Sensor signal processing device for USN application and general purpose

USN응용과 범용목적에 적용가능한 센서 신호처리기

박찬원

^†

^*

Sensor signal processing device for USN application and general purpose Chan-Won Park ^† , Il-Hwan Kim, and Sam-Sug Chun ^*

Abstract

In sensor signal conditioning and processing, offset and drift characteristics of an operational amplifier are an important factor when the amplifier is used for a precise sensor signal amplifier. In order to use it in high accuracy, an expensive trimming or a complex compensation circuit is required. This paper presents the improved sensor signal conditioning and processing device for ubiquitous sensor network(USN) application or general purpose by developing a hardware of the circuit for reducing the offset voltage and drift characteristics, and a software for its control and sensor signal processing. We realize better offset voltage and drift characteristics of the signal conditioning circuit using low cost operational amplifiers. The experimental results show that this technique is effective in improving the performance of the sensor signal processing device.

Key Words : sensor signal conditioning and processing, sensor interface, drift compensation, USN

1. 서 론

최근 센서기술과 무선기술의 향상으로 센서응용 기 술이 계속 발전하고 있으며 다양한 분야에서 범용의 센서신호조정기술의 개발과 보다 저렴하고 정밀한 센 서신호조정 및 처리기술이 요구되고 있다 ^[1,2] . 그런데 일반적으로 센서신호 증폭기로 사용되는 OP앰프소자 의 경우 정밀한 용도의 경우는 사용온도 변화에 따른 오프셋(offset) 전압특성과 드리프트(drift) 특성이 아주 중요한 영향을 미친다. 즉, 정밀급으로 사용하기에는 고가의 레이저 트리밍된 OP앰프를 사용하거나 복잡한 보상회로를 추가하여야하는 보완이 필요하다 ^[3,4] .

최근에 들어 USN분야의 활발한 보급으로 교육용의 센서모듈을 선두로 상용의 시스템들이 공급 되고 있는 데 이들의 센서 신호조정과 신호처리방식은 대부분 기 존의 방식을 답습하고 있다. 즉 교육용이나 정밀도를 필요하지 않는 용도에서는 저정밀급의 아날로그 신호

조정회로가 사용되고 있으며 정밀성이 요구되는 분야 에서는 일부 고가의 고정밀 부품을 필요로 하여 대량 의 노드를 필요로 하는 USN분야의 보급을 저해하는 요인으로 작용하고 있다.

오프셋전압특성을 개선하기 위한 기존의 쵸핑(chop- ping)방식으로서 커페시터의 충방전을 이용하는 방식은 증폭회로의 주파수특성이나 내잡음성등 시스템의 불안 정을 완전히 제거하기가 어려운 단점이 있다. 이를 보 완하기 위하여 여러 가지 복잡한 보완회로가 추가되거 나 정밀부품선별을 위한 조정기술등 여러 과정이 추가 되어 가격이 비싸거나 사용범위의 제한이 있다 ^[5,6] . 또 일부 연구에서는 센서의 전원을 교류브릿지 방식으로 공급하여 오프셋을 상쇄하고자 하는 방법도 연구되고 있으나 바이폴라전원과 교류브릿지 구성이 필요하고 극 성이 있는 센서에는 적용할 수가 없는 제한이 있다 ^[7] .

본 연구에서는 이러한 문제를 실용적으로 개선하기 위한 요소로 OP앰프의 오프셋전압과 드리프트, 센서의 크리핑(creeping)에 의한 영향, 그리고 센서자체의 개 별 특성에 따른 초기영점범위의 불균형 시프트에 의한 동작전압범위(span)의 제한등으로 파악하고 이를 위한 해결방법들을 제시하고 제작실험으로 개선효과를 입증 하고자 하였다. 이를 위한 방법으로서 먼저 마이크로프 로세서로 제어되는 아날로그 스위칭소자 그룹을 포함

강원대학교 전기전자공학부(Dept. of Electrical and Electronics Engineering, Kangwon National University)

*한국폴리텍6대학 전기과(Dept. of Electrical Engineering, Korea Polytechnics VI Colleges)

†Corresponding author : [email protected] (Received : March 2, 2010, Revised : April 29, 2010 Accepted : May 4, 2010)

하는 증폭회로의 입출력 자체를 주기적으로 극성을 반 전 연결시키는 쵸핑증폭회로를 구성하고 스위칭시 발 생되는 불안정한 신호부분을 샘플앤드홀드회로를 추가 하여 안정적으로 동작하도록 개선하였다 . 또한 , 주변소

자에 의한 장시간 드리프트 또는 게인 (gain) 드리프트에

의한 영향도 추가적인 하드웨어와 소프트웨어를 개발 하여 보상하는 방법을 제시 하였다 .

한편 , USN 분야 또는 환경모니터링등에 사용되는 일

부센서들은 저가의 disposable sensor 일 경우가 많으므 로 각 센서들 간의 특성이 불균일하거나 영점 밸런스 값을 일일이 조정하여 세팅하기가 곤란한 경우가 많다 .

이때 초기치가 많이 차이가 날 경우 종단 증폭기의 허 용 입력범위와 동작영역의 제한을 야기하여 결과적으

로 A/D 컨버어터의 분해능의 감소요인으로 작용한다 .

이에 대하여 본 연구에서는 기준영점과 비교하여 센서 의 실제 영점과의 차이값을 계산하고 일정수준 이상으

로 판단될 때 D/A 컨버어터를 출력하여 과도한 초기

오프셋전압을 자동으로 줄이는 방법을 제시 하였다 .

이와 같이 본 연구에서는 USN ^{을 포함하는 범용 센}

서신호처리기의 성능개선을 위하여 앞서 열거한 방법 들을 고안하여 신호조정회로의 하드웨어를 개발하였으 며 이를 제어하고 신호처리하는 마이크로프로세서의 소프트웨어를 개발하여 그 특성에 대한 실측평가의 결 과를 제시하였다 .

2. 하드웨어 구성 과 동작

2.1. 하드웨어 구성의 개요

Fig. 1 은 본 연구에서 개발된 전체 하드웨어구성도이

다 . ^{센서는 능동형이나 수동형 모두를 사용할 수 있으}

며 CPU 의 제어신호로 스위칭 되는 두 개의 아날로그 스위치그룹 사이에 주기적으로 연결극성이 반전되는 계장형 증폭기가 구성된다 . ^{이후 파형정형을 위한 샘플}

앤드홀드회로가 연결되고 저주파통과필터 (LPF) 에 이

어서 A/D 컨버어터로 A/D 변환을 하는 방식으로 설계

하였다 . 또한 센서 개별의 영점오프셋 편차로 인한 동 작영역 축소를 방지하기위한 영점레벨 시프트기능으로 서 8 ^비트 D/A ^{컨버어터와 감산회로를 추가하였다} . ^마

이크로프로세서 (CPU) 이후의 디지털 제어와 통신회로 는 표기에서 생략하였다 .

Fig. 2 ^는 Fig. 1 ^{의 좌측부분에 해당하는 신호조정회}

로로서 전원회로와 바이패스 콘덴서등 주변부품들은 생략한 주요 기능 부품만으로 표시된 회로이다 . 좌로부 터 센서입력단자와 S 1~ S 4 의 증폭기 전단의 스위치 그 룹과 OP 1 과 OP 2 로 구성되는 계장증폭기 , 그리고 증폭

기 후단의 S 5 ~S 8 의 스위치그룹과 OP 3 과 OP 4 로 구성되 는 샘플앤드홀드회로를 보여주고 있다 .

2.2. 증폭기회로

Fig. 2 의 증폭회로는 OP 앰프 2 개를 사용한 계장용

차동증폭 회로로서 직류 증폭에는 거의 이상적인 특성 을 가지며 정밀한 증폭에 필수적인 동상신호 제거비

(CMRR) 가 우수하며 고 입력 임피던스를 갖는다 . 증폭

부의 이득은 R 2 =R 3 의 조건에서

(1)

이며 , 센서 출력 등의 미소 신호를 AD 변환이 가능한 신호레벨로 증폭시키는 역할을 한다 . 저항 R 1 ,R 2 ,R 3 는 저항온도변화에 의한 영향을 배제하기위하여 상대오 차 10 ppm/ ^o C 의 온도특성을 갖는 3-pair 정밀저항을 사용하였다 .

2.3. 스위치그룹 회로

스위치 S 1~ S 8 에 이르는 일련의 동작은 Table 1 과 같 이 구성된다 . 즉 , 3 개의 동작모드로 구분되는데 먼저 모드 I 과 모드 II 는 증폭기의 쵸핑동작으로 증폭기의 입 출력 극성을 동시에 교대로 맞바꾸어 교차 연결시킴으 로써 증폭기 자체가 가지고 있는 오프셋전압을 스위칭

1 2 _R ^R

---

+

Fig. 1. Schematic diagram of the proposed signal processing device.

Fig. 2. Proposed circuits of the switch group, amplifier

and the sample hold.

1주기 간에 상쇄시키는 동작을 하게 한다. 즉, 오프셋 전압의 크기나 변동에 무관한 증폭기의 동작을 기대할 수가 있어 비교적 오프셋특성이 나쁜 저급용의 증폭기 로도 우수한 특성을 구사할 수 있는 장점을 지닌다. 모 드III는 오프셋전압 외에도 증폭회로의 주변소자에 의 한 영향으로 발생되는 게인 드리프트와 같은 장시간의 드리프트성 변화들을 제거하고자 하는 동작이다. 마이 크로프로세서에서 비교적 장시간의 간격으로 설정된 주기로 증폭기의 입력을 단락하여 전회의 신호값과의 변화분을 비교검출하고 이를 마이크로프로세서에서 소 프트웨어적으로 기억하고 차감함으로써 수정된 영점 (actual zero)의 상태를 정확하게 유지하게 한다.

2.4. 샘플앤드홀드 회로

일반적으로 쵸핑회로를 쓰면 스위칭 타이밍에서 출 력전압의 파형이 변형되고 증폭기의 이득에 영향을 준 다. 이를 없애기 위하여 파형이 변형되는 기간은 직전 의 출력을 유지하게 함으로써 증폭기의 안정된 출력을 확보할 수가 있다.

쵸핑회로의 동작에 의한 스위칭노이즈가 정확한 신 호전달을 방해하므로 스위치그룹과 커페시터들로 구성 된 샘플앤드홀드회로를 추가하였다. Fig. 2의 OP 3 과 OP 4 는 S 5 ~S 8 의 동작구성에 맞추어 샘플앤드 홀드회로 로 동작한다. 이때의 스위칭 타이밍은 실험적으로 결정 하였다.

2.5. 저역통과기와 레벨 쉬프트회로

Fig. 3은 Fig. 2와 연결되는 부분으로 저역통과기 (low pass filter ; LPF)와 레벨쉬프트회로를 보여주고 있다. LPF 회로에서 C 3 와 C 4 는 아날로그스위치 S 9 와 S 10 으로 연결되어 차단주파수 이상의 주파수대역의 신 호나 급격히 변화하는 신호의 측정이 필요할 때 다른 용량값으로 연결하거나 개방되어 voltage follower로 작용할 수 있도록 확장성을 부가하였다.

LPF는 Butterworth형 특성을 가지는 2차 저역통과필 터로서 전달함수H(s)는

(2)

와 같이 되고 이때 차단주파수 f c 는 다음과 같이 계산 된다.

(3) 또한 그림에서 D/A 컨버어터와 OP앰프로 구성되는 레벨시프트회로는 센서의 교환이나 초기영점 설정시 A/D변환기의 카운트값을 영점 허용범위와 비교하여 과도한 오프셋으로 판단될 때 그 보정값을 D/A컨버어 터로 출력하고 이를 OP 7 로 레벨시프트 감산전압으로 출력하여 OP 5 의 입력에 차감한다.

2.6. 구성회로의 동작과 파형

A/D 변환시 증폭 회로의 오프셋 전압 값을 보정하 기 위하여 센서입력측 신호전압을 Table 1의 스위치 모드 I과 II와 같이 앰프전단스위치그룹 S 1 ~S 4 와 앰프 후단스위치그룹 S 5 ~S 8 를 이용하여 주기적으로 교차 연결을 시켜준다. 즉, Fig. 2에서 먼저 S 1 , S 4 가 연결되 고 이어서 S 5 , S 8 이 샘플홀드시간 만큼 on 되어 OP 1

에 Ain+전압이 인가되고 OP2에 Ain-전압이 연결되는 상태가 된다. 다음 주기에 S 1 , S 4 는 차단되고 S 2 와 S 3 , 이어서 S 6 와 S 7 이 연결 되어 OP 2 에 Ain+가 OP 1 에 Ain-가 연결되어 쵸퍼링동작을 반복 수행하게 된다.

그 결과 동작점을 중심으로 센서신호인 Ain+, Ain-신 호가 계장앰프의 입력 오프셋전압과 함께 주기적으로 교차 증폭되는데 이 전압은 앰프가 교차 연결되더라 도 극성에 무관하게 그대로 증폭되지만 계장앰프의 자체가 갖는 오프셋전압은 반주기마다 각각 극성이 반대로 증폭되어 한 주기에 걸친 오프셋전압은 상쇄 하게 된다. 즉 쵸퍼링동작 1주기간의 오프셋전압 는 다음과 같이 된다.

H S ( )

R

R

1 C

C

--- S

1

R

C

--- 1 R

C

---

⎝ + ⎠

⎛ ⎞S 1

R

R

C

C

---

+ +

---

=

f

1 2π R

R

C

C

---

= Table 1. Switch operation and functions of each switching

mode switch mode

switch operation

function S

S

S

S

S

S

S

S

I on off on off offset

compensation

II off on off on

III on on on off drift compensation Fig. 3. Low pass filter and level shift circuit.

(4)

쵸퍼링 상태에서의 OP 앰프 출력파형의 천이노이즈

(transition noise) ^{의 폭과 시간은 증폭회로의 설정이득}

이나 OP 앰프의 종류에 따라 다르고 온도의존성이 강

한데 통상적인 보급형 증폭기의 경우 2 mV~3 mV,

600 nS~800 nS ^{정도로 관찰되었다} . ^{이를 보통의 계측기}

로 관찰하는 것은 노이즈레벨과 구분하기가 상당히 어 려워 본 실험에서는 LeCroy 사의 104MXi 1 GHz 오실 로스코우프로 최대샘플링 10 GS/s ^{로 관찰하였다} .

Fig. 4 는 각각 Fig. 2 의 회로의 OP 앰프 1 과 2 의 출력 부분의 파형과 샘플홀드회로 전후의 파형이다 . Fig. 5 ^는

Fig. 4 의 각 OP 앰프전후의 스위칭타이밍의 제어신호를

보여주며 Fig. 4 에서 보여준 스위치그룹 I 의 전환에 의한

천이 노이즈부분을 제거하는 스트로보 신호로서의 스위 치그룹 II 의 제어신호타이밍을 각각 관찰한 신호이다 .

사진의 파형에서와 같이 전환스위치의 동작에 따라 입 력신호가 각각 반대극성의 방향으로 전환되고 그 크기 의 차이 즉 차동분은 항상 같음을 볼 수 있다 . 그러나 신호의 스위칭과정에서 과도현상기간은 결국 잡음으로 작용하게되고 A/D ^{변환시 부정확한 값의 원인이 되므로}

Fig. 2 의 회로동작에서 S 5 ~S 8 스위치그룹의 동작타이밍

을 마이크로프로세서를 이용하여 Fig. 5 의 ch.2 와 ch.4

의 파형과 같이 타이밍을 조정한 스트로보신호를 만들 어 천이영역부분을 제거함과 동시에 샘플앤드홀드 스위 칭기능을 하도록 하였다 . Fig. 4 ^의 ch.3 ^과 ch.4 ^{파형은 샘}

플홀드회로전후의 입출력 파형으로서 완전히 안정된 전 압파형으로 조정됨을 보여주고 있다 .

한편 , Fig. 6 ^{은 표} 1 ^{에서의 스위치모드} III ^{동작으로서} S 1 ~S 4 스위치그룹을 모두 닫아 센서입력신호를 차단함

과 동시에 증폭기의 입력부를 단락하여 소프트웨어적 으로 드리프트를 보상하기위한 방법의 실제 동작파형

을 보여주고 있다 . 위로부터 ch.1 은 OP 앰프의 출력단

신호로서 쵸퍼링모드와 구분됨을 보여주고 ch.2 는 이 때의 스위치제어 타이밍신호로서 본 연구에서는 50 ^초

간격으로 발생하도록 하였다 .

Ch.3 는 이때의 아날로그스위치의 동작신호파형이다 . ch.4 ^{는 샘플앤드홀드회로후의 전압을 보여주고 있으며}

이 파형이 A/D 컨버어터로 입력되므로 단락전 샘플홀 드 커패시터에 충전되었던 전압이 안정되기까지 일정 시간이 경과한 후의 A/D ^{카운트값을 유효값으로 소프}

트웨어적으로 처리하였다 . 즉 , 주기적으로 입력이 단락 된 상태의 A/D 카운트값을 마이크로프로세서로 체크하 고 기억하여 이를 직전 주기에서 단락 하였을 때의 A/

D 카운트값과 비교하여 그 차이값 만큼을 드리프트값으 로 계산하여 이를 지속적으로 보정하는 알고리즘을 수 행함으로써 드리프트를 보정하는 방법을 고안하였다 .

V

d t

0

∫

( + ^V

) t ( – V

) t d

2 T⁄

∫

+

0

d

2 T⁄

∫ 0

= =

Fig. 4. Waveforms of the chopping operation of the Fig. 2

circuit(mode I, II). ^{Fig. 5.} Operation timing signals for the chopping and sample hold of the Fig.2 circuit(mode I, II).

Fig. 6. Waveforms of the drift compensation of the mode

III operation.

3. 소프트웨어의 구성과 동작

Fig. 7 은 본연구의 센서신호처리기에 사용된 소프트

웨어 주프로그램의 흐름도이다 . 하드웨어를 제어하는 마이크로프로세서는 I/O 포트와 타이머세트등의 초기화 를 세트하고 난 후 스위치모드구분을 하는데 모드 I ^과

모드 II 는 통상의 센서 신호처리의 수행동작이고 앞서 설명한 크리프성 드리프트의 경우 쵸핑동작을 중지하 고 스위치모드 III ^{로 드리프트보상을 수행하도록 하였}

다 . 아날로그 신호조정회로를 통과한 신호는 A/D 변환 되고 마이크로프로세서로 소프트웨어적으로 안정화 데 이터처리가 진행되는데 이때 초기 A/D ^{값의 범위가 설}

정된 영점범위를 초과하면 센서의 초기치 오프셋으로 간주하고 D/A 컨버어터를 이용한 레벨시프트를 수행하 여 안정된 동작영역을 확보하도록 하였다 . ^{또한 센서가}

교환되거나 초기 캘리브레이션 목적으로 영점과 스팬 조정도 세트모드에서 설정할 수 있도록 하였다 .

한편 모드 III ^{로 드리프트 보상을 할때는 소프트웨어로}

전회의 읽어들인 A/D 값을 기억하고 이들의 변화를 비교

판단하고 최적으로 조정하여 안정된 영점 자동회기 (auto

zero tracking) 알고리즘 ^[8,9] 이 수행되도록 구성하였다 .

4. 실험 및 측정결과

4.1. 실험장치의 구성 및 제작

Fig. 8 은 본 연구에서 진행된 실험측정구성도와 그 사

진이다 . 센서신호공급을 위한 센서는 신호조정회로의 독립된 특성평가가 확보될 수 있도록 직선성과 분해능 ,

그리고 온도특성이 통상의 다른 센서보다 우수한 로드 셀 (load cell) 하중센서를 사용하였다 ^[9] . 상업적 정격분 해능이 5000 ^분의 1 ^{이상이고 −} 10 ^o C~40 ^o C ^{온도범위에}

서 15 ppm/ ^o C 이내의 우수한 온도특성을 갖는 로드셀

을 1/2 span 하중을 가한상태로 외부센서에 의한 오차의

영향을 최소화하여 항온항습조의 외부에 연결하였다 .

한편 습도는 소자의 물리적 특성에의 영향이 적으므

로 상온의 경우 70 %RH 수준에서 고정하여 측정을 수

행하였다 . 또한 7 디지트의정밀도를 갖는 DVM

HP3457A 를 연결하여 입출력 전압값의 보조적인 확인

계측기로 사용하였다 . A/D ^{컨버어터 이후의 데이터 안}

정화 획득장치와 온도보상기술은 선행연구의 결과를 일부 적용하였다 ^[9,10] .

Fig. 9 ^{는 실험에 사용된 장치의 제작기판사진이다} .

사진에서 아래의 기판은 실험의 편의상 아날로그 회로 와 마이크로프로세서제어회로의 2 개의 부분으로 나누 어 제작하였으며 아날로그기판에서 OP ^{앰프는 범용의}

8 핀 DIP 타입의 IC 를 교환하기에 편리하도록 소켓으

로 설계하였고 나머지 부품들은 모두 SMD 타입의 부 품들을 사용하였다 . ^{모든 기판은 기존 발표된 연구 [10]}

의 데이터획득시스템에 장치하여 평가에 편리하도록 모듈화로 제작하였다 . 사진에서 위의 작은기판은 상용 의 USN 크기에 근접하도록 모두 SMD 칩부품으로 제작 한 기판이다 .

4.2. 특성평가 결과

일반적으로 OP 앰프의 압력오프셋전압과 드리프트특 성은 같은 부품이라도 부품별 편차가 있어 일률적으로 평가하기가 어려우며 제작사에서 제공되는 data sheet

Fig. 7. Flowchart of the main software.

Fig. 8. Experimental set up of the measurement system.

는 많은 표본에 의한 허용범위의 결과이므로 본 연구 에서 이에 대한 평가에는 많은 제약을 배제할 수가 없 다 . 또한 주변회로에 의한 영향과 측정환경등 다양한 변수가 존재한다 . 따라서 본 연구에서는 일부의 샘플링 으로 데이터북에 최대값으로 표시된것과 가장 근접한 부품을 선별하여 평가하였으며 주된 목표를 본 개발기 술의 적용전후의 개선된 비교에 비중을 두어 결과를 정리하였다 ^[12] .

Fig. 10 은 개발된 장치의 주파수특성을 관찰한 것으

로 실험대상의 OP 앰프는 입력오프셋 전압이 비교적

큰 10 mV ^{내외의 값을 가지고 시중에서 일반보급형으}

로 가장 많이 사용되는 바이폴라형 OP 앰프 (LM741,

LM324) ^{와 고급형의} OPA2277, ^{그리고 저전력형의}

MAX4480 의 4 종류를 선정하여 평가하였다 . 각각의

OP 앰프를 사용하여 쵸핑주파수를 변화시키면서 안정 동작 주파수특성을 관찰한 결과 그림과 같이 쵸핑주파

수는 1 kHz 부근까지 안정되게 동작을 보였으며 부품

에 따라 특성이 다르지만 1.5 kHz 이상에서는 측정값

의 불안정상태가 확인되었다 . ^{그림에서 수직축은 외부}

측정기기의 계측오차나 잡음에 의한 영향을 최소화하 고 개선전후의 비교판단의 편의를 위하여 같은 기판에 실장된 24 bit ^{시그마델타} A/D ^컨버어터 (ADS1240) ^의

16 bit 부분만을 유효비트로 처리하고 마이크로프로세

서의 데이터 안정화 알고리즘으로 처리된 A/D 카운트 값으로 표시한 것이다 ^[11] .

Fig. 11 은 개발된 장치를 항온항습조에서 온도를 변

화시키면서 동작온도별 특성을 관찰한 결과이다 . ^개발

된 회로에서 마이크로프로세서의 제어프로그램을 다르 게 하여 본 연구에서 개발한 기능의 동작을 수행한 회 로 ( ^그림에서 after ^{로 표시} ) ^{와 그 동작을 하지 않고 통상}

의 고정된 회로 (before) 를 비교측정하였다 . 이때 그림

에서 after A ^와 B ^{는 각각} LM324 ^와 LM741 ^{의 실험결}

과를 표시한다 . 또한 입력오프셋전압특성이 우수한

(10 µV ^이하 ) OPA2277 ^{의 특성실험} (ref) ^{도 개발된 기능}

을 제거한 조건으로 수행하여 비교하였다 . 각 특성의 비교편차는 A/D 값으로 표시하였는데 외부에 정밀

DVM ^{을 연결할 경우 측정레벨이} µV ^{수준이어서 연결}

선에 의한 잡음혼입으로 안정된측정결과를 얻기가 어 려워 외부연결은 A/D 카운트의 디지털데이터만을 취 하고 추후 확인을 위하여 DVM ^{측정치와 비교하였다} . DVM 으로 관찰한 A/D 카운트값과의 상관관계는 아날 로그 full span 전압을 5 V 로 인가하였을때 1 카운트당

1.25 µV ^{수준으로 측정되었다} . ^{실험결과 본 연구에서}

개발된 장치의 온도평가 안정성특성은 카운트값으로 대략 10 배정도의 감소로 뚜렷한 개선의 결과가 나타났

으며 특성이 우수한 상용부품 (ref) ^{에 근접하는 가능성}

을 보여주었다 .

Fig. 12 는 드리프트특성을 평가하기위한 항온항습조

의 온도시험조건으로서 통상의 KS 규격의 가속시험방법 Fig. 9. Photograph of the developed device.

Fig. 10. Experimental frequency characteristics of the signal conditioning circuits with different commercial operational amplifiers.

Fig. 11. Comparison of temperature characteristics of the

signal conditioning circuits before and after

performing the compensation technique.

[13] 에 근거하여 12 시간에 걸쳐 상온 25 ^o C 에서 출발하여

− 10 ^o C 와 +60 ^o C 까지의 온도 하강과 상승의 변화를 거 쳐 다시 상온으로 회기하는 실험수행 방법을 보여준다 .

Fig. 13 ^{은 그 결과로서 온도의 변화에 대한 드리프트}

특성의 양상이 일률적으로 일치하지는 아니하지만 개 발된 기술을 적용하기전 (before) 과 본 기술을 적용한

후 (after A,B) ^{의 드리프트특성이 개선된 효과를 관찰하}

였다 . 결과에서 나타난 바와 같이 기존 (before) 은 최대

오차가 약 200 카운트의 범위로 온도의 변화에 어느 정 도 근사하는 양상을 보였으나 개선된 장치는 오차의 폭도 20 카운트이내로 대폭 경감되었으며 온도변화에 비교적 둔감함을 보여주었다 . 그림에서 고정밀급의 OP

앰프 (ref) ^{는 가장특성이 좋게 나타났으며 온도하강의}

초기에 일률적이지 못한 특성이 관찰되었는데 이는 주 변회로의 온도특성에 의한 영향으로 분석된다 .

5. 결 론

본 연구는 일반범용 또는 USN 용으로 적용하기 위한

시도로서 저가의 범용부품으로 구성 할 수 있는 안정 되고 정밀한 센서신호치리기의 개발에 관한 연구이다 .

센서신호를 증폭하고 필터링하여 디지털 데이터로 변 환하는데 있어서 상시적인 장애 요소인 아날로그증폭 기 부분의 오프셋 전압과 드리프트보정에 대한 개선 방법을 제시하였다 . 기본적으로 쵸퍼링방식을 도입하 고 타이밍을 조절하는 선택적 샘플앤드홀드 회로를 구 성하여 신호안정화를 달성하였다 . 또한 오프셋뿐만 아 니라 증폭기 이득이나 주변드리프트의 영향도 제거가 가능한 하드웨어와 소프트웨어를 개발하여 이에 대한 개선도 함께 달성하였다 . 아울러 센서의 초기불평형에 대한 오프셋을 자동으로 검출하고 조정하여 스팬범위 의 확보를 위해 오프셋 자동보정과 동작영역확보를 위 한 레벨시프트회로도 함께 구성하여 센서의 교체와 범 용의 자유도를 증대시켰다 .

제작된 장치의 실험결과 개발된 장치는 일률적으로 특성평가는 어렵지만 실험에 사용된 상용의 저급부품 의 경우 쵸핑주파수는 1 kHz 부근까지 안정된 동작이 가능하였으며 입력오프셋전압특성이 수 mV ^대의 OP ^앰

프로 구성한 신호조정회로가 수십 µV 대의 특성에 근접 하는 것으로 평가되어 개선효과가 뚜렷하였으며 드리 프트특성 또한 우수하게 나타나 기존의 고가의 부품과 도 견줄만한 특성을 보였다 .

이번 연구에서는 고가의 트리밍이 필요한 계측기수 준의 고정밀 설계보다는 범용의 센서신호조정 및 처리 기의 개발에 주안점을 두고 접근하였으며 저급의 부품 으로도 동일한 성능을 유지시키는 회로를 필요로 하는

USN 분야에의 적용 가능성을 함께 추구하였다 . 최근의 마이크로프로세서를 포함한 주변의 부품들이 저소비전 력이어서 부품수의 추가에 대한 소비전력의 큰 차이는 크지 않을 것으로 예상되지만 , 향후 저소비전력화와 저 가의 trimming free 코어 설계의 SoC 화 또는 저급코어 부품의 멀티칩화로 보다 실용적인 USN ^{용 센서신호처}

리기의 개발을 검토 중이다 . 본 연구결과는 정밀측정이 필요한 교량이나 건축구조물 또는 환경모니터링 분야 에 실용적인 적용의 효과가 기대 된다 .

감사의 글

이 논문은 2007 년도 강원대학교 학술연구조성비로

연구 하였음 .

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박 찬 원

• 1978년 2월 고려대학교 전기공학과 졸업 (공학사)

• 1982년 9월 고려대학교 대학원 전기공학 과 졸업(공학석사)

• 1987년 2월 고려대학교 대학원 전기공학 과 졸업(공학박사)

• 1991년~1992년 일본 ISHIDA Scales Co. MFG. 초빙연구원

• 2000년~2002년 미국 ASML(Silicon Valley Group), Visiting Scientist

• 2008년~2009년 미국 San Jose State Univ. Visiting Scholar

• 현재 강원대학교 전기전자공학부 교수

• 주관심분야: 센서계측신호처리, A/D변환 및 RFID/USN

전 삼 석

• 1989년 2월 금오공과대학 전자공학과 졸 업(공학사)

• 1996년 2월 연세대학교 대학원 전자공학 과 졸업(공학석사)

• 2005년 2월 강원대학교 대학원 전기공학 과 박사과정 수료

• 현재 한국폴리텍6대학 전기과 교수

• 주관심분야: 센서 및 회로

김 일 환

• 1982년 2월 서울대학교 제어계 측공학과 졸업(공학사)

• 1988년 2월 서울대학교 대학원 제어계측 공학과 졸업(공학석사)

• 1993년 3월 일본 도호쿠대학 대학원기계 공학과졸업(공학박사)

• 1982년~1995년 한국기계연구원 선임연 구원

• 2002년~2003년 University of Waterloo 연구교수

• 현재 강원대학교 전기전자공학부 교수

• 주관심분야: 제어,메카트로닉스 및 휴먼

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