표준 산업 신호 확장

산업 환경에서 기계 및 공정을 제어하는 데에는 프로그램 방식 로직 컨트롤러(PLC)와 분산 제어 시스템(DCS)이 이용된다. 이 컨트롤러와 시스템에는 센서에서 입력 신호를 수신하고 액추에이터로 출력 신호를 전송하는 아날로그 입력/출력(I/O) 모듈이 내장되어 있어 모니터링 및 제어 기능을 제공한다.

Carine Alberti 내셔널 세미컨덕터

산업용 제어 모듈에서 일반적인 아날 로그 입력 범위는 ±10V, ±5V, 0∼5V, 0∼10V 전압과 0∼20mA, 4∼20mA 전류 범위이다.

따라서 설계자에게 가장 자주 부여되 는 과제는 ±10V의 입력 작동 신호를 받 아 단일 공급장치 아날로그-디지털 컨 버터(ADC)의 전체 스케일 입력 범위와 일치하도록 확장하는 신호 컨디셔닝 회 로를 구축하는 것이다.

기존의 신호 경로 구현 방식에서는 신 호 확장 및 레벨 전환용으로 저항, 스위 치, 디지털 전위차계, 계측 앰프 및 OP 앰프 등과 같은 별도 부품이 필요했다. 내셔널 세미컨덕터의 LMP7312는 이 러한 문제에 대해 통합적인 시스템 솔 루션을 제공해 준다. 이 제품은 고전압 입력 신호와 저전압 ADC 접속에 필요 한 부품 수를 최대한 줄일 수 있도록 설 계됐다. 여기서는 LMP7312 회로의 장 점에 대해 살펴보고 몇 가지 오차 정산 계산에 요구되는 고려 사항에 대해 알 아본다.

시스템 설명 

그림 1은 산업용 제어 모듈의 구성을 나타낸 것이다. 여기서는 입력 측에만 초점을 맞췄다. 이 때 적용 가능한 센서 를 선택하려면 압력, 온도, 유량 및 무게 를 고려해야 하며 표준 아날로그 출력 범위는 ±10V, ±5V, 0∼5V, 0∼10V, 0∼20mA 및 4∼20mA이다.

기본적으로 서모커플 등과 같이 IO 모듈이 조절되지 않은 센서에는 mV 입 력을 공급한다.
그림 2에 나타난 서모커플 인터페이 스는 정밀 계측 앰프인 LMP8358을 사 용하여 구현한 것이다.

SPI 호환 직렬 인터페이스나 병렬 인 터페이스를 통해 LMP8358의 게인을 10, 20, 50, 100, 200, 500 또는 1000으 로 프로그램할 수 있다. 또 외부 저항 두 개를 사용하여 임의의 값으로 게인을 설정할 수 있다.

LMP8358은 특허기술을 사용하여 입력 오프셋 전압을 측정하고 지속적으로 보정함으로써 시간과 온도 변화에 따른 오프셋 드리프트를 비롯하여 1/f의 노이 즈효과를없애준다.

이러한 DC 성능[Vos(max) 10μV, TCVos(max) 50nV/℃] 덕분에 mV 출 력 범위의 센서와 인터페이스에 적합하 다고 할 수 있다. 또 검출 회로(개로 및 단락 입력 검출)와 신호원으로 감쇄 연 결을포함하고있다.

감쇠가 필요할 때 

입력 신호 범위가 ±10V이면 신호 감 쇠가 필요하다. 따라서 아날로그 신호 는 저전력 단일 공급장치 ADC의 전체 범위와 일치해야 한다. 그림 3에 나타 난 것은 LMP7312가 사용된 신호 경로 솔루션이며, 과거의 개별 솔루션으로 설계하는 방법을 제공하고 있다.
예를 들어 디지털 전위차계 1개 또는 여러 저항 배열 및 스위치를 사용하여 게인과 바이어싱을 조정하는 별도 솔루 션을 구현할 수 있다. 또는 분압기(10으 로 분할)를 사용하여 신호를 감쇠한 후 필요하면 나중에 다시 조정하는 방법도 있다.
LMP7312는 디지털 프로그램 방식의 가변 게인 앰프로, 차동 입력 ADC를 간 편하게 구동하는 데 필요한 차동 출력 을 갖고 있다. 이 제품은 LMP􄠶 정밀 제 품군에 속하며 5V 단일 공급장치로 구 동되는 ±17.5V(절대) 및 ±15V(작동) 공통 모드 입력 범위 역량을 제공한다. ±10V, ±5V, 0∼5V, 0∼10V, 4∼ 20mA의 전압 및 전류를 포함하여 표준 산업용 아날로그 버스 전압과 인터페이 스에 이상적이다. 여기에는 ADC의 변 환 입력 전압 범위 중앙에 맞추는 동상 입력 핀이 포함돼 있다.

결과적으로 단일 공급 시스템의 하단 레일 근처에서 변환 코드 손실로 인해 저하되지 않는 변환 환경이 된다.

LMP7312 정밀 앰프는 감쇠에 필요 한 외부 수동 저항 제거를 포함하여, 고 전압 입력 신호와 저전압 ADC를 접속 해야 하는 문제에 대해 최소 부품 수의 솔루션을 제공하도록 설계된 부분적 게 인 값들을 제공한다. 감쇠 모드의 게인 값(입력 ＋VIN 및 －VIN)은 0.096, 0.192, 0.384, 0.768V/V인 반면, 증폭 모드 게인 값은 1V/V와 2V/V이다.

이 제품은 단일 종단 및 완전 차동 출 력 모드에 모두 사용할 수 있으므로 차 동 및 단일 종단 입력 ADC 접속을 전부 허용한다. 완전 차동 출력 모드를 사용 하면 두 가지 장점을 활용할 수 있다. 먼 저, 하단 레일 근처의 단일 종단 시스템 에 존재하는 누락 코드를 제거하며, 다 음으로 ADC의 전압 변환 범위를 두 배 로 증대하여 신호/노이즈비와 함께 비 트 오류율을 감소시킨다. 5V 차동 시스 템은 10V 단일 종단 시스템의 유효 변 환 범위를 갖는다.

LMP7312의 경우 최대 샘플링 속도 250ksps, 16비트 SAR(Successive- Approximation Register) ADC 제품인 ADC161S626 구동용에 이상적이라고 할 수 있다.

이 컨버터는 85dB의 뛰어난 동상 신 호 제거비를 지원하는 아날로그 입력을 채택하므로 잡음이 심한 환경에서 ADC161S626을 사용할 수 있다.

그림 4는 ＋VIN(아래쪽 그래프)에 부 하된 10Vpp 진폭의 정현파 입력 전압 측정값을 나타낸 것이다. 게인 선택이 0.384였으므로 ＋Vout(위쪽 그래프)에 서 감쇠된 출력 신호는 3.84Vpp 진폭 으로 측정됐다.



오차 여유 고려 사항

게인과 오프셋 오차는 시스템 캘리브 레이션으로 제거되므로 오차 정산 계산 에서 고려하지 않는다. 시스템 작동 조 건은 표 1과 같다.



고려한 오차는 온도 변동 및 노이즈 와 관련이 있으며 최악의 조건을 가정 한 것이다. 데이터시트에 기록된 최대 오프셋 드리프트(입력 기준)는 14.4μV/ ℃이며 72ppm의 오차를 발생시킨다. 게인 드리프트의 최대값은 5ppm/℃이 므로 250ppm을 고려할 수 있다.
그리고 고주파(HF) 노이즈와 저주파 (LF) 노이즈를 분리하여 전압 노이즈 기 여도를 계산한다(전류 노이즈 기여도는 무시한다).
광대역 노이즈 7312 데이터시트에 나타나 있으므로 HF 노이즈 계산은 간단한 편이다. 10kHz∼100kHz 구간의 노이즈는 대략 252μVpp이다. LF 노이즈(0.1Hz∼ 10kHz 구간)의 경우 데이터시트에서 코 어 OP 앰프 전압을 제공하므로 저항의 열적 노이즈도 산정해야 한다.
차동 앰프 구성에 대한 열적 노이즈 는 다음과 같다.



여기서 R1＝104kΩ, R2＝40kΩ, 32μ Vpp 범위의 열적 노이즈를 초래한다.
코어 OP 앰프의 전압 노이즈는 LF 노이즈 계산 에 포함시켜야 한다.
우선, 데이터시트에 0.1Hz∼10Hz 노이즈가 3μVpp으로 나타나 있다. 그리고 다음과 같은 방정 식을 사용하여 10Hz∼ 10kHz 구간의 1/f 노이즈 도 계산해야 한다(계산 결 과는 7μVpp).



마지막으로 총 노이즈 는 다양한 노이즈 총합의 제곱근이므로 총 노이즈 기여도는 225μVpp이며, 이는 25ppm에 해당한다.
데이터의 경우, LMP7312가 IO 모듈 용 데이터 취득 시스템과 같이 높은 정 확도를 요구하는 애플리케이션에 매우 적합하며, 설계자는 고집적 설계를 통 해 부품 수를 줄임으로써 별도 부품 사 용에 따른 BOM 비용과 적합성 검증 과 정 및 다양한 품질 문제 등을 줄일 수 있 다. 또한, 높은 수준의 정확도를 달성함 으로써 다양한 아날로그 입력의 정밀 신호 컨디셔닝이 가능하다.
LMP8358 자동 영점조정 계측 앰프 는 IO 시스템이 mV 출력 범위의 센서와 인터페이스를 필요로 하는 경우 좋은 보 완적 선택이 될 것이다.