측정 정확성을 보장한다는 것은 종종 데이터 시트에서 사양을 읽는 것 이상을 의미합니다. 전기 환경의 맥락에서 응용 분야를 이해하는 것은 특히 시끄럽거나 산업 환경에서 성공을 보장하는 데에도 중요합니다. 접지 루프, 높은 공통 모드 전압 및 전자기 복사는 모두 신호에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 잡음의 일반적인 예입니다.
측정 시스템에는 적절한 차폐, 케이블 연결 및 종단을 포함하여 노이즈를 줄이기 위한 많은 기술이 있습니다. 그러나 이러한 일반적인 모범 사례 외에도 더 나은 노이즈 내성을 보장하기 위해 할 수 있는 일이 더 있습니다.
다음 5가지 기술은 보다 정확한 측정 결과를 얻기 위한 지침 역할을 합니다.
DC 공통 모드 전압 제거
매우 정확한 측정은 종종 차동 판독에서 시작됩니다. 이상적인 차동 측정 장치는 계측 증폭기의 양극 단자와 음극 단자 사이의 전위차만 판독합니다. 그러나 실제 장치는 공통 모드 전압을 거부하는 기능이 제한적입니다. 공통 모드 전압은 계측 증폭기의 양극 및 음극 단자 모두에 공통된 전압입니다.
그림 1에서 5V는 AI+ 단자와 AI- 단자 모두에 공통으로 사용되며, 이상적인 장치는 두 단자 간의 결과 5V 차이를 읽습니다.
데이터 수집 (DAQ) 디바이스의 최대 작동 전압은 신호 전압에 공통 모드 전압을 더한 값을 나타내며 입력과 접지 사이에 존재할 수 있는 가장 큰 전위를 지정합니다. 대부분의 DAQ 디바이스의 최대 작동 전압은 계측 증폭기의 입력 범위와 동일합니다. 예를 들어, NI 6220 디바이스와 같은 저가형 M 시리즈 DAQ 디바이스의 최대 작동 전압은 11 V입니다. 입력 신호는 앰프에 손상을 주지 않고 11V를 초과할 수 없습니다.
절연은 DAQ 디바이스의 최대 작동 전압을 대폭 증가시킬 수 있습니다. 측정 시스템의 맥락에서 "절연"은 회로의 두 부분을 물리적, 전기적으로 분리하는 것을 의미합니다. 아이솔레이터는 전기를 전도하지 않고 회로의 한 부분에서 다른 부분으로 데이터를 전달합니다. 전류가 이 절연 장벽을 통해 흐를 수 없기 때문에 DAQ 디바이스 접지 참조를 접지에서 멀리 떨어진 곳으로 레벨 시프트할 수 있습니다. 이는 증폭기의 입력 범위에서 최대 작동 전압 사양을 분리합니다.
예를 들어, 그림 2에서 계측 증폭기 접지 기준은 접지와 전기적으로 절연되어 있습니다.
입력 범위는 그림 1과 동일하지만 작동 전압은 60V로 확장되어 55V의 공통 모드 전압을 제거합니다. 최대 작동 전압은 이제 증폭기 입력 범위 대신 절연 회로에 의해 정의됩니다.
연료 전지 테스트는 높은 DC 공통 모드 전압 제거가 필요한 어플리케이션의 예입니다. 각 개별 셀은 약 1V를 생성할 수 있지만 셀 스택은 수 킬로볼트 이상을 생성할 수 있습니다. 단일 1 V 셀의 전압을 정확하게 측정하기 위해 측정 디바이스는 스택의 나머지 부분에서 생성된 높은 동위상 전압을 제거할 수 있어야 합니다.
AC 공통 모드 전압 거부
공통 모드 전압이 DC 레벨로만 구성되는 경우는 드뭅니다. 대부분의 공통 모드 전압 소스에는 DC 오프셋 외에 AC 부품이 포함되어 있습니다. 노이즈는 필연적으로 주변 전자기 환경에서 측정된 신호에 결합됩니다. 이는 DAQ 디바이스의 계측 증폭기를 통과하는 로우 레벨 아날로그 신호의 경우 특히 문제가 됩니다.
AC 노이즈의 원인은 커플링 메커니즘(용량성, 유도성 또는 방사성)에 따라 크게 분류할 수 있습니다. 용량 결합은 근처의 릴레이 또는 기타 측정 신호에 의해 생성된 전기장과 같이 시간에 따라 변하는 전기장에서 발생합니다. 유도성 또는 자기적으로 결합된 노이즈는 근처의 기계나 모터에서 생성되는 자기장과 같이 시간에 따라 변하는 자기장에서 발생합니다. 전자기장 소스가 형광등과 같이 측정 회로에서 멀리 떨어져 있는 경우 전기장 및 자기장 결합은 결합된 전자기 또는 복사 결합으로 간주됩니다. 모든 경우에 시간에 따라 변하는 공통 모드 전압이 관심 신호에 결합되며, 대부분 50-60Hz(전력선 주파수) 범위에서 결합됩니다.
이상적인 측정 회로는 계측 증폭기의 양극 및 음극 단자 모두에 대해 완벽하게 균형 잡힌 경로를 가지고 있습니다. 이러한 시스템은 AC 커플링 잡음을 완전히 제거합니다. 그러나 실제 장치는 공통 모드 제거비(CMRR)로 공통 모드 전압을 거부할 수 있는 정도를 지정합니다.
CMRR은 다음 방정식에서 알 수 있듯이 증폭기에 의해 적용된 공통 모드 이득에 대한 측정된 신호 이득의 비율입니다.
보다 넓은 주파수 범위에서 보다 우수한 CMRR을 제공하는 DAQ 디바이스를 선택하면 시스템의 전반적인 노이즈 내성에 큰 차이를 만들 수 있습니다.
예를 들어, 그림 3은 저가형 M 시리즈 디바이스의 CMRR과 산업용 M 시리즈 디바이스의 CMRR을 비교한 것입니다.
그림 3 : NI 6230은 접지 대비 NI 6220보다 훨씬 높은 CMRR을 제공합니다.
60 Hz에서 NI 6230 산업용 M 시리즈 디바이스는 NI 20 저가형 M 시리즈 디바이스보다 6220 dB 더 높은 CMRR을 제공합니다. 이는 10Hz 노이즈의 60배 더 나은 감쇠에 해당합니다.
모든 응용 분야에서는 60Hz 잡음을 제거하는 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 대형 회전 기계 또는 모터가 있는 제품은 더 높은 주파수에서 잡음 내성이 필요합니다. 1 kHz에서 NI 6230 디바이스는 NI 100 디바이스보다 6220배 우수한 노이즈 제거를 제공하므로 산업용 어플리케이션에 이상적입니다.
접지 루프 끊기
접지 루프는 틀림없이 데이터 수집 시스템에서 가장 일반적인 노이즈 소스입니다. 정확한 측정을 위해서는 적절한 접지가 필수적이지만 자주 오해되는 개념입니다. 접지 루프는 회로에 연결된 두 단자가 서로 다른 접지 전위에 있을 때 형성됩니다. 이러한 차이로 인해 상호 연결에 전류가 흐르게 되어 오프셋 오류가 발생할 수 있습니다. 문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 신호 소스 접지와 DAQ 디바이스 접지 사이의 전압 전위가 일반적으로 DC 레벨이 아니라는 것입니다.
그 결과 판독값에서 전력선 주파수 성분을 나타내는 신호가 생성됩니다. 그림 4의 간단한 열전대 응용 분야를 고려하십시오.
여기서, 테스트 대상 디바이스(DUT)가 DAQ 디바이스와 다른 접지 전위에 있기 때문에 간단한 온도 측정이 복잡합니다. 두 장치 모두 동일한 건물 접지를 공유하지만 배전 회로가 제대로 연결되지 않으면 접지 전위의 차이가 200mV 이상이 될 수 있습니다. 차이는 결과 측정에서 AC 성분이 있는 공통 모드 전압으로 나타납니다.
절연은 계측 증폭기 접지 기준에서 신호 소스 접지를 전기적으로 분리하는 수단입니다(그림 5 참조).
그림 5 : 절연은 증폭기 접지 기준에서 접지 접지를 분리하여 접지 루프를 제거합니다.
전류가 절연 장벽을 가로질러 흐를 수 없기 때문에 증폭기 접지 기준은 접지보다 전위가 높거나 낮을 수 있습니다. 이 회로로 실수로 접지 루프를 만들 수 없습니다. 절연된 측정 장치를 사용하면 측정 시스템을 적절하게 접지해야 하는 모호성을 제거하여 보다 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.
4-20 mA 전류 루프 사용
케이블 길이가 길고 산업 또는 전기적으로 열악한 환경에서 노이즈가 존재하면 정확한 전압 측정이 어려울 수 있습니다. 결과적으로 압력, 유량, 근접 등을 감지하는 산업용 트랜스듀서는 전압 대신 전류 신호를 방출하는 경우가 많습니다.
4-20mA 전류 루프는 그림 6과 같이 많은 공정 모니터링 어플리케이션에서 센서 정보를 장거리로 전송하는 일반적인 방법입니다.
그림 6 : 계측 증폭기는 션트 저항기를 사용하여 프로세스 전류 신호를 전압으로 변환합니다.
각 전류 루프에는 센서, 전원 및 하나 이상의 DAQ 디바이스의 세 가지 구성 요소가 있습니다. 센서의 전류 신호는 일반적으로 4mA에서 20mA 사이이며, 4mA는 가장 낮은 신호 값을, 20mA는 최대값을 나타냅니다. 이 전송 방식은 개방 회로 또는 연결 불량을 나타내기 위해 0mA를 사용한다는 장점이 있습니다.
전원 공급 장치는 일반적으로 회로를 따라 떨어지는 총 전압량에 따라 24-30VDC 범위에 있습니다. 마지막으로, DAQ 디바이스는 계측 증폭기의 리드 사이에 고정밀 션트 저항을 사용하여 전류 신호를 전압 측정으로 변환합니다. 전원 공급 장치의 한 리드에서 흐르는 모든 전류가 다른 리드로 되돌아가야 하기 때문에 전류 루프 신호는 광범위한 케이블 길이에 따라 대부분의 전기 노이즈 및 전압(IR) 강하의 영향을 받지 않습니다. 또한 센서에 전원을 공급하는 리드는 측정 신호도 전달하여 현장 배선을 크게 단순화합니다.
그림 6에 표시된 것과 같은 분리 장벽은 전류 루프 응용 제품에서 두 가지 주요 이점을 제공합니다. 첫째, 전원 공급 장치 전압은 일반적으로 대부분의 계측 증폭기의 최대 입력 범위를 초과하기 때문에 증폭기 접지를 접지에서 허용 가능한 전압으로 레벨 시프팅하려면 절연이 필수적입니다. 둘째, 전류 루프는 전류가 회로를 떠나지 않는 원리에 따라 작동합니다. 따라서 전류 루프를 접지 경로에서 분리하면 신호 저하를 방지할 수 있습니다. NI 6238 및 NI 6239 산업용 M 시리즈 DAQ 디바이스와 같은 디바이스는 60-4 mA 전류 루프 어플리케이션을 위해 내장된 션트 저항기 및 최고 20 VDC의 접지 절연을 제공합니다.
측정 노이즈는 아날로그 신호에만 국한되지 않습니다. 디지털 로직은 또한 잡음이 많은 전기 환경의 영향을 받을 수 있으며, 이는 잘못된 온/오프 값 또는 우발적인 트리거를 나타낼 수 있습니다. 디지털 I/O와 관련된 여러 전압 레벨과 로직 패밀리가 있으며, 일부 제품은 다른 제품보다 노이즈에 강합니다.
TTL(트랜지스터-트랜지스터 로직)은 마이크로프로세서에서 LED에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 가장 일반적인 로직 제품군입니다. TTL은 널리 사용 가능하지만 모든 디지털 애플리케이션에 항상 최선의 선택은 아닐 수 있습니다.
산업 응용 분야의 경우 TTL은 잡음 마진이 적다는 고유한 단점이 있습니다. 각각 2.0V 및 0.8V의 높은 논리 및 낮은 논리 레벨에서는 오류의 여지가 거의 없습니다. 예를 들어, TTL 입력의 로우 레벨 노이즈 마진은 0.3V(최대 로우 레벨 TTL 입력인 0.8V와 최대 로우 레벨 TTL 출력인 0.5V의 차이)입니다.
0.3V를 초과하는 디지털 신호에 결합된 노이즈는 전압을 0.8V와 2.0V 사이의 정의되지 않은 영역으로 이동할 수 있습니다. 여기서 디지털 입력의 동작은 불확실하며 잘못된 값을 생성할 수 있습니다(그림 7 참조).
그러나 24V 논리는 잡음 마진을 높이고 전반적인 잡음 내성을 향상시킵니다. 대부분의 산업용 센서, 액추에이터 및 제어 로직은 이미 24V 전원 공급 장치에서 작동하기 때문에 해당 디지털 로직 레벨을 사용하는 것이 편리합니다. 4V의 로우 레벨 입력과 11V의 하이 레벨 입력으로 디지털 신호는 노이즈에 덜 민감합니다.
24 V 디지털 I/O 기능이 있는 대부분의 측정 디바이스는 추가적인 노이즈 감소 기능을 제공합니다. 예를 들어, 내쇼날인스트루먼트의 산업용 M 시리즈 및 디지털 I/O 디바이스에는 릴레이 입력을 디바운싱하기 위한 프로그래밍 가능한 입력 필터가 있습니다. 기계식 릴레이가 닫히면 접촉면이 서로 튕겨 나가는 짧은 시간(밀리초 정도)이 있습니다. 필터링 없이 로직 입력은 이를 온/오프 신호의 버스트로 읽을 수 있습니다. 이 장치는 또한 전체 시스템의 부품이 다른 공급 장치에서 전원이 공급되는 경우 고려해야 할 중요한 요소인 절연을 제공합니다.
측정 시스템에서 노이즈를 줄이려고 할 때 고려해야 할 많은 요소가 있습니다. 적절한 차폐, 케이블 연결 및 종단 외에도 공통 모드 전압, 접지 및 주변 노이즈 소스를 신중하게 고려해야 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 그러나 시스템의 전기적 환경을 이해하는 것이 항상 간단한 것은 아닙니다. 절연은 신호 또는 어플리케이션에 관계없이 측정에 또 다른 신뢰도를 추가할 수 있는 쉬운 방법입니다.
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