계측 증폭기 안정 시간때문에 데이터가 부정확합니까?

수집한 아날로그 데이터가 측정한 실제 신호를 정확하게 반영하지 않을 수 있다는 사실을 알지 못할 수도 있습니다. 예를 들어, 12비트 분해능 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 있는 다기능 I/O 디바이스와 같은 플러그인 데이터 수집(DAQ) 디바이스를 사용하고 100 kS/s의 샘플링 속도로 16개 채널을 입력으로 스캔할 때, 수집한 데이터가 12비트 정확하지 않을 수도 있습니다. 데이터가 손실되지 않았기 때문에 DAQ 보드가 가져오는 데이터는 에러가 없게 나타납니다. 그러나 가져온 데이터는 지정된 ADC 정확도 내에 있지 않을 수 있습니다. 이는 계측 증폭기의 안정 시간으로 인해 발생하는 현상으로, 모든 플러그인 DAQ 보드 사용 시 반드시 고려해야 할 중요한 요소입니다.

증폭기 안정 시간으로 인한 부정확성을 줄이는 두 가지 방법이 있습니다. 

• 모든 샘플링 속도와 이득에서 안정되는 계측 증폭기가 있는 DAQ 보드를 선택합니다.
• 샘플링 속도를 줄입니다.

안정 시간은 신호가 특정 정확도에 도달하고 지정된 정확도 범위 내에 머무르도록 증폭하는데 필요한 시간입니다. 안정 시간이 DAQ 시스템에 미치는 영향을 확인하려면 그림 1의 블록다이어그램을 참조하십시오. 이 블록다이어그램은 컴퓨터에 아날로그 데이터를 수집하는데 필요한 DAQ 보드의 주요 구성요소를 보여줍니다.

• 멀티플렉서(MUX)
• 계측 증폭기
• 샘플링 ADC
• 선입선출(FIFO) 버퍼

그림 1. 플러그인 DAQ 보드의 주요 구성요소

측정되는 실제 신호는 먼저 멀티플렉서를 통해 특정 채널로부터 연결됩니다. 그 후 신호는 계측 증폭기에 들어갑니다. 계측 증폭기는 입력 신호에 지정된 양의 이득을 적용하여 신호를 더 높은 레벨로 올리고 적절한 A/D 변환을 보장합니다. 또한 증폭기는 DAQ 보드에 적용된 모든 차동 입력 신호를 단일 종단형 출력으로 변환하여 ADC가 올바르게 데이터를 디지털화할 수 있도록 합니다. 그런 다음 ADC는 신호를 디지털화하고 보드의 FIFO 버퍼에 놓을 때까지 신호를 샘플링하고 보류합니다. FIFO에서, 디지털화된 신호는 PC 버스를 통해 보드에서 컴퓨터 메모리로 전송될 준비가 되었습니다.

인스트루멘테이션 증폭기의 안정 시간이라는 ADC의 정확도를 유지하면서 신호를 더 높은 레벨로 증폭하는데 소요되는 시간은 플러그인 DAQ 보드를 사용할 때 중요한 문제입니다. A/D 변환이 이루어지기 전에 계측 증폭기가 안정되어야 하며, 그렇지 않으면 데이터가 부정확해집니다. 증폭기가 안정되지 않는 경우, 디지털화된 전압은 수집하려는 실제 전압 신호보다 높거나 낮아집니다.

안정 시간이 계측 증폭기의 여러 요소의 결과입니다. 표준 저항-커패시턴스 (RC) 저역 통과 필터 회로 설계를 예로 들어 보겠습니다. RC 회로에 전압 스텝을 적용할 때, 그림 2와 같이 신호가 원하는 전압의 퍼센트 내에서 상승하고 안정되려면 일정 시간이 필요합니다. 이 V 퍼센트는 정확도의 범위이며, 신호가 지정된 범위 내로 들어가는 데 걸리는 시간은 안정 시간입니다.

그림 2. 표준 RC 회로의 안정 시간

그림 3은 표준 계측 증폭기의 안정 시간 특성을 보여줍니다. 신호가 범위를 초과하여 진동하고, 허용 가능한 정확도 범위 내에서 안정화되는 것을 확인합니다. 다시 말해, 신호가 정확도 범위 내로 들어가는 데 걸리는 시간은 안정 시간입니다.

그림 3. 계측 증폭기의 안정 시간

이 개념을 보다 잘 이해하려면, 증폭기 안정 시간을 스프링-마스 시스템의 안정 시간과 비교하십시오. 그림 4a는 스프링이 멈추고 있는 모양의 스프링을 보여줍니다. 그림 4b는 그림 4c와 같이 매스가 해제되면 스프링이 회전하기 시작하도록 확장된 것을 보여줍니다. 그림 4d와 같이 점멸 거리가 휴면 위치의 지정된 범위 내로 감소하면 시스템이 안정된 것으로 간주됩니다. 스프링이 해제되는 시점부터 스프링의 점진이 원하는 모션 범위로 감소하는 시점까지의 시간은 안정 시간입니다.

그림 4. 봄-질량 시스템의 정착

스프링 매스 시스템의 안정과 증폭기 안정 시간 사이의 유사성을 확인합니다. 증폭기가 이득을 적용하고 신호가 원하는 값으로 변경되면 신호가 허용된 정확도 범위에 도달하고 그 범위 내에 머무를 때까지 시간이 경과합니다. 이 시간은 스프링 매스 시스템이 허용 범위 내로 회전을 줄이는데 걸리는 시간과 비슷합니다.

다음 섹션에서는 DC 신호와 AC 신호를 사용하는 DAQ 보드의 안정 시간을 결정하는 두 가지 방법에 대해 자세히 설명합니다.

DC 신호 안정 시간 테스트

그림 5는 두 개의 DC 신호가 DAQ 보드에 연결된 DC 신호 테스트를 보여줍니다. 테스트를 실행하려면, 각각 ± 신호를 채널 1과 2에 연결합니다. 입력 신호는 높은 이득이 적용될 때 DAQ 보드의 전체 스케일 입력 범위에 가깝지만 이보다 높지 않아야 합니다. 예를 들어, 100의 이득이 있는 ±0.048 V 입력을 사용하면 4.8 V 신호가 생성되며, 이는 보드의 전체 스케일 값보다 0.2 V 낮습니다. 이 테스트를 실행할 때, 전체 스케일 값보다 크거나 같은 신호를 입력하지 않는 것이 중요합니다. 이는 증폭기를 포화시키고 안정 시간이 길어질 수 있기 때문입니다. 그런 다음 각 채널에 대해 최소한 100 포인트 단일 채널 타이밍에 의한 데이터 수집을 완료하고 결과의 평균을 구하여 양의 참조 전압과 음의 참조 전압을 얻습니다. 그림 5에서 이러한 참조 전압은 VREF와 -VREF라는 라인이 나타냅니다.

개별적으로 참조 값을 수집한 후, 채널 간 샘플링을 전환하여 두 채널의 최대 샘플링 속도로 100 포인트를 수집합니다. 이것을 채널 스캔이라고도 합니다. 그림 5는 이 포인트를 참조 전압 라인 근처의 점으로 보여줍니다.

다시 한 번, 데이터의 평균을 구합니다. 이 평균을 사용하여 최대 샘플링 속도의 안정 시간 에러를 계산합니다. 그림 5에서 양의 데이터의 평균은 0.04 V이며, 음의 데이터의 평균은 –0.048 V입니다.

에러를 계산하려면, 참조 전압과 스캔된 데이터의 양의 평균과 음의 평균 사이의 최대 편차를 계산합니다. 즉, 양의 및 음의 참조 전압에서 스캔된 데이터의 평균을 빼고 절대값의 최대값을 사용합니다. 이 편차는 최대 샘플링 속도에서 전압 안정 시간 오차의 양을 나타냅니다. 그림 5의 예에서 양의 편차와 음의 편차는 각각 0.01 V와 –0.002 V이며, 이로 인해 최대 안정 시간 에러는 0.01 V가 됩니다.

그림 5. DC 신호 안정 시간 테스트

보드가 지정된 정확도로 안정될 때까지 서로 다른 샘플링 속도와 이득으로 이 과정을 반복합니다. 시간에 대하여 최하위 비트(LSB)로 에러를 플롯하려면, 적용한 이득에 대해 최대 편차의 절대값을 1 LSB와 같은 전압으로 나누십시오. 예를 들어, 그림 5에서,

100 이득 값. 그러므로 그림 5의 0.01 V의 에러는 409.8 LSB와 같습니다. 샘플링 속도를 반전하여 특정 에러 양의 안정 시간을 계산합니다. 예를 들어 100 kS/s의 샘플링 속도에서 안정 시간이 10μs입니다. 플롯이 완료된 후, 플롯을 지정된 보드 정확도와 비교하여 보드가 지정된 정확도로 안정되는데 걸리는 시간을 확인합니다.

AC 신호 안정 시간 테스트

그림 6은 AC 신호 테스트를 보여줍니다. 그림 6에서는 채널 1에 전체 스케일의 저주파 AC 신호가 연결되어 있고, 채널 2는 접지에 연결되어 있습니다. 그림 6의 위쪽 그래프와 같이 두 채널 사이에서 최대 샘플링 속도로 샘플링을 전환하고, 아래쪽 그래프와 같이 채널 2의 데이터에 빠른 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 증폭기가 올바르게 안정되었는지 확인할 수 있습니다.

그림 6과 같이 FFT 플롯에서 채널 1 입력 신호의 주파수에서 큰 스파이크가 나타나면, 증폭기가 완전히 안정되지 않았습니다. 스파이크의 크기는 전압 에러의 크기이며, 대응하는 안정 시간은 샘플링 속도의 역입니다. 주파수가 너무 높은 입력 신호를 사용하면 누화가 발생할 수 있으며, 이는 채널 2 스펙트럼에서 안정 시간 에러와 같습니다.

참고: 누화는 신호와 커패시턴스의 근접성으로 인한 예상되는 자연 현상으로 신호의 원치 않는 커플링을 초래합니다. 모든 DAQ 보드에는 누화 측정이 있습니다.

그림 6. AC 신호 안정 시간 테스트

이 과정을 서로 다른 샘플링 속도와 이득으로 반복하여 증폭기가 얼마나 빨리 안정되는지 그리고 에러의 양을 확인합니다. FFT 플롯에서 스파이크의 크기를 최소화하면, 증폭기가 올바르게 안정되었습니다. 이 과정을 사용하여 DAQ 보드를 사용하여 정확하게 데이터를 수집할 수 있는 샘플링 속도와 이득을 결정할 수 있습니다.

게인, 멀티플렉싱, 소스 출력 임피던스, 전송 라인 저항 및 커패시턴스는 모두 안정 시간에 영향을 미칩니다. 이득 시간과 안정 시간은 일반적으로 직접적인 관계를 가집니다. 증폭 과정에서 인스트루멘테이션 증폭기는 대역폭과 신호 분해능이 떨어지면서 더 높은 이득에서 안정되는데 더 오래 걸립니다.

멀티플렉스하면 하나 이상의 채널이 스캔될 때 안정 시간이 증가할 수 있습니다.  서로 다른 DC 값에서 여러 채널 사이에서 빠르게 전환하면 인스트루먼트 증폭기에 높은 주파수 입력이 발생합니다.  멀티플렉싱 중 인스트루먼트 증폭기 입력의 예는 그림 7과 같습니다.  

그림 7. 42 DC 신호를 멀티플렉싱할 때 계측 증폭기에 입력

입력에 전압이 적용되면 인스트루멘테이션 증폭기가 안정되려면 시간이 필요합니다.  채널이 증폭기의 안정 시간보다 빠른 속도로 스위치되고 샘플링되는 경우, 정확하지 않은 값이 결과로 나타납니다.  이 문제는 인접한 채널 간의 전압 차이가 크면 더욱 심해집니다.

소스 임피던스가 높은 입력 채널을 멀티플렉스하면 증폭기 안정 시간이 길어집니다.  스위칭하는 동안 멀티플렉서에 고유한 커패시턴스의 충전 및 방전과 결합된 소스의 높은 임피던스는 여러 채널을 스캔할 때 추가적인 부정확성을 초래할 수 있습니다. 멀티플렉서에서 방출되는 전류가 접지를 찾기 때문에, 전류는 높은 임피던스 소스를 통과합니다. 전류와 높은 임피던스 소스는 전압을 생성하기 위해 결합됩니다. 이 전압이 원래 신호에 추가되어 부정확한 데이터를 생성합니다.

또한 전송 라인 효과는 높은 임피던스 소스를 사용할 때 안정 시간에 영향을 미칩니다. 케이블의 커패시턴스와 연관된 충전으로 인해 시스템의 안정 시간이 길어집니다. 케이블 커패시턴스의 결과는 케이블에 작은 저역 통과 필터가 있어 충전 및 방전 시간이 걸리므로 신호의 처리량이 감소합니다.

분해능 ADC가 같지만 계측 증폭기가 서로 다른 두 DAQ 보드의 성능을 비교하면, 안정 시간의 차이로 인해 발생하는 극단적인 변동을 확인할 수 있습니다. 그림 8과 9는 두 개의 National Instruments 다기능 플러그인 DAQ 보드에 대한 DC 신호 안정 시간 테스트 결과를 보여줍니다. 하나의 보드에는 오프라인 계측 증폭기가 있고 다른 보드에는 NI-PGIA™가 있습니다. 그림 8과 9의 그래프를 생성하려면, ±0.048 V 신호가 각 보드의 채널 1과 채널 2에 100의 이득으로 입력되고 샘플링 속도를 조정하여 안정 시간의 효과를 보여줍니다.

그림 8. 외부 장비 증폭기를 사용한 보드의 DC 안정 시간 테스트

그림 9. NI-PGIA를 사용한 보드의 DC 안정 시간 테스트

그림 8을 생성하는 데 사용되는 저가 보드는 에러 여백이 보여주는 오프라인 계측 증폭기를 포함합니다. 보드는 0.5 LSB, 즉 지정된 정확도로 안정되는데 16 ~ 17 μs가 소요되었습니다. 그림 9의 생성에 사용되는 고정밀 고성능 보드는 NI-PGIA 계측 증폭기를 포함하며, National Instruments는 이 증폭기를 플러그인 DAQ 보드용으로 설계하여 안정 시간 문제를 해결합니다. 저가 보드의 증폭기보다 NI-PGIA가 얼마나 빠르게 안정되는지 확인합니다.

그림 10 은 NI-PGIA의 안정 시간을 타사 계측 증폭기와 비교한 것입니다. NI-PGIA는 DC 신호 테스트에서 발견된 표준 계측 증폭기보다 약 5배 빠른 12비트 정확도로 안정됩니다.

NI-PGIA는 NI-PGIA가 2 μs 내에 12비트 정확도로 안정되도록 특별히 설계되었기 때문에 표준 오프라인 계측 증폭기와는 다릅니다. NI-PGIA의 높은 정확도와 낮은 안정 시간은 주로 프로그래밍된 이득에 관계없이 1의 폐루프 이득에 가깝게 작동하는 입력 작동 증폭기(op amp) 때문입니다. 이는 프로그램된 이득이 증가함에 따라 폐루프 게인이 증가하는 대부분의 작동 증폭기와는 다릅니다.

NI-PGIA의 설계를 통해 이득이 증가함에 따라 대역폭과 선형성이 상대적으로 일정하게 유지됩니다. 그러므로 안정 시간이 100의 최대 이득일 때에도 2 μs 범위 내로 유지됩니다. 비선형성은 약 1.5 parts per million (ppm), NI-PGIA의 이득 에러는 ±0.02%입니다. 이득 에러의 변동은 주로 NI-PGIA의 이득 셋팅 저항의 비율 일치 때문입니다. 저항의 주요 기능은 입력 신호에 적용될 NI-PGIA 게인을 설정하는 것입니다.

대부분의 계측 증폭기의 DC 공통 모드 제거 비율(CMRR)은 일반적으로 이득이 감소함에 따라 감소하지만, NI-PGIA의 DC CMRR은 이득과 거의 독립적입니다. 대부분의 표준 계측 증폭기와 마찬가지로, NI-PGIA AC CMRR은 내부 스트레이 커패시턴스로 인해 낮은 이득 감쇠를 보입니다. NI-PGIA는 차동 입력 신호를 단일 종단형 신호로 정확하게 변환하고, 계측 증폭기 내에서 잘 일치하는 저항이 필요하지 않으며, NI-PGIA의 높은 정확도에 기여하는 트랜스도전도 설계를 사용합니다.

안정 시간을 줄이는 가장 효과적인 방법은 모든 이득과 속도에서 필요한 정확도로 안정되는 계측 증폭기가 있는 DAQ 보드를 사용하는 것입니다. 계측 증폭기가 가장 많은 안정 시간 지연이 발생하는 곳이기 때문에, 가장 정확한 데이터를 수집하려면 우수한 계측 증폭기가 있는 보드를 선택하십시오. 

특수 인스트루멘테이션 증폭기가 없는 DAQ 보드가 있는 경우, 데이터 수집에 미치는 안정 시간 효과를 줄이기 위해 사용할 수 있는 몇 가지 기술이 있습니다. 그러나 이러한 기술은 보드와 계측 증폭기를 사용하여 모든 속도와 이득에서 필요한 정확도로 안정되도록 보장하는 것보다 효과적이지 않습니다.

그림 11과 같이 안정 시간 효과를 처리하는 기술 중 하나는 연속 또는 간격 채널 스캔을 사용하는지에 따라 입력 신호를 특별히 배치하는 것입니다. 모든 어플리케이션에서 신호 배치가 가능하지 않을 수도 있지만, 이 방법을 먼저 고려해 보십시오.

채널을 가능한 한 빠르게 연속적으로 스캔하고 각 채널 사이에 같은 시간이 경과하려면, 각 채널 사이의 전압 변동이 일정하도록 신호를 배치하는 것을 고려해야 합니다. 그러나 채널 시퀀스를 다시 샘플링할 때에는, 첫번째 채널을 두 번 샘플링해야만 증폭기가 안정되도록 할 수 있습니다. 첫번째 채널 샘플을 반복하여, 증폭기는 전압의 최대 진동을 보정하는데 필요한 시간을 갖게 됩니다.

간격 스캔은 첫번째 채널을 다시 샘플링하기 전에 최대한 빨리 모든 채널을 스캔하는 것을 의미합니다. 이렇게 스캔하면 마지막으로 샘플된 채널과 첫번째 채널 샘플의 반복 사이에서 채널에서 가장 큰 전압 변동이 발생하므로, 추가적인 필요 없이 증폭기가 안정되도록 할 수 있습니다.

그림 11. 간격 및 연속 채널 스캔을 위한 신호 배치

적절한 케이블 연결 재질을 선택하면 안정 시간 효과를 줄일 수 있습니다. 케이블에 존재하는 커패시턴스 때문에 케이블 연결이 또 다른 고려사항입니다. 충전 및 방전과 관련된 지연 시간 때문에 더 높은 커패시턴스가 있는 케이블을 선택하지 마십시오. 케이블의 커패시턴스를 줄이려면, 케이블 길이를 최대한 짧게 유지하고, 폴리프로필렌과 같은 자연적으로 저용량 유전체로 만든 케이블을 선택하십시오.

안정 시간 효과를 낮추는 마지막 기술은 샘플링 속도를 줄이고 출력 임피던스가 낮은 소스를 선택하는 것입니다. 샘플링 속도를 줄이면 인스트루멘테이션 증폭기가 원하는 정확도로 안정되도록 할 수 있습니다. 그러나 샘플링 속도를 최대 입력 주파수의 2배 미만으로 낮추면, 샘플링되지 않은 웨이브폼과 부정확한 데이터가 발생합니다.

낮은 출력 임피던스를 가진 디바이스를 사용할 수 없는 경우, 보드 입력에 버퍼로 작용하는 낮은 출력 임피던스를 가진 신호 컨디셔닝 모듈 또는 증폭기를 사용할 수 있습니다. 일반적으로 단일 게인 버퍼 또는 전압 폴러워(Voltage Follower)로 불리는 이 버퍼를 사용하면, 멀티플렉서는 높은 임피던스 소스로부터 낮은 임피던스 신호를 수신하여 안정 시간의 영향을 줄일 수 있습니다.

증폭기가 주파수 요구사항에 충분히 빠르게 안정되지 않는 경우, 필요한 샘플링 속도로 안정되는 다른 DAQ 보드를 선택하는 것을 고려해야 합니다.

안정 시간에 적합한 DAQ 보드를 선택하는 것은 몇 가지 중요한 문제로 구성되어 있습니다. 먼저 어플리케이션에 필요한 최대 샘플링 속도와 이득을 결정합니다. 스펙 내에서 안정되는 DAQ 보드를 선택해야 합니다. DAQ 보드가 이미 있는 경우, DC 또는 AC 안정 시간 테스트를 실행하여 보드의 안정 시간을 결정합니다.

DAQ 보드의 제약 조건을 알면, 신호의 출력 임피던스를 고려하고 가능한 한 채널 간 전압의 변동을 최소화하기 위해 신호를 정렬합니다. 마지막으로 저항과 커패시턴스가 적은 케이블을 최대한 짧게 선택합니다. 이 가이드라인을 사용하면, 모든 안정 시간 문제를 해결하고 수집한 데이터가 정확한지 확신할 수 있습니다.

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