센서와 앰프 사이의 고장검출

정상적으로 사용되던 상태라고 해도 센서와 앰프 사이에는 고장이 발생할 수 있다. 이러한 고장은 잘못된 사용법과 사용 환경, 낮은 품질의 어셈블리 및 기타 이유로 발생할 수 있다. 여기서는 일반적으로 나타나는 고장의 유형에 대해 알아보고, 이러한 고장이 어떻게 측정 불량을 일으킬 수 있는지에 대해 예를 들어 설명한다.

마이크 스타우트(Mike Stout) 내셔널 세미컨덕터

센서와 앰프 사이에서 발생한 고장을 검출하는 방법에는 여러 가지가 있으며 그 방법은 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 여기서는 계측기 앰프 의 고장 검출 회로에 대해 설명하고 각 유형의 고장을 검출하는 방법을 제시하 며, 고장을 검출하는 자가 테스트 루틴 에 대해서도 설명한다. 계측기 앰프에 사용되는 센서는 센서 와 앰프 사이에서 다양한 고장을 일으 킬 수 있다. 이러한 고장은 그림 1의 A, B, C, D로 표시된 네 지점에서 발생할 수 있다. A 지점에서 발생되는 고장 영역으로 는 공급장치와 브리지 사이 개로 또는 브리지와 공급장치 사이에 저항을 유발 하는 조악한 연결 부분을 들 수 있다. 브 리지와 접지 사이의 B 지점에서도 같은 고장이 발생할 수 있다. 그리고 C와 D 지점에서 발생할 수 있는 고장으로는 브리지와 앰프 사이 개로, 브리지와 앰 프 사이에 저항을 유발하는 조악한 연 결, 공급장치 단락 또는 접지 단락을 들 수 있다. 추가로 C와 D 지점 사이가 단 락됨에 따라 발생하는 고장도 있다. 이러한 고장은 시스템 성능에 영향을 미친다. 예를 들어 정상적인 사용 조건 에서 브리지가 팽팽하지 않은 경우 앰 프의 입력은 V＋/2이다. 입력이 C와 D 지점에서 단락돼도 앰프의 입력은 계속 V＋/2이다. 하지만 브리지가 팽팽한 경 우 앰프 입력에서는 전압에 차이가 없 다. 각 입력이 V＋/2로 유지된다. 이러 한 고장은 C 지점에 소량의 전류를 주 입하여 전압 강하를 측정함으로써 검출 할 수 있다. 발생한 단락이 없으면 앰프 가 브리지 저항 사이의 전압 강하를 측 정한다. C와 D 지점에서 단락이 나타나 면 전압 강하가 극히 소량에서 멈춘다. 지금까지 나열한 고장은 다음과 같은 세가지방법중하나로검출할수있다. ① 계측기 앰프의 입력 핀에서 전압 측정 (계측기 앰프 입력에서 차동 전압 아님) ②계측기 앰프의 입력 핀에서 전류를 주입했을 때 발생하는 전압 측정 ③ 계측기 앰프의 입력 핀에서 전류 를 주입했을 때 발생하는 전압 차 이측정 다양한 고장 유형과 각 고장 검출에 사용되는 방법을 표 1에 정리했다. 예를 들어 B 지점이 개로되면 계측기 앰프의 두 입력이 모두 V＋로 끌린다. 이러한

유형의 고장은, 계측기 앰프 입력 중 하 나를 측정하여 입력이 예상되는 공통모 드 전압 V＋/2가 아니라는 사실로 검출 할 수 있다. 표 1에 나타난 고장은 계측기 앰프의 입력에서 별도의 회로를 사용하여 검출 할 수 있다. 계측기 앰프만으로는 검출 할 수 없는데, 그 이유는 정상적인 사용 조건에서 앰프가 각 핀의 개별 전압이 아닌 차동 입력 전압을 측정하도록 설 정되어 있기 때문이다. 고장을 검출하기 위해 별도의 회로를 사용할 때 다음과 같이 몇 가지 주의해야 할 점이있다.

① 별도 회로를 추가하면 기생 누출 과 정전 용량이 추가되며, 그 결과 계측기 앰프의 성능에 영향을 미 친다. ② 고장 회로와 통신하며 필요한 시 스템의 입/출력으로 전환하는 방 법이 있어야 한다. ③ 계측기 앰프를 사용하여 고장을 검출하는 과정에서 고장에 대한 공통모드가 계측기 앰프 입력 공 통모드 전압 범위를 벗어날 경우, 판독값이 올바르지 않게 된다. 따 라서 계측기 앰프의 입력 공통모 드 전압 범위로 입력을 복귀시켜 야 한다. 내셔널 세미컨덕터의 LMP8358은 고 장 검출 회로가 내장된 계측기 앰프이 다. 이 회로는 부품의 성능에 영향을 주 지 않으며, 입력 공통모드 전압 범위를 벗어난 전압을 검출하는 방법을 내장하 고 있다. LMP8358은 계측기 앰프, 제어 블록, 고장 검출 블록의 세 부분으로 구성되 어 있다. 여기서 제어 블록은 사용자가 내부 레지스터를 설정(앰프 상태 설정) 하는 데 사용되고, 고장 검출 블록에는 전류 주입에 필요한 전류 소스, 계측기 앰프의 외부 입력 핀과 내부 입력 핀 사 이의 먹스, 1/50 블록이 통합되어 있다. 또한 내부 레지스터는 고장 검출 기능 을 제어하며 앰프의 게인 및 보상을 설 정하고 절전 및 영점 캘리브레이션 상 태로 켜는 데에도 사용된다. LMP8358 의 내부 레지스터와 외부 마스터 사이 의 통신은 주변장치용 직렬 인터페이스 (Serial Peripheral Interface, SPI) 버 스를 통해 이루어진다. 그림 2는 고장 그림 2. 고장 검출 회로 구성도 검출회로의간략한회로도이다.

다음 예는 고장 검출 기능의 작동 원 리를 나타낸 것이다. 그림 1의 B 지점에 서 단절이 발생하면 C와 D 지점이 V＋ 로 된다. 이는 ＋5V의 공급장치를 사용 할 때 －0.1V ＜ CMVR ＜ 3.6V로 지정 되는 LMP8358의 입력 공통모드 전압 범위를 벗어난 결과이다. LMP8358 내 부 레지스터가 그림 2와 같이 먹스 5 설 정으로 구성된 경우, 외부 ＋IN 핀의 입 력이 50으로 나뉘며, 이것은 입력을 내 부 계측기 앰프의 입력 공통모드 전압 범위로 복귀시킨다. 계측기 앰프의 음 (－) 입력은 음 공급 전압으로 연결된다. 계측기 앰프의 게인은 50으로 설정되며 출력은 외부 ＋IN 핀에 걸리는 전압을 표시한다. 그림 3은 이와 같은 상황을 나타낸 것이다. 또 하나의 예는 그림 1에서 C 지점이 개로된 상태이다. 계측기 앰프로 들어 가는 입력이 부동이며 이로 인해 출력 도 부동 상태가 된다. 이러한 고장은 1/50 블록을 신호 경로에 삽입하고 게 인을 50으로 설정한 다음 입력 핀에 전 류를 주입하여 검출한다. 앞에서 설명 한 예와 같이 1/50 블록에 의해 계측기 앰프의 입력 공통모드 전압 범위 내에 서 입력이 유지된다. 전류에 의해 입력 이 V＋로 유도되고, 출력도 V＋에 있게 된다. 그림 4는 해당 설정을 나타낸 것 이다. 고장 검출 회로를 사용하면 시스템 상태를 판단할 수 있다. 시스템을 점검 하는 데 좋은 시점은 전원을 켤 때이다. 고장을 검출하고 LMP8358의 출력과 표를 비교한 다음, 시스템이 사용 가능 한 상태인지 또는 문제가 있는지 표시 하여 몇 단계 고장 설정을 실행하는 루 틴을 펌웨어에 작성해 넣을 수 있다. 만 약 문제가 있을 경우, 이 루틴이 발생한 오류의 유형을 표시해 주기 때문에 보 수 작업도 쉬워진다. 표 2는 시스템이 올바로 작동하는지 또는 고장이 있는지 표시하는 데 사용할 수 있다는 것을 나 타낸 것이다. “고장 없음”이라고 표시된 1행은, 시 스템에 고장이 발생하지 않은 상태에서 8가지 테스트 설정을 사용한 LMP8358 출력을 나타낸 것이다. 처음 설정 2개는 정상 사용 설정이고, 나머지 설정 6개는 고장 검출 설정이다. 이 표에 제시된 값 에는 브리지에서 4mV 정도의 작은 상 쇄가 있다는 점에 유의한다. 40mV 정 도의 출력에 대해 0000h 설정일 경우 이 값에 10을 곱하는 반면, 0003h 설정 일 경우 100을 곱한다. 첫 행의 나머지 는 여섯 가지 고장 테스트에서 일반적 인 값을 나타낸 것이다. 2행∼14행에서 굵게 표시된 값은 해당되는 특정 고장 에 대한 LMP8358 출력을 나타낸 것이 다. 예를 들어 LMP8358의 레지스터가 0082h로 설정됐을 때 ＋IN 핀이 V＋(7 행)로 단락된 고장 상태인 경우, 출력은 V＋로 된다. 시동 과정에서 이러한 8단계 테스트 를 실행할 수 있다. 출력 값이 1행의 값 에 근접하면 고장이 없는 상태이다. 2- 14행에 굵게 표시된 값 중 하나가 출력 에 나타나면 고장 상태이다. 최종 사용 자도 자가 테스트 옵션을 통해 이와 같은 테스트를 실행할 수 있다. 제품 설계 단계에서 LMP8358의 온- 칩 고장 검출 기능을 사용하면 고장 유형 및 영향 분석(Failure Mode and Effects, FMEA) 작업을 간단히 실시할 수 있다. 또한 시스템 설계자는 고장 검 출 기능을 이용하여 최종 사용자에게 추가적인 가치를 제공할 수 있다. 최종 사용자는 시스템 고장이 발생하지 않은 상태에서 장비가 올바르게 작동한다고 안심할 수 있는 것이다. 또 시스템이 고 장났을 경우, 기술자가 정확한 상태를 파악하는 데 도움이 되는 중요한 정보 를 제공할 수 있으므로 장비 수리에 소 요되는 시간을 단축할 수 있다.