A Design of Digital Instrumentation Amplifier converting standard sensor output signals into 5V voltage-output
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(2) 42. 표준 센서 출력신호를 5V 전압-출력을 변환하는 디지털 계측 증폭기 설계. 본 연구에서는 산업용 표준센서 계측 시스템에 가장 쉽게 적용할 수 있는 계측 증폭기를 제안한다, 제안한 계측 증폭기는 0V~5V, 1V~5V, -10V~+10V, 그리고 4mA~20mA의 전압 및 전류 신호를 간단한 스위치 조 작으로 0V~5V 전압으로 변환하는 기능을 갖는다. 본 절에 이어, 본론에서 종래의 계측 시스템과 본 연 구에서 제안하는 산업용 계측 시스템을 논의하고 설계 한 시스템에 사용할 계측 증폭기의 회로 구성과 동작 원리를 서술한다. 설계한 계측 증폭기의 동작원리와 성 능은 실험 결과 및 고찰에서 논의하고 결론에서는 본 논문의 결론을 맺는다.. 차형우. 계측 증폭기. 센서모듈 0V~5V 1V~5V -10V~+10V 4mA~20mA. 아날로그디지털 변환기 기준 전압. Switches. 그림 2. 제안한 센서 신호처리 시스템 Fig. 2. Block diagram of proposed sensor signal processing system.. 은 다양한 출력신호를 갖는 센서 모듈, 이들 센서 모듈 의 출력을 디지털 제어 신호에 의해 단일 전압으로 만 들어 주는 디지털 계측 증폭기(digital instrumentation amplifier : DIA), ADC, 그리고 센서 신호를 디지털 신 호처리하는 마이크로프로세스로 구성된다. 다양한 센서의 전압 및 전류 신호를 단일전압으로 변 환하는 DIA는 상용 계측 증폭기(CIA)를 사용하였으며, 아날로그 스위치, 그리고 2개의 기준전압으로 구성되며 0V~5V, 1V~5V, -10V~+10V, 그리고 4mA~20mA 신호를 0V~+5V의 단일 전압으로 변환하는 기능을 갖 고 있다[10].. Ⅱ. 회로 구성 및 동작 원리 1. 종래의 계측 시스템. 종래의 계측 시스템은 그림 1에 나타낸 바와 같이 다 양한 출력신호를 갖는 센서 모듈, 이들 센서 모듈의 출 력을 일정 범위의 전압으로 만들어 주는 산업용 계측 증폭기(commercial instrumentation amplifier : CIA), 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter : ADC), 그리고 센서 신호에 대한 디지털 신호처리를 하 는 마이크로프로세스(microprocessor)로 구성된다. 이 시스템의 단점은 센서 모듈의 출력신호가 0V~5V, 1 V~5V, -10V~+10V, 그리고 4mA~20mA에 따라 ADC 전단의 계측 증폭기를 각각 별도로 설계해야하는 점이다. 따라서, 우수한 성능이 계측시스템의 구현을 위 해서는 계측 회로 설계, 동작확인, 그리고 성능분석 등 을 할 수 있는 전문 설계 엔지니어가 필요하고 다양한 센서 계측 시스템을 실현하는데 많은 시간이 요구되는 문제점이 있다[6, 9].. 3. 제안한 디지털 계측 증폭기의 설계. 다양한 신호를 단일전압으로 변환하는 디지털 계측 증폭기(DIA) 회로를 그림 3에 나타냈다. 이 회로는 상 용 계측 증폭기(CIA), 7개의 아날로그 스위치, 4개의 이득 제어 저항기[ 단자와 (+) 입력 단자로 연결되 는 저항기], 1개의 기준 저항기 , 그리고 1V와 -10V의 기준전압으로 구성된다. 다양한 신호를 5V로 . . RS. vIN , iIN 센서모듈 0V~5V 1V~5V -10V~+10V 4mA~20mA. 계측 증폭기. 아날로그디지털 변환기. 마이크로 프로세서. +. S4. 마이크로 프로세서. R4. 센서 모듈의 출력에 따라 기준전압 별도의 회로 설계가 필요. VCC. RG S3 R3. S2. S1. R2. R1. CIA. vOUT. RG. -. 그림 1. 종래의 센서 신호처리 시스템의 블록도 Fig. 1. Block diagram of conventional sensor signal processing system.. S7. S6. -10V. S5. VEE. 1V. 그림 3. 제안한 디지털 계측 증폭기의 원리 Fig. 3. Principle of the proposed digital instrumentation amplifier.. 2. 제안한 계측 시스템. 제안한 계측 시스템을 그림 2에 나타냈다. 이 시스템 (658).
(3) 2011년 11월 전자공학회 논문지 제 48 권 SD 편 제 11 호. 변환하는 원리는 0V~5V, 1V~5V, -10V~+10V, 그리 고 4mA~20mA 신호와 기준전압 1V 및 10V를 스위치 조작(디지털 제어)으로 0V~+5V의 단일 전압으로 변 환하는 것이다. 일반적으로, 0V~5V, 1V~5V, -10V~+10V, 그리고 4mA~20mA신호를 0V~+5V로 변환하기 위해서는 출 력이 입력보다 작기 때문에 CIA의 이득은 0에서 1사이 의 값을 가져야만 가능하다. 따라서, CIA의 이득이 0보 다 크고 1보다 작은 이득을 갖는 CIA를 선정해야 한다. 이러한 기능을 갖는 CIA는 대표적으로 AMP01(Analog Devices)와 INA326(Texas Instruments)이 있으며 입력 과 출력간의 관계식은 각각 다음의 식으로 주어진다[11~ 12]. × . . × . (AMP01). (1). (INA326). (2). RS = 10kW. vIN = 0 ~ 5V. . . . . VEE. . 위식으로부터 입력과 출력 신호의 이득은 1이 되어야 하기 때문에 kΩ을 사용한다면 200kΩ으로 설정하여야 한다. 따라서, 그림 4의 회로는 0V~5V 사 이의 전압은 0V~5V로 변환이 되는 계측 증폭기가 된 다. 이러한 구성의 계측 증폭기에서 0V~10V의 출력전 압을 얻기 위해서는 100kΩ으로 설정하면 된다. . . . 나. 1V~5V를 0V~5V로 출력하는 IA. 1V~5V의 입력신호를 0V~5V의 전압출력으로 변환 하는 계측 증폭기의 회로 구성을 그림 5에 나타냈다. 이 회로는 그림 3에서 스위치 과 가 ON되고 나머 지 스위치가 OFF된 경우에 해당된다. 이 경우 는 가 선택되고 기 된다. 입·출력 관계는 식 . . . . 값 200kΩ 160kΩ 800kΩ 160kΩ . RS = 10kW. . vIN = 1 ~ 5V. . + S1. . CIA. vOUT. RG. -. 0V~5V의 입력신호를 0V~5V의 전압 출력으로 변 환하는 계측 증폭기의 회로 구성을 그림 4에 나타냈다. 이 회로는 그림 3에 나타낸 회로에서 스위치 과 이 ON되고 나머지 스위치가 OFF된 경우에 해당된다. 이 경우 는 가 선택되고 가 된다. 입·출력 . VCC. RG. . 가. 0V~5V를 0V~5V로 출력하는 IA. S5. VEE. 1V. . 그림 5. 입력신호가 1V~5V일 때 회로도 Fig. 5. Circuit diagram at input signal of 1V~5V.. . . . . R1 = 1 6 0 k W. . (3). × ∼ . . . RG. 그림 4. 입력신호가 0V~5V일 때 회로도 Fig. 4. Circuit diagram at input signal of 0V~5V. 관계는 식 (1)을 이용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.. . . CIA. S7. . . vOUT. -. . . +. S3 R3 = 200kW. . . VCC. RG. 여기서, 는 CIA의 정(+)의 단자 입력전압이고 는 부(-)의 단자 입력전압이다. 본 논문에서는 AMP01을 중심으로 설명을 한다. 그림 3에 나타낸 제안한 계측 증폭기에서 입력신호 에 따른 해당 스위치들의 ON 또는 OFF 상태와 이때의 이득과 값들을 표 1에 나타냈다. 각각의 입력신호 에 따른 회로 동작원리는 다음과 같다. 표 1. 다양한 입력에 대한 스위치 제어 신호 Table 1. Control signal of switches for universal voltage inputs. 입력신호 범위 ON 스위치 이득 0V~5V A=1 1V~5V A=1.25 -10V~+10V A=0.25 4mA~20mA A=2.5. 43. . (659).
(4) 44. 표준 센서 출력신호를 5V 전압-출력을 변환하는 디지털 계측 증폭기 설계. (1)을 이용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.. 라. 4mA~20mA를 0V~5V로 출력하는 IA. 4mA~20mA의 전류입력신호를 0V~5V의 전압출력 으로 변환하는 계측 증폭기의 회로 구성을 그림 7에 나. (4). × ∼ . 위 식으로부터, 입력과 출력 신호의 이득은 1.25가 되어야 하기 때문에 kΩ을 사용한다면 160kΩ으로 설정하여야 한다. 따라서, 그림 5의 회로는 1V~5V 사이의 전압은 0V~5V로 변환이 되는 계측 증폭기가 된다. 이러한 구성의 계측증폭기에서 0V~ 10V의 출력전압을 얻기 위해서는 80kΩ으로 설정 하면 된다. . iIN = 4 ~ 20mA. . RS = 10kW RG S1. R4 = 250W. RG. -. S5. 그림 7. 입력신호가 4mA~20mA일 때 회로도 Fig. 7. Circuit diagram at input signal of 4mA~20mA.. . RS. . +. . RG. S4 S3 R3. R4. (5). S2. S1. R2. R1. S6. S5. S7. . vIN = -10 ~ +10V. +. A. R2 = 800kW. CIA. -. R9. vOUT. Q2. RG. S6. R5. VREF =1V. +. A. VREF1 VREF1 =VBE1 + VT. -10V. VEE. R7. VCC. +. S2. RG. (a) R8. RG. CIA. R6. VREF = - 10V. . RS = 10kW. vOUT. -. 위 식으로부터 입력과 출력 신호의 이득은 0.25가 되어 야 하기 때문에 kΩ을 사용한다면 800kΩ 으로 설정하여야 한다. 따라서, 그림 6의 회로는 -10 V~+10V 사이의 전압은 0V~5V로 변환이 되는 계측 증폭기가 된다. 이러한 구성의 계측 증폭기에서 0V~ 10V의 출력전압을 얻기 위해서는 400kΩ으로 설 정하면 된다. . VCC. vIN , iIN. . . VEE. 1V. -10V~+10V의 입력신호를 0V~5V의 전압출력으로 변환하는 계측 증폭기의 회로 구성을 그림 6에 나타냈 다. 이 회로는 그림 3에서 스위치 과 가 ON되고 나머지 스위치가 OFF된 경우에 해당된다. 이 경우 는 가 선택되고 가 된다. 입·출력 관계는 식 (1)을 이용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다. × ∼ . vOUT. CIA. R1 = 1 6 0 k W. 다. -10V~+10V를 0V~5V로 출력하는 IA. . VCC. +. S4. . . 차형우. Q1. R8 æ R 8 ö ln ç ÷ R9 è R 7 ø. æR ö VREF 2 = - ç 6 ÷VREF1 èR5 ø. (b) 그림 8. 제안한 계측 증폭기의 전체 회로도 Fig. 8. Circuit diagram of the proposed digital instrumentation amplifier.. VEE. 그림 6. 입력신호가 -10V~+10V일 때 회로도 Fig. 6. Circuit diagram at input signal of -10V~+10V. (660).
(5) 2011년 11월 전자공학회 논문지 제 48 권 SD 편 제 11 호. 타냈다. 이 회로는 그림 3에서 스위치 , , 그리고 가 ON되고 나머지 스위치가 OFF된 경우이고 와 가 첨가된 것을 제외하고는 그림 5와 동일하다는 것 을 알 수 있다. 이 경우 는 가 선택되고 가 되고 가 선택이 되어 는 다음과 같이 주어 진다. . 사용하였고 1.0V 기준전압은 그림 8(b)의 회로를 사용 하였다. 그림 8(a)의 회로서 사용한 저항기의 값은 10kΩ, 160kΩ, 800kΩ, 200kΩ, 250Ω, 1kΩ, 10kΩ이고 그림 8(b)의 회로에서는 880Ω, 7kΩ, 1kΩ를 각각 사용하였다. 그림 8의 회로에서 와 를 ON시키고 0V~5V 입 력신호에 해당되는 sin [V]를 인 가했을 때 입력전압과 출력전압을 측정한 결과를 그림 9에 나타냈다. 이 결과로부터 출력전압이 0V~5V로 이 론과 일치한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.. . . . . . . . . . . . . . (6). . . . . . . Vref Vin Vout 6. Voltages Vin, Vout, Vref [V]. . Ⅲ. 실험 결과 및 고찰. 본 연구에서 제안한 계측 증폭기 회로(그림 8)의 동 작 원리를 OrCAD PSPICE 시뮬레이션을 통하여 확인 했다. 시뮬레이션에 사용한 소자는 상용 계측증폭기 (CIA)는 AMP01, 아날로그 스위치는 ADG409, 연산증 폭기는 OP-07, 그리고 트랜지스터는 Q2N2222를 각각 사용하였다. 공급전압은 , 를 . . . 일 경우 는 1V~5V의 전압이 되어 입· 출력 관계는 식 (4)와 동일하게 되며 회로 특성도 그림 5와 같다고 할 수 있다. 그림 3에 나타낸 DIA의 동작원리를 나타내는 회로의 전체 회로도를 그림 8에 나타냈다. 기준전압 1V 는 밴드-갭(bandgap) 기준 전압 발생기 회로를 사용하 였으며 -10V의 기준전압은 이득이 10인 반전 증폭기 (inverting amplifier) 회로를 사용하여 실현하였다[13~14]. Ω. . . . . ∼ × . 45. 5 4 3 2 1 0 -1 0.0. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. Time t [ms]. 그림 10. 입력신호가 1V~5V이고 과 이 ON되었을 때 전압파형들 Fig. 10. Voltage waveforms when an input signal is 1V~ 5V and and are ON. . . . Vin Vout. . . Vref Vin Vout. 6 15. Voltages Vin, Vout, Vref[V]. Voltages Vin, Vout[V]. 5 4 3 2 1 0 -1 0.0. 0.5. 1.0. 1.5. 0 -5 -10. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. Time t [ms]. 그림 11. 입력신호가 -10V~+10V이고 과 이 ON되 었을 때 전압파형들 Fig. 11. Voltage waveforms when an input signal is -10 V~+10V and and are ON.. 그림 9. 입력신호가 0V~5V이고 과 이 ON되었을 때 전압파형들 Fig. 9. Voltage waveforms when an input signal is 0 V~5V and and are ON. . 5. -15 0.0. 2.0. Time t [ms] . 10. . . . . (661). . .
(6) 46. 표준 센서 출력신호를 5V 전압-출력을 변환하는 디지털 계측 증폭기 설계. 그림 8의 회로에서 과 를 ON시키고 1V~5V입 력신호에 해당되는 sin [V]를 인 가했을 때 입력전압, 기준전압, 그리고 출력전압을 측정 한 결과를 그림 10에 나타냈다. 이 결과로부터 출력전 압이 0V~5V로 이론과 일치한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그림 8의 회로에서 과 를 ON 시키고 -10V~ +10V 입력신호에 해당되는 sin [V]를 인가 했을 때 입력전압, 기준전압, 그리고 출력전압을 측정한 결과를 그림 11에 나타냈다. 이 결과로부터 출력전압이 . 0V~5V로 이론과 일치한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그림 8의 회로에서 , , 그리고 를 ON시키고 4mA~20mA 입력 신호에 해당되는 12mA의 옵셋 전류 를 갖는 sin [mA]를 인가했을 때 입력전류, (+) 입력단자전압, 기준전압, 그리고 출력전압을 측정한 결과를 그림 12에 나타냈다. 이 결과로부터 출력전압이 0V~5V로 이론과 일치한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그림 13은 직류 전압 0V~5V, 1V~5V, -10V~+10V, 그리고 직류 전류 4mA~20mA 입력에 대하여 표 1과 같이 스위치를 제어했을 때 얻은 출력전압을 나타낸 것 이다. 이 결과로부터 각각의 입력에 대한 출력 특성의 선형성을 계산 한 결과 0.1% 이하임을 확인하였다. 제안한 DIA는 그림 3 또는 8에 나타낸 바와 같이 단자에 직렬로 추가 된 회로 및 소자가 없고 에 접지 또는 전압 전원이 인가되기 때문에 종래의 산 업용 IA(AMP01)와 동일한 단자 특성을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.. . . . . Vref Vin (+) Vout Iin 22 20. 5. 18 4. 16 14. 3. 12 2. 10 8. 1. Input current Iin[mA]. Voltages Vin(+), Vout, Vref [V]. 6. . . . . . . 6 0. Ⅳ. 결 론. 4. -1 0.0. 2 0.5. 1.0. 1.5. 산업체에서 표준으로 사용되고 있는 계측용 센서 모 듈의 전압 출력신호 0V~5V, 1V~5V, 그리고 -10V~ +10V와 전류 출력신호 4mA~20mA을 간단한 스위치 의 조작으로 0V~5V 또는 0V~10V 전압으로 변환하 는 디지털 계측 증폭기를 제안하였다. 제안한 계측 증 폭기는 커패시터를 사용하지 않기 때문에 집적(IC)화를 쉽게 할 수 있고 입력단자와 직렬로 저항기를 사용하기 않기 때문에 종래의 계측 증폭기의 입·출력 단자특성을 그대로 갖고 있는 장점이 있다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 동작 원리를 확인하였으며 우수한 선형 특성을 갖고 있다는 것이 증명이 되었다. 따라서, 제안한 계측 증폭기는 산업용 표준 출력을 갖는 센서 모듈과 아날로 그-디지털 변환기 사이의 인터페이스로 유용하게 응용 할 수 있을 것이고 전체를 반도체 칩으로 제작할 경우 저가로 다양한 분야에 사용될 것이다.. 2.0. Time t [ms]. 그림 12. 입력신호가 4mAV~20mA이고 , , 그리고 가 ON되었을 때 전압파형들 Fig. 12. Voltage waveforms when an input signal is 4m A~20mA and , , and are ON. . . . . . . Input current Iin[mA] 2. 4. 5. Output voltage Vout[V]. 차형우. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. 22. Vin = 0~5V Vin = 1~5V Iin = 4~20mA Vin = -10~+10 V. 4 3 2 1 0 -10. -5. 0. 5. 10. 참고문헌. Input voltage Vin[V]. 그림 13. 직류 신호에 대한 출력 특성 Fig. 13. Output characteristics for DC signals.. [1] J. J. Carr, Sensors and circuits ; sensor tranducers, and supporting circuits for electronic (662).
(7) 2011년 11월 전자공학회 논문지 제 48 권 SD 편 제 11 호. instrumentation measurement and control, PTA Prentice Hall, 1993. [2] http://www.analog.com/ [3] http://www.burr-brown.com/ [4] http://www.linear.com/ [5] http://www.maxim-ic.com/ [6] http://www.sensorland.com/ [7] 차형우, “저전력 광대역 바이폴라 전류 콘베이어 (CCII)와 이를 이용한 유니버셜 계측증폭기의 설 계.” 대한전자공학회논문지 제 41권, SD편 제 5호, 143-152쪽, 2004년 5월 [8] 임신일, 조한국, “생체신호 측정용 계측 증폭기 설 계,” 2009년도 대한전자공학회 SoC연구회학술회발 표논문집, 85-88쪽, 2009년 5월 [9] http://www.honeywell.com/ [10]. H.-W. Cha, P.-S. Hyun, Y.-S. Kim, S.-H. Park, D.-H. Kim, Y.-S. Yun, H.-Y, and Ryu, B.-J. Kim, "Design of digital controllable instrumentation amplifier for industrial standard signal inputs," Proc. of ITC-CSCC'2006, vol. III, pp. 89-92, July 2006. [11] AMP01 Data Sheet, Analog Devices, Inc., 1999. [12] INA326 Data Sheet, Burr-Brown from Texas Instru- ments, Inc., 2001-2004. [13] Alan B. Grebene, Bipolar and MOS analog integrated circuit design, Wiley Interscience, chap. 4, 1983. [14] ADG409 Data Sheet, Analog Devices, Inc., 2003.. 차 형 우(정회원). 저자소개. 1989년 청주대학교 반도체공학과 학사졸업. 1991년 청주대학교 전자공학과 석사졸업. 1997년 시즈오카(靜岡)대학교 전자과학연구과 박사 졸업. <주관심분야 : Analog IC 설계, 센서 인터패이스, SoC, Power IC>. (663). 47.
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수치
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