스몰 신호 전압 읽기

로드셀이나 기타 휘트스톤 브리지, 전류 변압기와 같이 매우 낮은 전압 출력을 가진 센서를 다룬 경험이 있다면, 그 측정값을 활용하기 위해 매우 정밀한 증폭기와 고비트 수의 아날로그 디지털 변환기(ADC)가 필요하다는 것을 알고 있을 것입니다. 대부분의 내 회로 기판은 매우 엄격한 크기 제약을 가지고 있어, 더 많은 구성 요소를 통합하는 것이 항상 이상적인 해결책은 아닙니다. 그러나, 고비트 수 ADC와 프로그래머블 이득 증폭기(PGA)를 사용함으로써 상당한 기판 공간을 절약하고 일괄 처리된 기판 간의 읽기 일관성도 향상시킬 수 있습니다.

로드셀의 스트레인 게이지는 전압당 단지 1mV의 전체 범위 출력을 가질 수 있으며, 5볼트에서 작동할 경우 전체 센서 범위에 대해 0-5mV의 신호를 제공합니다. 이는 100kg 로드셀이 킬로그램당 50μV의 신호를 제공하게 되며, 상당한 증폭 없이는 사용할 수 있는 데이터를 제공하지 않습니다. 128배 증폭을 하더라도, 전체 부하에서의 신호는 단지 0.64볼트가 될 것이며, 이는 3.3볼트 8비트 ADC로는 이상적이지 않은 약 2kg 해상도를 제공할 것입니다. 그러나 대부분의 현대 ARM 컨트롤러는 10비트 또는 12비트 ADC를 가지고 있으며, 이는 로드셀의 해상도를 약 125그램으로 제공할 것입니다. 이것은 여전히 다소 불충분하므로, 만족스러운 해상도를 얻기 위해 훨씬 더 높은 비트 수를 제공하는 외부 ADC를 살펴볼 수 있습니다. 128 V/V 증폭기가 있는 24비트 ADC를 사용하면, 우리의 100kg 로드셀은 이제 밀리그램을 읽을 수 있습니다. 이 고해상도는 정밀한 측정을 가능하게 하며, 여러 톤의 전체 스케일 범위를 가진 로드셀(예: 크레인, 계량교) 또는 수천 암페어를 다뤄야 하는 전류 센서(예: 사무실 건물, 공장)와 같은 정밀 산업 응용 분야에서 중요합니다. 추가 해상도는 또한 신호를 필터링하여 안정적인 읽기를 보장하고 읽기에 대한 높은 신뢰도를 제공합니다.

프로그래머블 이득 증폭기

프로그래머블 이득 증폭기 ADC는 동일한 해상도의 일반 ADC보다 약간 더 비싸지만, 내 프로젝트에서 추가 비용이 충분히 가치가 있다는 것이 입증되었습니다. 또한, 정밀한 오프앰프와 정밀한 커패시터 및 저항을 사용한 ADC 솔루션은 종종 통합 유닛의 비용과 동일하며, 따라서 실제 이점을 제공하지 않습니다. 통합 PGA 솔루션은 또한 상당히 감소된 기판 공간을 제공할 뿐만 아니라, 기판에서 기판으로 훨씬 더 일관된 신호 증폭을 제공합니다. 이득이 쉽게 프로그래밍 가능하기 때문에, 다양한 센서 옵션으로 전환하기도 매우 쉽고, 다양한 센서 범위에 대한 전체 해상도 지원을 제공합니다.

마이크로컨트롤러의 ADC나 통합 프로그래머블 이득 증폭기가 없는 다른 외부 ADC를 사용하는 경우, 독립형 PGA도 시장에서 쉽게 구할 수 있습니다. Texas Instruments의 PGA281은 차동 또는 단일 종단 신호의 최대 128 V/V 증폭을 제공하는 매우 인기 있는 선택입니다.

아날로그 디지털 변환기

위의 예에서 볼 수 있듯이, 좋은 마이크로컨트롤러의 12비트 ADC는 작은 신호 전압에 대해서는 충분하지 않습니다. 아두이노에서 인기 있는 ATmega와 같은 것을 사용하는 경우, 8비트 ADC만을 가지고 있어, 이는 훨씬 더 제한적입니다. 따라서 이러한 작은 전압을 충분한 정밀도로 읽을 수 있도록 외부 ADC가 필요합니다.

높은 비트 수가 중요하지만, 이것이 중요한 유일한 요소는 아닙니다. 작은 전압을 다룰 때, ADC는 낮은 드리프트를 가져야 하며, 매우 안정된 기준 전압을 가지고 있어야 하며, 신호를 캡처하기에 충분한 대역폭을 가져야 합니다. 불안정하거나 드리프트가 있는 ADC에서 높은 비트 수는 여전히 부정확한 읽기 값을 제공할 것입니다.

전류 변압기나 스트레인 게이지를 읽을 때 저는 텍사스 인스트루먼트의 ADS1220을 선호하는데, 이는 매우 안정적이고 놀라울 정도로 정밀하기 때문입니다. 24비트 ADC이지만, 내부 필터를 통해 실제로 사용 가능한 20비트의 해상도를 제공합니다. 이렇게 말하면서, 제 프로젝트 중 하나에서 ADS1220을 다음과 같이 연결했습니다:

회로의 구현은 상당히 중요합니다. 입력에 페라이트 비드를 사용하는 파이 필터가 있으며, 로드 셀의 입력에 매우 기본적인 필터링이 있습니다. 여기에서 볼 수 있습니다:

이 회로는 캐나다 올림픽 팀을 위한 데이터 측정에 사용되었으며, Omega LCM302 2000 뉴턴 로드 셀을 사용했습니다. 최고급 운동 선수용 힘 판 위에서 기록된 동일한 충격을 비교했을 때, ADS1220 데이터는 초당 960개의 샘플을 취득하면서 단기간의 충격을 훨씬 더 정밀하게 읽을 수 있었으며, 온도 변화에 따른 신호 지터와 드리프트가 덜했습니다.

프로그래머블 게인 앰프와 ADC에서 직접 로드 셀에 전원을 공급하는 것은 구성을 통해 증폭을 변경하거나 과부하가 감지되었을 때 작은 전체 범위의 로드 셀로 쉽게 교체할 수 있게 해주었습니다. 이는 4 입력 ADS1220을 약간 저렴한 단일 채널 형제인 ADS1246보다 제 애플리케이션에 훨씬 매력적으로 만듭니다.

시장에는 다양한 옵션이 있으며, 일부는 귀하의 특정 애플리케이션에 더 적합할 수 있으므로, Octopart에서 ADC 카테고리를 살펴보고 ‘PGA’를 검색하여 몇 가지 옵션을 탐색해 보는 것은 어떨까요.

이 기사가 유용했다고 생각하시면, 월간 뉴스레터를 구독하여 이와 같은 내용을 귀하의 메일함으로 받아보세요!