절연을 통해 데이터 수집의 정확성을 유지하고 성능을 향상시키는 방법

새롭고 복잡한 문제를 해결하기 위해 인텔리전스가 에지로 마이그레이션됨에 따라 데이터 수집(DAQ)의 신뢰성, 정확성 및 성능을 보장하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이를 위해서는 설계자가 수집된 신호와 시스템 프로세서 사이에 절연된 정밀 신호 체인을 제공해야 합니다.

정밀 아날로그 신호 측정 체인에서 절연을 보장하는 것은 까다로운 작업입니다. 신호를 손상시키는 요인과 피할 수 없는 온도 드리프트에도 불구하고 신호 체인 성능을 유지하려면 세부 사항에 세심한 주의가 필요합니다. 많은 설계자는 적절한 절연 기술을 선택하고 사용하기 전에 관련된 문제를 더 잘 이해하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

이 기사에서는 하이엔드 절연 DAQ 시스템 개발 및 최적화와 관련된 다양한 문제에 대해 설명합니다. 여기서 '하이엔드'는 정밀도, 정확도, 신호 무결성, 일관성 등의 속성을 포괄합니다. 그런 다음 Analog Devices의 DAQ 신호 체인 솔루션을 소개하고 이러한 시스템을 구성하는 데 사용할 수 있는 방법을 보여줍니다.

기능 블록별로 최적화

일반적인 DAQ 시스템은 신호가 센서를 통해 물리적 시스템에서 전달되도록 하는 일련의 기능 블록으로 구성됩니다. 이후 신호는 신호 컨디셔닝을 위한 아날로그 프런트 엔드(AFE), 디지털화를 위한 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 컴퓨터 기반 판독 또는 컨트롤러(마이크로 컨트롤러부터 훨씬 더 큰 시스템까지 다양함)로 이동합니다(그림 1).

그림 1: DAQ 시스템은 측정된 물리적 시스템과 센서에서 호스트 프로세서까지 잘 정의된 선형 신호 체인으로 구성됩니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

DAQ의 정밀도와 정확도를 실현하려면 프런트엔드 신호 조정 구성 요소, 특히 트랜스듀서 프리앰프를 선택하는 것부터 시작해야 합니다. 내부 잡음은 설계 후반부에 줄이기 어렵고 원하는 신호와 함께 증폭되기 때문에 저잡음 성능은 이 기능의 여러 중요한 요소 중 하나입니다. 여기서 기준 신호 대 잡음비(SNR)가 설정되며 신호가 추가 단계를 거치면서 불가피하게 더 저하될 수밖에 없습니다.

이러한 이유로 AFE는 종종 잡음에 최적화된 단일 기능 연산 증폭기(연산 증폭기)를 사용합니다. 프런트 엔드 프리앰프에 적합한 선택은 30V(±15V 이중 공급), 고속, 저잡음, 저 바이어스 전류 JFET 연산 증폭기인 ADA4627-1BRZ-R7입니다. 이 제품은 센서에 최적화된 여러 사양 중에서 200µV(최대)의 낮은 오프셋 전압, 1μV/°C(일반)의 오프셋 드리프트, 5피코암페어(pA)의 입력 바이어스 전류가 특징입니다(최대). 임계 전압 잡음 사양은 1kHz에서 루트 헤르츠당 6.1nV(nV/√Hz)입니다(그림 2).

그림 2: ADA4627 JFET 연산 증폭기는 6.1nV/√Hz(1kHz)의 전압 잡음을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

절연에 따른 여러 이점

신호가 증폭되고 디지털화되면 다음 단계는 신호와 시스템의 디지털 섹션 및 관련 프로세서 사이에 갈바닉 분리를 설정하는 것입니다. 이 단계에는 세 가지 주요 이유가 있습니다.

1. 잡음 및 간섭 감소: 갈바닉 분리는 공통 모드 전압 변동, 접지 루프, 전자기 간섭(EMI)을 제거할 수 있습니다. 또한 외부 잡음 소스로 인해 수집된 신호가 손상되는 것을 방지하여 보다 깨끗하고 정확한 측정을 보장합니다.
2. 접지 루프 제거: 접지 루프는 측정된 신호를 왜곡하는 전압 차이를 유발할 수 있습니다. 절연을 통해 접지 루프 경로를 차단하여 접지 전위의 변화로 인한 간섭을 제거하고 측정 정확도를 향상시킬 수 있습니다.
3. 안전 및 보호: 절연 장벽은 위험한 전압 스파이크, 과도 전압 또는 서지가 민감한 측정 구성 요소에 도달하는 것을 방지하여 전기적 안전을 제공합니다 이를 통해 측정 회로와 연결된 장치를 보호하여 안전하고 안정적인 작동을 보장합니다. 또한 이러한 장벽은 저레벨 센서가 고전압 또는 AC 라인에 잠시라도 닿는 경우에도 사용자에게 전기적 위험을 제거합니다.

자기, 광학, 정전 용량, 심지어 RF 원리를 기반으로 디지털 신호의 절연을 구현하기 위해 여러 가지 기술을 사용할 수 있습니다. Analog Devices는 독점적인 iCoupler 기술을 기반으로 하는 ADUM152N1BRZ-RL7 5채널 디지털 절연기를 비롯한 고성능 솔루션 제품군을 제공합니다(그림 3).

그림 3: ADuM152N 5채널 디지털 절연기는 독자적인 자기 결합 구현을 사용하여 고성능을 달성합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 절연기는 고속 CMOS 회로망과 모놀리식 에어 코어 변압기 기술이 결합된 제품입니다. 고속 디지털 링크의 요구 사항에 상응하는 성능을 보장하기 위해 최대 전파 지연은 5V에서 펄스 폭 왜곡이 4.5ns 미만인 13나노초이며, 전파 지연의 채널 간 정합은 4.0ns(최대)로 타이트합니다. 유사한 2채널 버전인 ADUM120N1BRZ-RL7을 사용할 수 있으므로 전체 절연 채널 수를 버스 폭에 맞출 수 있습니다.

이러한 절연기는 초당 150메가비트(Mbits/s)의 데이터 전송률을 보장하는 고속 성능에 최적화되어 있습니다. 마이크로초당 100kV(kV/μs)의 높은 공통 모드 일시 내성(CMTI)과 3kV의 내전압 정격(rms)을 제공하며 모든 관련 규정 의무를 준수합니다.

신호 절연은 전체 절연의 일부일 뿐이며 DAQ 시스템에 대한 모든 DC 전원 레일도 절연되어야 합니다. 이는 변압기를 절연 요소로 사용하여 가장 자주 수행됩니다.

주 전원이 이미 AC인 경우 변압기를 통과한 다음 정류 및 조정되고, 주 전원이 DC인 경우 먼저 AC와 같은 파형으로 잘게 잘라야 합니다. 이 과정은 저잡음, 1암페어(A), 50kHz~1MHz DC/DC 드라이버인 LT3999와 같은 부품을 사용하면 크게 간소화됩니다.

완전한 고성능 DAQ 시스템에는 추가적인 코어 및 주변 장치 구성 요소가 필요합니다. 이러한 부품의 설계와 배치는 정확한 측정과 데이터 무결성을 보장해야 합니다. 정밀 신호 체인에는 증폭기 및 절연 장벽 외에도 일반적으로 필터링 소자, 고분해능 ADC 및 스위치가 포함됩니다. 이러한 구성 요소가 결합하여 노이즈를 제거하고 간섭을 최소화하며 정확한 신호 표현을 제공합니다.

요약

이러한 주요 구성 요소를 사용하는 절연 신호 체인의 예로는 단일 채널, 완전 절연, 저지연 DAQ 시스템을 구현하는 정밀 플랫폼인 ADSKPMB10-EV-FMCZ가 있습니다(그림 4). 이 솔루션은 다양한 센서 인터페이스의 감도를 수용하기 위한 신호 조정용 프로그래밍 가능 이득 계측 증폭기(PGIA)와 소형 기판 내의 디지털 및 전력 분리를 결합합니다.

그림 4: ADKSPMB10-EV-FMCZ는 단일 채널, 완전 분리형, 저지연 DAQ 시스템을 구현하는 정밀 플랫폼입니다. PMOD-FMC 인터포저 기판(중앙 블록)은 분리 및 기타 기능을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

평가를 위해 이 기판은 PMOD 폼 팩터(그림 5)의 ADSKPMB10-EV-FMCZ와 함께 EVAL-SDP-CH1Z 시스템 데모 플랫폼(SDP) 인터페이스 기판으로 구성된 다중 기판 솔루션으로 구성됩니다. 이 두 보드 사이에는 완전히 절연된 PMOD-FMC 인터포저 보드가 있습니다.

그림 5: ADSKPMB10-EV-FMCZ(왼쪽)는 PMOD-FMC 인터포저 기판(오른쪽)을 통해 SDP 인터페이스 기판(표시되지 않음)에 연결됩니다. 인터포저 기판의 수직 분할 영역은 절연 장벽이 구현되는 위치를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADSKPMB10-EV-FMCZ는 ADA4627-1 연산 증폭기를 사용하여 구축된 이산 소자 PGIA를 특징으로 합니다. PGIA는 다양한 센서와의 직접 인터페이스를 지원하는 데 필요한 높은 입력 임피던스를 제공합니다. 또한 이 모듈은 게인 설정을 위한 정밀 쿼드 정합 저항 네트워크, 쿼드 채널 멀티플렉서 ADAQ4003용 완전 차동 증폭기 ADC 드라이버를 갖추고 있습니다. ADAQ4003은 μModule로 구현된 18비트, 초당 2메가샘플(MSPS) ADC 및 DAQ 서브 시스템입니다.

이 모듈은 단순한 고분해능 ADC 그 이상입니다. ADAQ4003에는 여러 노이즈 감소 기술이 통합되어 있어 고충실도 신호 캡처가 가능합니다. 예를 들어, 단극, 저역 통과 저항 커패시터(RC) 필터가 μModule 내부의 ADC 드라이버 출력과 ADC 입력 사이에 배치되어 고주파 노이즈를 제거하고 내부 ADC 입력에서 발생하는 전하 '킥백'을 줄입니다.

또한 μModule의 레이아웃은 아날로그와 디지털 경로를 분리하여 크로스오버를 방지하고 방사 노이즈를 최소화합니다.

완전 절연 PMOD-FMC 인터포저 기판에는 LT3999 DC/DC 드라이버, 5채널 및 2채널 디지털 절연기, 저잡음 저드롭아웃 레귤레이터(LDO), 초저잡음 LDO가 포함되어 있습니다. 인터포저 기판은 브리지 역할을 하며 SDP 인터페이스 보드에 연결됩니다.

SDP 인터페이스 기판은 수집 후 처리, 관리 및 연결을 수행합니다. 이 기판에는 160핀 FMC 커넥터, 다른 기판을 위해 추가로 조절되고 파티션된 12V_DC 전원 공급 장치, 코드 및 콘텐츠 보호를 위한 하드웨어 지원 보안 기능을 갖춘 Blackfin 프로세서, USB 포트, Spartan-6 FPGA가 있습니다.

그 근거가 되는 성능

계측, 테스트 배열 및 메트릭이 중요하기 때문에 정밀 DAQ 시스템의 성능을 평가하는 것은 간단한 과정이 아닙니다. 많은 동적 파라미터가 DAQ 시스템의 성능과 관련이 있지만 가장 잘 드러나는 것은 작동 범위, 신호 대 잡음비(SNR), 총 고조파 왜곡(THD)입니다.

작동 범위는 장치의 노이즈 플로어와 지정된 최대 출력 레벨 사이의 범위입니다.

이 설계의 일반적인 작동 범위는 최고 게인 설정에서 93데시벨(dB), 최저 게인 설정에서 100dB로 매우 우수합니다(그림 6). 오버샘플링 비율을 1024배로 높이면 측정값이 더욱 향상되어 각각 최대 123dB 및 130dB에 도달합니다.

그림 6: 이득 및 기타 설정에 따라 전체 회로 및 신호 체인의 약 100dB 작동 범위는 고성능 DAQ 시스템을 나타냅니다. (이미지 출처: Analog Devices)

SNR은 고조파 및 DC를 제외한 다른 모든 스펙트럼 성분의 평균값에 대한 rms 신호 진폭의 비율입니다(RSS(root-sum-square)). THD는 기본 신호의 rms 값과 고조파의 RSS 평균값의 비율입니다.

이 신호 체인은 게인 설정에 따라 최대 98dB(그림 7(왼쪽))의 SNR과 -118dB(그림 7(오른쪽))의 THD를 달성하므로 이 설계의 SNR과 THD는 분명히 고성능입니다.

그림 7: 작동 범위와 함께 높은 SNR(왼쪽)과 낮은 THD(오른쪽)는 우수한 아날로그 중심 DAQ 성능의 확실한 증거를 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices).

결론

정확도를 보존하고 노이즈와 간섭을 최소화하며 데이터 무결성을 보장하는 절연 정밀 신호 체인을 설계하고 구현하는 것은 중요한 설계 및 구현 작업입니다. 다행히도 정밀 증폭, 절연 기술, 고분해능 ADC 및 모듈, 저잡음 전원 관리를 신중하게 사용하면 전기적으로 까다로운 환경에서도 정밀한 측정을 수행할 수 있습니다. 이는 기본 연산 증폭기부터 고급 절연 장치에 이르는 Analog Devices의 고급 부품을 사용하고 필요한 주변 장치 기능과 자세한 데이터 시트 및 애플리케이션 지침을 통해 지원되므로 가능합니다.