측정 노이즈 진단 및 감소하기

신호에서 노이즈 소스를 파악할 때는 먼저 두 가지 간단한 진단 단계를 수행합니다. 

1. FFT 그래프 생성 - 이 방법을 통해 신호의 주파수 성분을 시각화하고 두드러지는 주파수 피크를 확인할 수 있습니다.  
2. 구성 및 환경 조사 - 주변의 장비, 신호 소스, 사용 중인 케이블 타입에서 노이즈가 발생할 수 있습니다.  

FFT 분석을 구성에 대한 물리적 검사와 결합하면 신호 동작과 잠재적 노이즈 소스를 가장 종합적으로 이해할 수 있습니다. 아래에서는 주파수 스파이크를 해석하고 일반적인 간섭 소스를 해결하는 방법을 설명하고 환경 요인에 대한 추가적인 인사이트를 제공합니다.  

전기 AC 신호와 이에 따라 생성되는 자기장은 케이블, 계측기, 심지어 건물의 인프라를 통해 신호 와이어에 커플링될 수 있습니다.  

공통 모드 노이즈는 차동 신호 쌍의 두 도체에 동등하게 나타나는 AC 간섭의 한 유형입니다. 이 노이즈는 일반적으로 외부 전자기장 또는 접지 포텐셜의 차이로 인해 발생하며, 전력 라인, 주변 장비, 부적절한 접지를 통해 유입되는 경우가 많습니다. 두 라인 모두에 동일한 영향을 미치지만, 시스템에서 적절히 제거되지 않으면 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 

노멀 모드 노이즈는 신호 쌍의 두 도체 사이의 전압 차압으로 나타나는 원치 않는 AC 신호를 말하며, 근본적으로 라 양인이 아닌 신호 자체에 영향을 미칩니다. 이러한 타입의 노이즈는 일반적으로 외부 전자기 간섭 또는 주변 전원 소스 및 장비의 커플링으로 인해 유입됩니다. 공통 모드 노이즈와 달리, 노멀 모드 노이즈는 측정된 신호 자체를 왜곡하며 그 영향이 차동 전압에 나타납니다. 

이러한 신호를 주파수에 따라 세 가지 범주로 분류해 보겠습니다. 

저주파(50Hz 또는 60Hz)

50Hz 또는 60Hz(또는 100Hz, 120Hz)에서 신호의 FFT에 스파이크가 나타나면, 전력 라인의 전기장 또는 자기장이 신호에 커플링되고 있다는 의미일 수 있습니다. 이 커플링은 전력 라인 자체, 동기 회전 장비, 심지어 형광등에서도 발생할 수 있습니다. 

접지 루프 또한 저주파 스파이크의 원인이 될 수 있습니다. 접지 루프는 신호 소스와 데이터 수집(DAQ) 디바이스 사이에 여러 접지 경로가 존재할 때 발생합니다. 신호 소스와 DAQ이 서로 다른 콘센트 또는 접지 방식으로부터 전원을 공급받는 시스템에서 일반적으로 발생하는 문제입니다. 

소스에 따라 다음 케이블 연결 및 구성 기술이 저주파 노이즈와 접지 루프의 영향을 줄이는 데 효과적일 수 있습니다.

• 차폐된 EPM 케이블은 아날로그와 디지털 신호를 분리하고 외부 전자기 간섭을 차단하여 노이즈 내성을 향상시킵니다. 차폐 부위가 접지되면 신호 경로를 통해 원치 않는 전류가 흐르지 않도록 하여 깨끗하고 정확한 측정을 유지하는 데 도움이 됩니다. 

• 연선 케이블은 두 도체가 외부 노이즈에 동등하게 영향을 받도록 하여 전자기 간섭을 감소시킵니다. 차동 입력과 함께 사용하면 이러한 공통 모드 노이즈는 상쇄되어 신호 무결성을 향상하고 자기장 유입을 최소화할 수 있습니다.
• 접지 사이의 전기적 연결을 제거하려면 절연된 DAQ 하드웨어 또는 차동 입력을 사용하십시오. 연결 해제로 인해 루프가 깨질 수 있습니다. 또한 가능한 한 모든 장비가 단일 포인트 접지를 공유하도록 하고, 시스템의 여러 포인트에 접지를 연결하지 않도록 합니다.

중주파에서 고주파(1kHz~수백kHz)

일반적으로 중주파인 1 kHz~수백 kHz 범위에서 고주파 노이즈는 앨리어스로 나타나는 경우가 많기 때문에 진단하기 어렵습니다. 이러한 경우, 관찰하는 주파수가 실제 노이즈 소스를 나타내지 않을 수 있어 디버깅이 더욱 어려워집니다. 샘플링 속도를 변경했을 때 노이즈가 달라진다면 앨리어스가 나타나고 있다는 강력한 신호입니다. 실제 주파수 성분을 더욱 정확히 이해하려면 가능한 한 광범위한 대역폭으로 신호를 수집하십시오.

이러한 타입의 노이즈는 일반적으로 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)와 같은 고속 전자 장치에서 발생합니다. 이 디바이스는 시스템에 직접 연결되어 있지 않더라도, 공기를 통해 에너지를 전달하여 신호를 간섭할 수 있습니다. 디바이스가 구성 주변에 있는 것으로도 원하지 않는 노이즈가 유입될 수 있습니다.

이러한 종류의 간섭의 영향을 줄이려면, 연결되지 않은 디바이스가 가까운 곳에 있더라도 신호에 영향을 줄 수 있다는 점에 유의하여 다음과 같은 조치를 취하는 것이 좋습니다.

• 노이즈를 방출하는 디바이스를 차폐하여 전자기 출력을 가둡니다.
• 차폐 케이블을 사용하여 외부 노이즈가 신호 와이어에 커플링되는 것을 방지합니다.
• 노이즈가 접지 라인에 원하지 않는 전류 경로가 있는지 검사합니다. 접지 루프 또는 부적절한 접지가 있는지 확인해야 합니다.
• 샘플링 속도를 조정하거나 필터를 적용하면 노이즈의 실제 소스를 구분하고 식별할 수 있습니다.

초단파(MHz~GHz)

일반적으로 MHz에서 GHZ 범위인 초단파 노이즈는 실험실이 라디오나 TV 브로드캐스트 안테나 근처에 있는 경우 특히 관리하기 어렵습니다. 이러한 타입의 RF 노이즈 간섭은 광역 스펙트럼 노이즈로 나타나 측정값의 전체 노이즈 레벨을 높일 수 있습니다.

차폐가 도움이 될 수 있지만, 저주파 노이즈 소스와 비교하여 이러한 고주파에서는 효과가 떨어집니다. 대신 다음 기술을 사용하여 RF 간섭을 줄일 수 있습니다. 

• 연선 차폐 케이블을 사용하고 적절히 접지하여 RF 유입을 차단합니다.
• 케이블을 짧고 깔끔하게 연결하고, 전력 라인과 노이즈가 많은 전자 제품에서 멀리 떨어뜨려 배치합니다.
• 아날로그 필터링을 사용하여 신호에 필요한 대역폭만 통과되도록 제한합니다.

특히 디바이스의 스펙 시트와 비교하여 노이즈 레벨이 여전히 높은 경우, 구성요소의 연결을 하나씩 끊거나 DAQ 입력을 디바이스 접지에 단락하여 베이스라인을 설정하십시오. 이 기술을 사용하면 고급 기술을 사용하지 않고도 간섭의 원인을 분리할 수 있습니다.

DC 커플링 노이즈는 예상값과 측정값 사이의 오프셋으로 나타납니다. 어플리케이션이 평균값 연산을 수행하는 경우, AC 노이즈 소스를 의도치 않게 마스킹할 수 있습니다. 따라서 단일 포인트 측정을 수행하거나 원시 웨이브폼 데이터를 처리하지 않고 플롯하여 오프셋을 확인하는 것이 중요합니다. 오프셋을 디바이스의 정확도 및 분해능 스펙과 비교하십시오. 오프셋이 스펙 범위 내에 해당한다면, 이는 외부 간섭이 아닌 하드웨어의 한계 때문일 수 있습니다.

DC 커플링 노이즈는 공통 모드 또는 노멀 모드 노이즈의 형태로 볼 수 있다는 점을 유념하십시오. 

DC 커플링 노이즈는 케이블 연결 문제와 같은 환경적 요인으로도 발생할 수 있지만, 측정 시스템에 의도치 않은 신호를 커플링할 가능성이 있는 직접적인 경로를 찾는 것이 도움이 됩니다.

• 신호 소스가 접지되어 있거나 플로팅 상태입니까? 올바른 DAQ 입력 모드와 일치시켜 노이즈를 줄이고 정확도를 향상시킬 수 있습니다.
  • 플로팅 소스의 차동 모드
  • 접지된 소스에 참조된 단일 종단형 또는 참조되지 않은 단일 종단형

• 센서가 금속 섀시에 나사로 고정된 가속도계와 같은 전도성 표면에 장착된 경우, 모니터링된 디바이스에 접지에 대한 깔끔한 경로가 있는지 확인하십시오. 접지가 부적절하면 원하지 않는 DC 오프셋이 발생할 수 있습니다. 또한 센서와 DAQ 디바이스가 단일 접지 참조를 공유하도록 하여 접지 루프를 생성하는 것을 방지합니다.

• 케이블에 노출된 도선이나 커넥터(예: BNC 케이블 플러그)가 있는 경우, 전도체가 접촉하지 않도록 확인하십시오. 간접적인 접촉으로도 DC 바이어스를 유발할 수 있습니다. 

• DAQ 디바이스 또는 측정기가 올바르게 접지되어 있는지 확인하십시오. 플로팅 상태이거나 잘못 접지된 계측기는 디바이스와 신호 소스 간의 전위차로 인해 DC 오프셋을 유발할 수 있습니다.

• 특히 정밀 어플리케이션에서 측정을 수행하기 전에는 장비를 충분히 예열하여 열 편차를 최소화하십시오. 온도 변화는 시간 경과에 따라 DC 오프셋으로 나타나는 전압 레벨의 작은 편차를 유발할 수 있습니다.

• 주파수에 따라 노이즈를 분류합니다.—노이즈가 낮은 (50/60 Hz), 중간/하이 인스트루먼트 (kHz), 매우 높은 (MHz–GHz), 또는 DC 커플링인지를 확인합니다. 각각의 소스와 완화 전략은 다릅니다.

• 적절한 케이블 연결 및 접지.—접지 루프를 방지하고 단일 포인트 접지와 함께 꼬임 케이블을 사용하여 AC와 DC 노이즈를 모두 줄이십시오. 

• 신호 소스에 맞는 DAQ 설정 플로팅 소스에 차동 입력을 사용하고 접지된 소스에 단일 종단형 입력을 사용하여 오프셋과 간섭을 방지합니다.

• 필터링 및 절연 적용 원치 않는 주파수를 억제하기 위해 아날로그/디지털 필터를 사용하십시오. 절연된 DAQ 디바이스는 접지 루프와 공통 모드 노이즈를 제거하는데 도움이 됩니다. PXIe-6381에는 측정하는 신호에서 노이즈를 제거하는 40 kHz 선택 가능한 필터가 있습니다.
  
  
  
• 절연된 측정을 사용합니다. 절연된 DAQ 디바이스는 접지 루프와 공통 모드 노이즈를 제거하는데 도움이 됩니다. NI CompactDAQ 및 NI CompactRIO용 모듈 중 NI-9239 (24비트 10 V 입력), NI-9219(범용 아날로그 입력), NI-9212 (열전쌍) 등 여러 모듈이 절연되어 있습니다.
   

• 체계적 검사 및 문제 해결 노출된 도체, 부적절한 접지, EMI 소스, 열 편차가 있는지 확인합니다. FFT 및 원시 데이터를 사용하여 노이즈 소스를 분리하고 문제를 진단합니다.