아날로그 신호란?

아날로그 I/O란?

온도, 압력, 유량과 같은 주변 자연 요인을 측정하는 센서의 신호는 종종 아날로그 신호이며 대부분의 제어 액추에이터는 아날로그 신호에 따라 움직입니다. 반면에 디지털 신호만 컴퓨터에서 처리할 수 있습니다.

이러한 이유로 컴퓨터를 사용하여 센서의 신호를 입력하거나 액추에이터에 신호를 출력하려면 컴퓨터에서 처리하는 아날로그 신호와 디지털 신호를 연결할 수 있는 장치가 필요합니다. 이 브리지를 아날로그 I/O 인터페이스라고 합니다.

 

 

아날로그 I/O 장치 분류

1) 아날로그 입력 장치(A/D 변환)

   - 이 장치는 외부 장치의 아날로그 신호를 컴퓨터에서 처리할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 역할을 합니다.

2) 아날로그 출력 장치(D/A 변환)

  - 이 장치는 컴퓨터의 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환한 후 외부 장치로 출력합니다.

3) 아날로그 I/O 장치(A/D, D/A 변환)

  - 아날로그 I/O 디바이스는 A/D 변환 기능과 D/A 변환 기능이 모두 있는 디바이스입니다.

 

아날로그에서 디지털로, 디지털에서 아날로그로.

외부 아날로그 수량을 컴퓨터에 입력할 때 수량을 디지털 방식으로 올바르게 표시하기 위해서는 해당 디지털 수량에 대해 무한한 자릿수가 필요합니다. 이것은 컨버터를 구성하는 회로 기술의 관점에서도 제한된 수의 자릿수만 처리할 수 있는 컴퓨터로는 불가능합니다.

이 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법은 바닥이나 천장을 반올림하거나 사용하여 허용 가능한 범위 내에서 자릿수를 유지하는 것입니다. 즉, 일정 범위 내의 금액을 대표 값으로 대체하는 것을 의미합니다. 이를 양자화라고 합니다.

 

실선으로 표현된 아날로그 값을 양자화할 때 계단식 선이 생깁니다. 이를 통해 유한한 값을 사용하여 모든 아날로그 신호를 표현할 수 있습니다. 이 기술은 예를 들어 휴대폰과 같이 많은 사람들에게 친숙한 것들에서 활성화됩니다. 휴대폰은 음성(아날로그)을 디지털 사운드로 변환하여 전화를 겁니다.

 

 

예를 들어, 다음 그림은 첫 번째 단계가 1인 십진수 계단과 십진수가 이진수로 대체된 경우의 결과를 보여줍니다. 이러한 방식으로 아날로그 수량을 4비트로 디지털화할 수 있습니다. 이것이 아날로그 수량을 정량화하는 기본 아이디어입니다.

 

아날로그 I/O 장치 절연 유형

아날로그 I/O 디바이스는 크게 절연형과 비절연형의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다. 두 가지 유형의 격리 기능을 살펴 보겠습니다. 격리되지 않은 형식은 격리 요소를 사용하지 않습니다.

 

버스 격리

포토 커플러를 사용하여 컴퓨터와 외부 I/O 회로를 분리합니다. 이 방법을 사용하면 전기적 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있기 때문에 배선에 노이즈가 쉽게 발생하거나 컴퓨터가 오작동하거나 손상될 우려가 있는 경우에도 걱정 없이 사용할 수 있습니다.

 

독립적인(채널 간) 절연

버스 절연 외에도 독립 절연은 광 커플러와 절연 증폭기를 사용하여 각 입력/출력 채널 사이에 절연을 추가합니다. 이를 통해 채널 간의 간섭을 방지하고 다양한 채널에 연결된 장비의 접지 레벨이 다른 경우에도 정확한 샘플링이 가능합니다.

 

단일 종단 입력

신호선과 접지선을 2선식 연결에 사용하는 단종입력은 접지와의 전위차를 이용하여 신호원의 전압을 측정하는 방식입니다. 아날로그 입력의 경우 가장 일반적인 입력 방법이며 하나의 신호 소스에 대해 두 개의 라인만 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 차동 입력과 비교할 때 단일 종단 입력의 단점은 노이즈의 영향을 쉽게 받는다는 것입니다.

 

차동 입력

차동 입력은 신호 소스의 전압을 측정하기 위해 총 3개의 전선에 대해 2개의 신호선과 1개의 접지선을 사용합니다. 신호 소스 전위(A-B)는 접지와 점 A 사이, 접지와 점 B 사이의 전위 차이를 취하여 측정됩니다. 이러한 방식으로 접지의 잡음은 A-B에 대해 상쇄되어 차동 입력이 단일 종단 입력에 비해 잡음에 덜 민감하다는 이점을 제공합니다.

 

그러나 한 가지 단점은 하나의 신호 소스에 3개의 와이어가 필요하다는 것인데, 이는 사용할 수 있는 채널 수가 단일 종단 입력에 비해 절반이라는 것을 의미합니다.

 

 

해상도

분해능은 아날로그 신호를 디지털로 표현할 수 있는 섬세함의 정도를 나타냅니다. 고분해능은 전압 범위를 미세하게 분할하여 디지털 값으로 보다 정확하게 변환할 수 있음을 의미합니다.

다양한 아날로그 I/O 디바이스 중에서 최적의 해상도를 가진 디바이스를 선택하기 위한 몇 가지 고려 사항을 살펴보겠습니다.

 

예를 들어, "0°C와 100°C 사이의 측정"인 경우...

예 1: 1°C 단위로 측정하는 방법
100분의 1의 정확도가 필요합니다. 해상도가 8비트인 장치(2^8 = 256 세그먼트)로 충분합니다.
예제 2: 0.1의 단위로 측정하는 방법°C
1/1,000의 정확도가 필요합니다. 분해능이 12비트인 장치(2^12 = 4,096 세그먼트)가 필요합니다.
예 3: 0.01°C 단위로 측정하는 방법
1/10,000의 정확도가 필요합니다. 분해능이 16비트인 장치(2^16 = 65,536 세그먼트)가 필요합니다.

 

이득

게인은 배율을 나타냅니다. 일부 아날로그 입력 장치에는 입력 신호를 증폭할 수 있는 기능이 있습니다. 예를 들어, 0 - 2.5 V의 외부 신호에서 아날로그 입력 장치의 입력 범위가 0 - 10 V인 경우, 외부 신호(입력되는 신호)를 4배로 증폭한 다음 결과 0 - 10 V 신호를 있는 그대로 변환하지 않고 더 높은 정밀도로 변환할 수 있습니다.

 

전환율(샘플링 주기)

변환율은 특정 시간 간격에 걸쳐 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있는 미세도를 나타냅니다. 또한 디지털 데이터가 아날로그 데이터로 출력되는 데 걸리는 시간도 보여줍니다. 변환 속도가 높을수록 반복성이 높은 변환이 가능합니다.

 

권장 샘플링 속도: 측정 주파수의 10배

아날로그 신호를 측정하는 첫 번째 단계는 샘플링 속도(주기)를 결정하는 것입니다. 샘플링 속도가 빠를수록 원래 신호 파형을 디지털 신호로 변환할 때 정확도가 높아집니다. 그러나 샘플링 속도가 증가함에 따라 데이터 양도 증가하므로 아날로그 입력 인터페이스에서 더 비싼 A/D 컨버터가 필요합니다.

현실적인 지수를 결정하려면 먼저 샘플링 정리를 고려해야 합니다. 샘플링 정리는 연속 아날로그 신호를 이산 디지털 신호로 샘플링해야 하는 간격을 지정합니다. 원래 신호의 모든 주파수 성분을 정확하게 샘플링하려면 샘플링 속도가 원래 신호 주파수의 두 배 이상이어야 합니다.

 

예를 들어, 1kHz 아날로그 신호를 정확하게 샘플링하려면 최소 2kHz의 샘플링 속도가 필요합니다. 그보다 적으면 원래 신호에서 주파수 성분의 정확한 샘플링이 불가능합니다. 저속으로 샘플링할 때 고속 신호는 접힌 신호로 나타나 앨리어싱이 발생하고 신호 파형이 실제 원래 파형 주파수보다 낮은 주파수로 나타납니다.

예를 들어, 고속으로 회전하는 프로펠러는 눈과 뇌의 샘플링 속도가 회전하는 프로펠러의 주파수를 따라갈 수 없기 때문에 느리게 보입니다. 앨리어싱이 발생하면 샘플링 결과가 실제 신호 주파수와 크게 다르게 보입니다.

 

샘플링 정리를 따르면 주파수 성분이 정확하게 수집되는지 확인해야 합니다. 그러나 실제로는 파형이 들쭉날쭉하게 보이고 샘플링 속도가 원래 신호 주파수의 두 배에 불과하면 충분한 진폭을 얻을 수 없습니다. 신호 특성을 정확하게 캡처하려면 원래 신호 주파수의 최소 10배의 샘플링 속도를 권장합니다. Contec은 특정 주파수에 대한 다양한 아날로그 입력 인터페이스를 제공합니다.

목표 신호 주파수(주기)	권장 샘플링 속도
10MHz(100n초)	100MHz(10nsec)
1MHz(1μsec)	10MHz(100nsec)
100kHz(10μ초)	1MHz (1μ초)
50kHz(20μ초)	500kHz (2μ초)
10kHz(100μ초)	100kHz (10μsec) 이상
5kHz (200μ초)	50kHz (20μsec) 이상

 

변환 정확도

변환 정확도는 A/D 변환 또는 D/A 변환을 수행할 때 발생하는 오류 범위를 나타냅니다. 오류는 1LSB 단위로 표시됩니다. 예를 들어, 12비트의 분해능이 ±10V의 입력 범위로 설정된 A/D 변환 장치의 최소 재용해 단위는 20,4mV(096LSB)≈ 4÷ 88,1mV입니다.

해당 A/D 변환 보드의 변환 정확도가 ±2LSB로 표시되면 생성된 오류가 약 4.88mV×2≈ ±9.76mV가 될 가능성이 있음을 의미합니다.

• *LSB는 최하위 비트(least significant bit)의 약자로, 이진 데이터의 최하위 비트를 의미합니다.

이진 데이터와 전압의 관계(16비트 분해능)

16비트 아날로그 입력 장치에서 입력된 A/D 변환 데이터는 16자리(16진수 = 4자리)로 이진수가 되고, 아날로그 출력 장치에서는 설정할 D/A 변환 데이터를 16자리 이진수(16진수 = 4자리)로 처리합니다. 다음 그림과 같이 "0000"이 "-10V"에서 사용되는 경우 "FFFF"가 "9.99970V"에서 사용됩니다.

16비트 분해능 장치를 사용하면 -10V에서 0V 사이의 전압을 32,768개의 데이터 세그먼트로 표현할 수 있습니다. 여기서 -10V는 "0000"입니다H"이고 0V는 "8000H"입니다 이와 같이 0 V에서 10 V까지 최대 "8000H"가 되고, 최대 "FFFFH"는 32,767로 표시되어야 합니다. 이러한 이유로 최대값을 "+10 V-1 LSB"라고 합니다.

이러한 관계는 모든 아날로그 I/O 장치에 대해 동일합니다. 예를 들어 아날로그 출력의 경우 신호를 외부로 출력하려면 "FFFF"가 16비트 분해능의 장치로 설정되지만 최대 출력 테이블 전압은 "+10 V-1 LSB"입니다.

 

트리거

트리거는 전환을 시작하거나 중지할 타이밍을 결정하는 소스입니다. 시작과 중지는 모두 독립적으로 설정할 수 있습니다. 주요 트리거는 다음과 같습니다.

 

소프트웨어 트리거

소프트웨어 트리거는 소프트웨어의 명령을 사용하여 변환 작업을 시작/중지합니다.

 

외부 트리거

외부 트리거는 외부 신호(디지털 신호)를 사용하여 변환 작업을 시작/중지합니다. 변환 동작은 외부 제어 신호로부터 미리 설정된 에지 이동(상승 또는 하강)이 입력될 때 시작되거나 중지됩니다.

 

레벨 비교(전환 데이터 비교) 트리거

지정된 채널의 신호 변경에 따라 변환이 시작되거나 중지됩니다. 사전 설정된 비교 레벨은 지정된 채널에 대한 아날로그 신호의 크기와 비교되며, 기준이 일치하면 변환 작업이 시작/중지됩니다.