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벤치탑 테스트 장비에서 고도의 정밀한 데이터 수집하는 방법

이두혁 기자l승인2017.01.11 10:34:16l수정2017.01.11 10:37

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DMM(digital multimeter)은 모든 전자공학 연구소에서 사용되는 핵심적인 장비다. 전자기기의 정밀도가 계속해서 높아짐에 따라 전류, 전압, 저항, 여타 파라미터를 더 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 DMM이 요구되고 있다.

그러기 위해서는 더 높은 정확성 측정을 위해 DMM 내의 데이터 수집 시스템을 향상시켜야 한다. 이러한 데이터 수집 시스템의 핵심을 이루는 것이 바로 아날로그-디지털 컨버터(ADC)이다. ADC는 입력 신호를 디지털화하고 이 데이터를 호스트 프로세서로 보낸다.

이 글에서는 DMM과 관련한 ADC의 주요 특성들을 살펴볼 예정이다. 특히 핸드헬드 장비가 아닌 벤치탑 시스템 용으로 살펴본다. [그림1]은 통상적인 DMM에서 데이터 수집 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.

▲ [그림1] DMM 입력 신호 컨디셔닝 블록 다이어그램

DMM에는 다양한 ADC 아키텍처를 사용할 수 있는데 그 중 가장 일반적인 것이 SAR(successive approximation register) ADC다. 속도, 분해능, 구성 가능성 면에서 뛰어나기 때문이다. 한편 델타-시그마 ADC는 높은 분해능을 제공할 수 있으며 파이프라인 ADC는 샘플링 속도가 빠르다는 장점이 있다. 높은 분해 능에다 빠른 응답 시간의 장점까지 결합한 SAR ADC는 DMM을 빠르고 정확하게 측정할 수 있게 한다. 오늘날 SAR ADC가 계속해서 분해능이 높아짐에 따라 델타-시그마 ADC는 고정밀 시스템 용으로 사용하기에 적합하다.

오늘날 DMM은 통상적으로 분해능이 최소한 16비트이고 샘플링 속도가 최소한 100kSPS(초당 10만 샘플)인 ADC를 사용한다. 갈수록 고도의 정확성이 DMM에 요구됨에 따라 더 높은 속도와 분해능을 제공하는 ADC가 필요하다.

분해능이 높아지면 정확도는 향상되나 잡음에는 훨씬 더 취약해지기 때문이다. 잡음이 시스템 성능에 미치는 영향을 완화하기 위해서는 더 높은 속도로 샘플링을 하고 다중의 측정을 평균을 내서(오버 샘플링) 디지털적인 필터링을 하는 방법도 있다.

이와 같이 더 높은 분해능과 속도를 필요로 하는 시스템을 위해 TI는 ADS8900B 정밀 SAR ADC 제품을 제공하고 있다. 이 제품은 높은 분해능, 빠른 샘플링 속도, 뛰어난 AC/DC 성능을 자랑한다. [표1]은 이들 제품군의 사양을 보여준다.

▲ [표1] ADS8900B 제품 사양

고성능 ADC인 ADS8900B는 전압 레퍼런스를 위한 연산 증폭기 버퍼를 통합하면서 외부 레퍼런스 버퍼에 대한 두 가지 이점을 제공한다. [그림2]는 데이터 수집 시스템을 위한 외부 레퍼런스와 내부 레퍼런스 버퍼를 비교한다.

▲ [그림2] 외부 전압 레퍼런스 버퍼 vs. 내부 전압 레퍼런스 버퍼

버퍼를 통합한 ADC를 사용함으로써 얻을 수 있는 첫 번째 이점은 시스템 성능을 향상시킨다는 것이다. ADC는 REF5050 같은 고정밀 전압 레퍼런스를 요구한다. 입력 신호로 이 레퍼런스를 비교해 신호 전압을 결정한다. 그런데 전압 레퍼런스의 출력 전류는 통상적으로 수 밀리암페어(mA)에 불과하므로 레퍼런스 버퍼를 사용함으로써 변환 사이클 시에 ADC가 필요로 하는 전류를 공급할 수 있고 한편으로는 전압 레퍼런스로 드룹(droop)을 최소화할 수 있다.

또 ADC와 같은 동일 칩으로 레퍼런스 버퍼를 통합함으로써 전압 레퍼런스로 왜곡을 낮추면서 ADC를 동작하도록 버퍼를 최적화하므로 외부적 버퍼를 사용할 때보다는 성능이 더욱 우수한 데이터 수집을 가능하게 한다. 두 번째 이점은 ADC와 버퍼를 함께 패키징함으로써 디스크리트 솔루션에 비해서 풋프린트를 줄일 수 있어 시스템을 소형화할 수 있다는 것이다.

ADS8900B 제품군은 차세대 디지털 멀티미터에 사용하도록 설계됐지만 여러 다른 애플리케이션에도 이 SAR ADC를 사용할 수 있다.

이두혁 기자  twodu@cctvnews.co.kr
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