 임피던스 버퍼, 정밀한 적분기 및 전압 비교기로 구성됩니다.이 컨버터는 먼저 고정 된 시간 동안 아날로그 입력 신호를 적분 한 다음 적분기 출력이 0이 될 때까지 반대 극성의 내부 기준 전압을 적분합니다 이 회로의 가장 큰 단점은 오랜 지속 시간입니다. 특히 열전대 및 저울과 같은 천천히 변하는 이진 신호의 유형 신호의 정확한 측정에 특히 적합합니다.

델타 인코딩

델타 ADC 부호화 또는 이의 경사로 업다운 갖는 카운터 피드 디지털 - 아날로그 변환기를 (DAC)를. 입력 신호와 DAC는 모두 비교기로 간다. 비교기가 카운터를 제어합니다. 이 회로는 부정적인 피드백을 사용 합니다.DAC의 출력이 입력 신호에 충분히 근접 할 때까지 카운터를 조정할 수 있습니다. 번호는 카운터에서 읽습니다. 델타 컨버터는 매우 넓은 범위와 높은 분해능을 가지고 있지만 변환 시간은 입력 신호 레벨에 따라 달라 지지만 항상 최악의 경우를 보장합니다. 델타 변환기는 종종 실제 신호를 읽는 데 아주 좋은 선택입니다. 물리적 시스템의 대부분의 신호는 갑자기 변하지 않습니다. 일부 변환기는 델타 및 연속 근사 접근법을 결합합니다. 이것은 고주파의 크기가 작을 때 특히 효과적입니다.

파이프 라인

파이프 라인 ADC (또한 subranging의 양자화 ) subranging 두 가지 이상의 단계를 사용합니다. 먼저, 거친 변환이 수행됩니다. 두 번째 단계에서 입력 신호와의 차이는 디지털 - 아날로그 변환기 (DAC) 로 결정됩니다 . 이 차이는 더 미세하게 변환되고 결과는 마지막 단계에서 결합됩니다. 이는 피드백 근사 신호가 다음 최상위 비트가 아닌 전체 비트 범위 (예 : 4 비트)의 중간 변환으로 구성되는 연속 근사 ADC의 개선으로 간주 될 수 있습니다. 연속 근사법과 플래시 ADC의 장점을 결합하여이 유형은 빠르고 분해능이 높으며 작은 다이 크기 만 필요합니다.

시그마 - 델타

시그마 - 델타 ADC (이라고도 델타 - 시그마 ADC가 ) 큰 인자에 의해 원하는 신호를 오버 샘플링하고, 원하는 신호 대역을 필터링한다. 일반적으로 필요한 것보다 적은 수의 비트가 필터 다음의 플래시 ADC를 사용하여 변환됩니다. 결과 신호는 플래시의 불연속 레벨에 의해 생성 된 오류와 함께 피드백되어 필터에 대한 입력에서 뺍니다. 이 음의 피드백은 플래시로 인한 오류를 형성 하는 노이즈 의 영향을 받기 때문에 원하는 신호 주파수에 나타나지 않습니다. 디지털 필터 (데시 메이션 필터) 샘플링 레이트를 감소 불필요한 노이즈 신호를 필터링하고, 출력의 해상도를 증가시키는 다음 ADC ( 시그마 - 델타 변조 라고도델타 - 시그마 변조 ).

시간 인터리브

시간 인터리브 ADC는 M 병렬 ADC를 이용시에는 각각의 ADC 샘플 데이터마다 M : 유효 샘플 클럭의 사이클 번째. 그 결과 샘플 속도는 각 개별 ADC가 관리 할 수있는 것과 비교하여 M 배 증가합니다. 실제로 M ADC 간의 개체 차이는 전반적인 성능을 저하시켜 SFDR (Spurious -Free Dynamic Range )을 줄입니다. 그러나, 이러한 기술은 시간 인터리빙 불일치 에러를 수정하기 위해 존재한다.

중급 FM 단계

중간 FM 단계가 있는 ADC는 먼저 전압 - 주파수 변환기를 사용하여 원하는 신호를 원하는 신호의 전압에 비례하는 주파수로 발진 신호 로 변환 한 다음 주파수 카운터 를 사용하여 해당 주파수를 디지털 카운트로 변환합니다 원하는 신호 전압에 비례합니다. 더 긴 통합 시간으로 더 높은 해상도가 가능합니다. 마찬가지로, 분해능을 희생시킴으로써 컨버터의 속도를 향상시킬 수 있습니다. ADC의 두 부분은 광 분리기를 통과 하거나 무선으로 전송 되는 주파수 신호와 함께 광범위하게 분리 될 수 있습니다 . 이러한 ADC 중 일부는 사인파 또는 구형파 주파수 변조를 사용합니다 . 다른 사람들은 펄스 주파수 변조를 사용합니다.. 이러한 ADC는 한때 원격 아날로그 센서의 상태를 디지털 디스플레이에 표시하는 가장 보편적 인 방법이었습니다.

다른 유형

전자 기술 과 다른 기술 의 조합을 사용하는 다른 ADC가있을 수 있습니다 . 타임 스트레칭 아날로그 - 디지털 변환기 (ADC-TS)은 타임 스트레칭 디지털화하기 전에 신호에 의해, 종래의 전자 ADC에 의해 디지털화 될 수있는 매우 넓은 대역의 아날로그 신호를 디지털화한다. 일반적으로 광자 전처리 기 프론트 이진 신호의 유형 엔드 를 사용 하여 신호를 시간 - 신장시켜 효과적으로 신호를 느리게 감속시키고 대역폭을 압축합니다. 결과적으로 전자 백엔드원래 신호를 포착하기에는 너무 느린 ADC는 이제 느려진 신호를 포착 할 수 있습니다. 신호를 지속적으로 캡처하기 위해 프론트 엔드는 타임 스트레칭과 함께 신호를 여러 세그먼트로 나눕니다. 각 세그먼트는 별도의 전자 ADC로 개별적으로 디지털화됩니다. 마지막으로 디지털 신호 프로세서 는 샘플을 재정렬하고 프론트 엔드가 추가 한 왜곡을 제거하여 원래 아날로그 신호의 디지털 표현 인 이진 데이터를 생성합니다.

신호 시스템을 (sinho siseutem-eul) Meaning in English - English Translation

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연구동향집 이미지

Chapter 04 진폭 변조 115
4.1 개요 115
4.2 변조 116
4.3 억압 반송파 양측파대 변조 118
4.3.1 DSB-SC의 원리 118
4.3.2 DSB-SC의 구현 123
4.4 반송파 양측파대 변조 133
4.4.1 DSB-LC의 원리 133
4.4.2 DSB-LC의 전력 효율과 복조 137
4.5 직교 진폭 변조 140
4.6 단일 측파대 변조 144
4.7 잔류 측파대 변조 151
4.8 반송파 동기 153
4.8.1 PLL의 동작 원리 153
4.8.2 수신 신호에서 반송파 복원 159
4.9 슈퍼헤테로다인 수신기 161
연습문제 167

Chapter 05 각변조 175
5.1 개요 175
5.2 각변조의 개념 176
5.3 각변조 신호의 대역폭 182
5.3.1 협대역 각변조 182
5.3.2 광대역 각변조 185
5.4 FM 신호의 발생 196
5.5 FM 신호의 복조 202
5.6 각변조에 대한 간섭의 영향 206
5.7 스테레오 FM 208
연습문제 211

Chapter 06 잡음과 통신 품질 217
6.1 개요 217
6.2 랜덤 변수와 랜덤 프로세스 218
6.3 부가성 백색 가우스 잡음 224
6.4 협대역 대역 통과 잡음 230
6.5 DSB-SC 변조의 신호 대 잡음비 234
6.6 DSB-LC 변조의 신호 대 잡음비 237
6.7 SSB 변조의 신호 대 잡음비 239
6.8 각변조의 신호 대 잡음비 241
6.9 변조 방식 간의 신호 대 잡음비 비교 246
연습문제 251

Chapter 07 디지털 통신의 기초 255
7.1 개요 255
7.2 디지털 통신 시스템의 구조 256
7.3 샘플링과 양자화 260
7.3.1 샘플링 260
7.3.2 양자화 262
7.4 라인 코딩과 펄스 성형 264
7.4.1 라인 코딩 264
7.4.2 펄스 성형 275
7.5 DA 변환 279
7.6 이진 신호의 검파와 정합 필터 280
7.6.1 이진 신호의 검파 280
7.6.2 정합 필터 283
연습문제 288

Chapter 08 디지털 변조 293
8.1 개요 293
8.2 디지털 통신 신호의 표현 294
8.3 QPSK와 OQPSK 변조 299
8.4 π/4-DQPSK 변조 311
8.5 FSK 변조 315
8.6 CPFSK와 MSK 변조 318
8.7 8-VSB 변조 323
8.8 OFDM 변조 330
연습문제 337

이진 신호의 유형

이영두 울산대학교 전기공학부 연구교수 [email protected] | 2021-06-15 00:00:04 --> 과학 / 이영두 울산대학교 전기공학부 연구교수 / 2021-06-15 00:00:04

생활 속의 자연과학
▲ 다양한 형태의 파형. ©위키백과

전기는 기본적으로 에너지이자 신호로 사용된다. 신호는 정보를 전달하는 매개이자 수단을 의미하는데, 전기가 신호로 사용된다는 것은 무슨 의미일까? 출퇴근 시간을 이진 신호의 유형 떠올려보자. 도로 위에 차가 가득하다. 이 많은 차들이 복잡하게 교차하고 엮여 있는 도로 위를 사고 없이 서로 규칙을 갖고 이동할 수 있는 것은 교통 흐름을 제어하는 신호등이 있기에 가능한 것이다.

보통 신호등에서 사용되는 색깔은 빨간색, 녹색, 노란색이며 각각 일정한 의미를 지닌다. 화살표도, 깜빡임도 신호등의 기능으로 사용된다. 다양한 신호등의 신호(signal)를 제어하는 것은 바로 전기다. 전기가 어떤 색깔의 램프를 켜고(on) 끔(off)으로써 교통신호가 바뀌게 되는 것이다. 이것은 전기 흐름의 방향을 제어하는 방식으로 신호를 생성하는 접근법이다. 전기의 흐름을 제어한다는 것은 전기를 흐르게 하거나 또는 흐르지 않게 함으로써 대상이 되는 전기장치에 전원을 공급하거나 공급하지 않는 원리에 기반한다.
조금 더 구체적으로 이야기해 보자. 전기회로에서 전기의 흐름을 제어하는 장치를 스위치(switch)라고 한다. 끊어져 있는 2개의 전선을 붙였다(닫힘) 떨어뜨렸다(열림) 하며 전기의 흐름을 조절하는 장치다. 집에서 늘상 보는 전등 스위치가 대표적인 예다. 전기 스위치는 접점(contact)이라고도 하는데 크게 일반 닫힘과 일반 열림의 2가지 유형이 있다. 일반 열림은 스위치를 누르지 않았을 때는 끊어진 상태고, 스위치를 누르게 되면 연결되는 상태가 되는데, a접점 또는 NO(Normally Open)라고 한다. 일반 닫힘은 일반 열림과 반대로 스위치를 누르지 않았을 때는 연결 상태, 눌렀을 때는 끊어진 상태가 되며, b접점 또는 NC(Normally Closed)라고 한다. 바로 이러한 2가지 유형의 스위치(접점)을 이용해 전원의 공급을 제어하는 것이 전기회로 흐름제어의 기본적인 원리라 할 수 있다.

전기를 신호로 사용하는 또 다른 대표적인 방식은 전기의 전압 또는 전류의 크기 변화를 제어해 심볼(symbol)이라고 부르는 특정한 파형(wave shape)을 만들고(그림 참조), 각 파형에 데이터값을 할당하는 방식이다. 예를 들면, 5V 전원을 사용하는 회로에서 5V는 1을, 0V는 0이라는 값을 나타내는 식이다. 따라서 하나의 심볼로 많은 데이터를 보내기 위해서는 구분 가능한 더 많은 심볼의 수가 필요하다. 이진(binary) 데이터를 기준으로 보면, 0 또는 1의 값을 갖는 1개의 데이터를 비트(bit)라고 하며, 1비트는 2개의 심볼을 요구한다. 따라서 데이터 비트의 수가 1 증가할 때마다, 2배의 심볼이 필요하다. 일반적으로 안전성과 효율성 등을 고려해 전압 기반의 심볼 신호를 사용한다. 데이터 전송으로서 전기를 이렇게 이용할 때 전선을 사용하면 유선통신, 전파를 사용하면 무선통신으로 불린다.

일련의 기능과 동작을 수행하는 모든 시스템은 구동을 위한 에너지와 제어를 위한 신호를 필연적인 요소로 지닌다. 이전의 에너지들은 대부분 이 2가지가 분리돼 있었다. 제분기로 사용하는 물레방아를 생각해 보자. 물레방아는 떨어지는 물의 양에 따라 속도가 결정되므로 제분을 위한 적절한 속도를 얻기 위해서는 물레방아의 중심축과 연결된 기어들(gears)을 적절히 바꿔주는 것이 필요하다. 이런 물레방아 시스템에서 구동을 위한 에너지는 떨어지는 물의 양이며, 제어를 위한 신호는 물의 양을 가늠해 적절히 기어를 바꿔주는 사람의 노동이라 할 수 있다.

전기는 에너지이자 신호로 동시 작용이 가능하기 때문에 전기의 투입은 곧 에너지의 투입이자 신호의 투입이라 할 수 있다. 최근 100년 사이 전기가 가장 기초적이면서도 근본적인 에너지원(energy source)이자 ICT 기술의 신호원(signal source)으로 사용된 것은 바로 이런 이유 때문이다.

측정 시스템에 적합한 DAQ 하드웨어를 선택하는 방법

선택할 수 있는 데이터 수집 (DAQ) 디바이스가 많기 때문에 어플리케이션에 적합한 디바이스를 선택하기 어려울 수 있습니다. 이 백서에서는 하드웨어를 선택할 때 확인해야 하는 다섯 가지 사항을 살펴봅니다.

적절한 DAQ 하드웨어를 선택하는 데 도움이 되는 5가지 질문

  1. 어떤 유형의 신호를 측정하거나 생성해야 합니까?
  2. 신호 컨디셔닝이 필요합니까?
  3. 신호의 샘플을 얼마나 빠르게 수집하거나 생성해야 합니까?
  4. 감지해야 하는 신호의 가장 작은 변화는 얼마입니까?
  5. 어플리케이션에 허용되는 측정 에러는 어느 정도인가?

1. 어떤 유형의 신호를 측정하거나 생성해야 합니까?

신호 유형이 다르면 측정이나 생성 방법도 달라야 합니다. 센서(또는 트랜스듀서)는 물리적 현상을 전압 또는 전류 같은 측정 가능한 전기 신호로 변환하는 디바이스입니다. 또한 측정 가능한 전기 신호를 센서로 보내어 물리 현상을 만들어 낼 수도 있습니다. 이 때문에 각기 다른 신호 유형과 그에 따른 속성을 이해하는 것이 중요합니다. 어플리케이션의 신호를 고려하면 어떤 DAQ 사용할 것인지 결정할 수 있습니다.

DAQ 디바이스의 기능

  • 아날로그 신호를 측정하는 아날로그 입력
  • 아날로그 신호를 생성하는 아날로그 출력
  • 디지털 신호를 측정하고 생성하는 디지털 입출력
  • 디지털 이벤트를 세거나 디지털 펄스/신호를 생성하는 카운터/타이머

디바이스 중에는 위 목록의 기능 중 한 가지만 전용으로 하는 디바이스도 있고 모든 기능을 지원하는 다기능 디바이스도 이진 신호의 유형 있습니다. 아날로그 입력, 아날로그 출력, 디지털 입출력, 또는 카운터 같은 단일 함수에 채널 개수가 고정된 DAQ 디바이스를 사용할 수도 있지만, 필요 시에 채널 개수를 늘릴 수 있도록 현재 필요한 채널 개수보다 더 많은 채널의 디바이스를 구매하는 것이 좋습니다. 현재 어플리케이션을 위한 기능만을 갖춘 디바이스를 구입하면 새로운 어플리케이션에 하드웨어를 사용하기 어려울 것입니다.

다기능 DAQ 디바이스에는 채널 개수가 고정되어 있지만, 아날로그 입출력, 디지털 입출력, 카운터를 조합하여 사용할 수 있습니다. 다기능 디바이스는 각 다른 I/O 유형을 지원하므로 단일 기능 DAQ 디바이스에 비해 더욱 다양한 어플리케이션을 해결할 수 있습니다.

다른 옵션으로는 요구에 맞게 직접 사용자 정의할 수 있는 모듈형 플랫폼이 있습니다. 모듈형 시스템은 타이밍 및 동기화를 제어하기 위한 섀시와 다양한 I/O 모듈로 구성됩니다. 모듈형 시스템을 사용할 때의 장점은 고유한 목적을 위해 제작된 여러 모듈을 선택할 수 있기 때문에 더욱 다양한 구성이 가능하다는 점입니다. 이 옵션을 사용하면 사용자는 다기능 디바이스보다 한 가지 기능을 더욱 정밀하게 수행하는 모듈을 사용할 수 있습니다. 모듈형 시스템의 또 다른 장점은 섀시의 슬롯 개수를 선택할 수 있다는 것입니다. 섀시에는 슬롯 개수가 고정되어 있지만, 미래에 확장할 수 있도록 현재 필요한 개수보다 더 많은 슬롯이 있는 섀시를 구입할 수 있습니다.

2. 신호 컨디셔닝이 필요합니까?

일반적인 범용 DAQ 디바이스는 +/-5V 또는 +/-10V를 측정하거나 생성할 수 있습니다. 일부 센서는 이런 DAQ 디바이스 유형으로 직접 측정하기에 너무 어렵거나 위험한 신호를 생성합니다. 대부분의 센서는 DAQ 디바이스가 신호를 효율적이고 정밀하게 측정할 수 있도록, 측정 이전에 증폭 또는 필터링과 같은 신호 컨디셔닝이 필요합니다.

예를 들어, 열전쌍은 mV 범위로 신호를 출력하므로 아날로그-디지털 컨버터 (ADC)의 한계값을 최적화하기 위해 증폭이 필요합니다. 또한 열전쌍 측정에는 고주파수 노이즈를 제거하는 저역 통과 필터링이 유용합니다. 신호 컨디셔닝은 DAQ 시스템의 성능과 측정 정확도를 동시에 개선하므로 DAQ 디바이스만을 사용하는 것보다 분명히 유리합니다.

표 1은 여러 센서 및 측정에 일반적인 신호 컨디셔닝을 표로 간략히 나타낸 것입니다.

증폭 감쇠 절연 필터링 구동 선형화 CJC 브리지 완성
열전쌍 x x x x
써미스터 x x x x
RTD x x x x
변형률 게이지 x x x x x
로드, 압력, 토크 (mV/V, 4-20mA) x x x x
x x x x
가속도계 x x x x
마이크 x x x x
근접 프로브 x x x x
LVDT/RVDT x x x x
고전압 x x


표 1. 각 센서 및 측정 유형을 위한 신호 컨디셔닝

현재 사용 중인 센서가 표 1에 있다면 신호 컨디셔닝을 고려하는 것이 좋습니다. 외부 신호 컨디셔닝을 추가하거나 신호 컨디셔닝이 내장된 DAQ 디바이스를 사용할 수 있습니다. 또한 많은 디바이스에는 편리한 센서 통합을 위해 특정 센서를 위한 연결이 내장되어 있습니다.

3. 신호의 샘플을 얼마나 빠르게 수집하거나 생성해야 합니까?

DAQ 디바이스의 ADC가 신호의 샘플을 얻는 속도인 샘플링 속도는 DAQ 디바이스의 가장 중요한 사양 중 하나입니다. 일반적인 샘플링 속도는 하드웨어 또는 소프트웨어 타이밍에 의한 것이며 최대 2MS/s입니다. 어플리케이션의 샘플링 속도는 측정하거나 생성하려는 신호의 최대 주파수 성분에 의해 결정됩니다.

나이퀴스트 정리에 따르면 관심 최고 주파수 성분 2배를 샘플링하면 신호를 정확하게 재구성할 수 있습니다. 그러나, 실제에서는 신호의 모양을 표현하기 위해 최고 주파수의 최소 10배를 샘플링해야 합니다. 관심 신호 주파수의 최소 10배를 샘플링하는 DAQ 디바이스를 선택하면 신호를 더욱 정확한 모습으로 측정하거나 생성할 수 있습니다.

예를 들어, 어플리케이션에서 주파수가 1kHz인 사인파를 측정한다고 생각해봅시다. 나이퀴스트 정리에 따라 최소 2kHz로 샘플링해야 하지만 더욱 정확하게 신호를 측정하거나 생성하려면 10kHz로 샘플링하는 것이 좋습니다. 그림 1은 2kHz와 10kHz로 측정된 1kHz 사인파를 비교한 것입니다.

그림 1. 1kHz 사인파가 10kHz와 2kHz로 측정된 모습 비교

측정하거나 생성하고자 하는 신호의 최고 주파수 성분을 알고 있다면, 어플리케이션에 적합한 샘플링 속도를 제공하는 DAQ 디바이스를 선택할 수 있습니다.

4. 감지해야 하는 신호의 가장 작은 변화는 얼마입니까?

신호에서 감지할 수 있는 가장 작은 변화는 DAQ 디바이스에 필요한 분해능을 결정합니다. 분해능은 ADC가 신호를 표시하기 위해 사용하는 이진 단계의 수를 나타냅니다. 설명을 돕기 위해 분해능이 다른 ADC를 통해 사인파가 통과될 때 사인파가 어떻게 표시되는지 생각해보십시오. 그림 2는 3비트 ADC와 16비트 ADC를 비교한 것입니다. 3비트 ADC는 8 단계, 즉 2 3 단계로 전압을 나타낼 수 있습니다. 16비트 ADC는 65,536 단계, 즉 2 16 단계로 전압을 나타낼 수 있습니다. 3비트 분해능으로 표현한 사인파는 계단 함수처럼 나타나지만 16비트 ADC는 부드럽게 사인파를 그립니다.

그림 2. 16비트 분해능과 3비트 분해능 사인파 비교 차트

일반적인 DAQ 디바이스의 전압 범위는 +/-5V 또는 +/-10V입니다. 표현되는 전압 레벨은 전체 분해능을 활용할 수 있도록 선택된 범위에서 균등하게 분배됩니다. 예를 들어, +/-10V 범위와 12비트의 분해능 (2 12 또는 4,096 단계)을 가진 DAQ 디바이스는 5mV의 변화를 감지할 수 있으며, 16비트의 분해능 (2 16 또는 65,536 단계)을 가진 디바이스는 300μV의 변화를 감지할 수 있습니다. 많은 어플리케이션 요구사항은 12, 16 또는 18비트 분해능 디바이스로 충족 가능 합니다. 그러나, 작고 큰 전압 범위의 센서를 측정할 때에는 24비트 디바이스에 있는 동적 데이터 범위가 유용할 것입니다. 어플리케이션에 요구되는 전압 범위와 분해능은 적합한 디바이스를 선택할 때 고려해야 할 주요 요소입니다.

5. 어플리케이션에 허용되는 측정 에러는 어느 정도인가?

정확도는 측정된 신호값을 계측기가 충실하게 표시하는 능력을 측정한 수치입니다. 정확도는 분해능과 관련된 용어가 아니지만 정확도는 계측기의 분해능 보다 높을 수 없습니다. 측정의 정확도를 명시하는 방법은 측정 디바이스의 유형에 따라 다릅니다. 이상적인 계측기는 100 퍼센트 확실성으로 값을 측정하지만, 현실적으로 계측기는 제조업체에서 명시한 불확실성과 함께 값을 이진 신호의 유형 나타냅니다. 불확실성은 시스템 노이즈, 게인 에러, 오프셋 에러, 비선형성 등 여러 요소에 의해 결정됩니다. 제조업체에서 제공하는 불확실성에 대한 일반적인 스펙으로 절대 정확도가 있습니다. 이 스펙은 특정 범위에서 DAQ 디바이스의 최악의 에러 값을 제공합니다. NI 다기능 디바이스의 절대 정확도의 한 계산 예는 다음과 같습니다.

절대 정확도 = ([읽은 값*게인 에러] + [전압 범위*오프셋 에러] + 노이즈 비확실성)
절대 정확도 = 2.2mV

계측기의 정확도는 계측기에 의해서만 결정되는 것이 아니라 측정되는 신호 유형에 의해서도 결정된다는 것을 명심해야 합니다. 측정되는 신호에 노이즈가 있다면 측정 정확도에 악영향을 끼칩니다. DAQ 디바이스의 정확도와 가격은 다양합니다. 일부 디바이스는 정확도 향상을 위해 자가 교정, 절연 등의 회로를 제공합니다. 기본 DAQ 디바이스는 100mV 이상의 절대 정확도를 제공하지만, 정확도 향상을 위한 기능을 갖춘 고성능 디바이스는 1mV 내외의 절대 정확도를 제공합니다. 어플리케이션의 정확도 요구사항을 이해하면, 적합한 절대 정확도를 제공하는 DAQ 디바이스를 선택할 수 있습니다.


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