Sensor2026년 2월 27일13분 읽기

센서 신호 컨디셔닝: 원시~정확

센서와 마이크로컨트롤러 간의 증폭기, 필터 및 ADC 인터페이스를 설계하는 방법RTD, 써모커플, 로드 셀, 전류 션트 등을 다룹니다.

시그널 컨디셔닝이란?

센서 데이터시트를 보면 도당 0.5mV, 브리지에서 2mV/V, 포토다이오드에서 몇 마이크로암페어의 출력을 볼 수 있습니다.이러한 신호 중 어느 것도 마이크로컨트롤러의 ADC와 직접 통신할 수 없습니다.신호가 너무 작거나, 너무 시끄럽거나, 잘못된 전압 레일에 있습니다.여기서 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 센서가 내뿜는 이상한 신호를 받아들여 ADC가 실제로 사용할 수 있는 깨끗하고 크기가 조정된 것으로 바꾸는 것이 바로 아날로그 프런트 엔드입니다.

일반적인 신호 체인은 다음과 같습니다. 센서 → 자극 → 증폭 → 필터링 → ADC

대부분의 사람들이 너무 늦기 전까지는 생각하지 않는 것이 있습니다. 바로 이 사슬의 모든 단계에서 오류가 발생한다는 것입니다.센서의 정확도가 0.1% 일 수도 있지만 센서를 증폭하고 필터링하고 디지털화할 때쯤이면 주의하지 않으면 전체 시스템 오류가 1% 에 달할 수 있습니다.센서 정확도 예산 계산기 를 사용하면 이러한 모든 오류가 어떻게 누적되는지 추적할 수 있으므로 하루가 끝날 때 실제로 어떤 일이 발생하는지 알 수 있습니다.

RTD 시그널 컨디셔닝 (PT100/PT1000)

RTD (저항 온도 감지기) 는 기본적으로 온도에 따라 값이 변하는 정밀 저항기입니다.일반적으로 PT100 모델은 0°C에서 100Ω 제품이며, 칼렌다-밴 두센 방정식을 거의 그대로 따릅니다.

R(T) = R_0 \left(1 + AT + BT^2\right) \quad \text{for } T \geq 0°C

여기서

A = 3.9083 \times 10^{-3}

/°C 및

B = -5.775 \times 10^{-7}

/°C²입니다.특정 온도에서 어떤 저항을 예상해야 하는지 알고 싶다면 손으로 계산하지 않고 PT100 저항 계산기 를 사용하면 즉시 답을 얻을 수 있습니다.

측정 회로

표준 접근 방식은 RTD를 통해 알려진 정전류를 흐르고 RTD 양단의 전압을 측정하는 것입니다.

V_{RTD} = I_{excitation} \times R(T)

간단하게 들리죠?문제는 실제 와이어에도 저항이 있다는 것입니다.2선 연결을 사용하는 경우 리드 저항이 측정값에 직접 추가되므로 실제 RTD 저항과 분리할 방법이 없습니다.그렇기 때문에 어느 누구도 적절한 정확도를 요구하는 제품에 2선 연결을 사용하지 않습니다.

3선 연결은 대부분의 애플리케이션에서 실질적인 최소 사양입니다.전류 전달 리드와 별도로 RTD 양단의 전압 강하를 측정하여 대부분의 리드 저항 오류를 상쇄하는 기발한 방법을 사용합니다.일치하지 않는 도선 저항으로 인해 여전히 약간의 오차가 발생할 수 있지만 일반적으로 산업 작업에는 충분합니다. 4선 (켈빈) 연결은 정확도가 실제로 중요할 때 사용하는 것입니다.전류는 한 쌍의 와이어를 통해 흐르며, 전류를 전혀 소비하지 않는 완전히 분리된 쌍으로 전압을 측정합니다.전류가 없으면 감지 리드에 전압 강하가 발생하지 않으므로 RTD 저항을 직접 측정할 수 있습니다.우수한 정전류 소스와 적절한 계측 증폭기를 사용하면 땀을 흘리지 않고도 0.01°C의 정확도를 달성할 수 있습니다.

주요 고려 사항

자체 발열은 RTD 정확도를 저해합니다.작은 저항에 너무 많은 전류를 공급하면 자체적으로 가열되어 저항이 변경되어 측정에 방해가 됩니다.일반적으로 전력 손실을 1mW ( $I^2 R < 1$ mW) 미만으로 유지하는 것이 좋습니다.PT100 모델의 경우 이는 약 1mA의 자극 전류 미만을 유지하는 것을 의미합니다.

프런트 엔드에는 저잡음 계측 증폭기가 필요합니다.INA128 및 AD8221 모델은 오랫동안 사용되어 온 확실한 선택입니다.흥미롭지는 않지만 효과가 있습니다.

한 가지 더 말씀드리자면, PT1000 센서 (100Ω 대신 0°C에서 1000Ω) 가 배터리 구동식 설계에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.저항이 높으면 동일한 전압 스윙에 비례적으로 더 적은 자극 전류를 사용할 수 있어 전력이 절약됩니다.소음이 약간 더 크다는 단점이 있지만 대부분의 애플리케이션에서는 그만한 가치가 있습니다.

써모커플 신호 컨디셔닝

써모커플이 이상해요.서로 다른 금속의 두 접합부 사이의 온도 차이를 기반으로 하여 마이크로볼트에서 낮은 밀리볼트로 작은 전압을 생성합니다.기본 관계는 다음과 같습니다.

E = S \times (T_{hot} - T_{cold})

여기서

S

은 제벡 계수입니다.K형 써모커플의 경우 대략 41μV/°C인데 500°C를 측정할 수 있나요?아마도 20mV의 신호가 잡음과 간섭에 묻혀 있을 것입니다.열전대 전압 계산기 는 특정 온도 및 열전대 유형에 대해 예상되는 전압을 알려줍니다.

냉접점 보상

써모커플의 문제는 다음과 같습니다. 절대 온도가 아니라 온도차이를 측정합니다.“콜드 접점”은 써모커플 와이어가 PCB의 구리 트레이스에 연결되는 곳입니다.이 접합부에도 온도가 있어 판독에 영향을 미칩니다.핫 엔드의 실제 온도를 알고 싶다면 저온 접합 온도를 별도로 측정하여 써모커플 측정값에 추가해야 합니다.

MAX31855 (K타입용) 또는 LTC2986 (여러 써모커플 유형 처리) 과 같은통합 IC가 이 모든 것을 대신 해줍니다.증폭, 냉접점 보정, 선형화 조회 테이블까지 내장되어 있습니다.직접 해볼 만한 충분한 이유가 있는 경우 (아마도 그렇게 하지 않을 수도 있습니다.) 이 칩 중 하나를 사용하면 골치 아픈 문제를 해결할 수 있습니다.

마조히즘을 느끼거나 특이한 요구 사항이 있는 경우 분리형 디자인이 가능합니다.약 10mV/°C의 게인을 가진 정밀 계측 증폭기, 저온 접점에 별도의 온도 센서 (일반적으로 NTC 서미스터 또는 소형 RTD), 펌웨어의 선형화 조회 테이블 또는 다항식이 필요합니다.더 많은 작업과 더 많은 보드 공간을 차지하며 잘못될 수 있는 부분이 더 많습니다.하지만 가끔은 유연성이 필요할 때도 있습니다.

로드셀/스트레인 게이지 신호 컨디셔닝

로드 셀은 스트레인 게이지로 만든 휘트스톤 브리지입니다.힘을 가하면 게이지의 저항이 약간 변하고 브리지가 차동 전압을 출력합니다.문제점은 무엇일까요?전체 출력은 일반적으로 자극 볼트당 1-3mV에 불과합니다.

V_{out} = V_{excitation} \times S \times \frac{F}{F_{FS}}

따라서 자극이 5V이고 감도가 2mV/V이면 풀 스케일 신호는 10mV입니다.아주 작죠.그리고 커먼 모드 전압으로 작동하는데, 부하에 따라 0V ~ 5V 사이가 될 수 있습니다.이것이 바로 로드셀 증폭기가 존재하는 이유입니다.로드셀 증폭기 계산기 를 사용하면 해당 신호를 ADC에서 사용할 수 있는 수준까지 끌어올리는 데 필요한 게인을 파악할 수 있습니다.

앰프 선택

INA125P와 INA128은 이런 종류의 기능을 위한 오래된 제품입니다.INA125 제품은 브리지 자극을 위한 정밀 전압 레퍼런스가 포함되어 있어 외부에 별도로 추가할 필요가 없기 때문에 특히 좋습니다.단일 저항 (

G = 4 + 60\,\text{k}\Omega / R_G

) 으로 게인을 설정할 수 있습니다.입력 기준 잡음은 약 8nV/√Hz로, 이는 노이즈 플로어로 인해 LSB가 많이 소모되지 않으면서 24비트 ADC를 공급하는 데 적합합니다. HX711은 특별히 언급할 가치가 있습니다.로드셀과 브리지 센서 전용으로 설계된 24비트 ADC로, 지금까지 보아온 모든 저렴한 디지털 스케일에 기본적으로 사용됩니다.노이즈가 가장 낮거나 성능이 가장 좋은 것은 아니지만, 사용하기 매우 쉽고 비용도 1달러 정도입니다.대부분의 계량 어플리케이션에서는 당연한 선택입니다.

션트 저항을 사용한 전류 감지

전류 감지는 개념적으로 간단합니다. 낮은 값의 저항을 부하와 직렬로 연결하고 부하 양단의 전압 강하를 측정하세요.

V_{shunt} = I \times R_{shunt}

10A가 흐르는 10mΩ 션트 저항은 100mV를 제공합니다. 이는 차동 증폭기가 작동하기에 적합한 신호입니다.전류 션트 계산기 를 사용하면 션트 전압이 분해능이 양호할 만큼 충분히 크지만 많은 전력을 낭비하고 있지는 않은지 확인할 수 있습니다.

하이사이드 센싱과 로우사이드 센싱

로우사이드 감지는 분로를 적재물과 지면 사이에 위치시킵니다.션트 전압이 이미 접지를 기준으로 하기 때문에 가장 쉬운 구성이므로 간단한 싱글 엔드 앰프를 사용할 수 있습니다.단점은 부하가 더 이상 실제 접지 상태에 있지 않다는 것입니다. 즉, 션트 양단에 떨어진 전압이 그대로 유지되기 때문입니다.대부분의 부하에서는 문제가 되지 않지만 일부 회로 (특히 통신 인터페이스가 있는 모든 회로) 에서는 문제가 발생할 수 있습니다. 하이사이드 감지는 전원 공급 장치와 부하 사이에 션트를 배치하여 부하가 실제 접지 상태를 유지하도록 합니다.그라운드 시프트도 없고 이상한 커먼 모드 문제도 없습니다.문제는 이제 션트 전압이 공급 레일 위에 있다는 것입니다. 즉, 차동 증폭기나 INA219 또는 INA240 같은 전용 전류 감지 IC가 필요합니다.이러한 칩에는 하이사이드 전류 감지 기능이 내장되어 있고 일반적으로 ADC가 포함되어 있어 사용하기가 매우 쉽습니다.

션트 저항 선택

션트 저항은 옴의 법칙을 재정렬하고 증폭기 게인을 고려하여 결정됩니다.

R_{shunt} = \frac{V_{full-scale}}{I_{max} \times G_{amp}}

일반적으로 전체 전류에서 50~100mV의 션트 전압을 목표로 합니다.훨씬 더 낮아지면 신호 대 잡음비가 떨어집니다.더 높이 올라가면 전력이 너무 많이 소모됩니다:

P = I^2 R

.10A에서는 100mΩ 션트도 10와트를 소모하므로 처리하기에 많은 열이 발생합니다.

포토다이오드/광학 센서 신호 컨디셔닝

포토다이오드는 입사광에 비례하여 전류를 생성합니다.이 전류는 어둠 속의 피코앰프부터 밝은 빛 속에서의 수백 마이크로암페어에 이르기까지 어디에나 있을 수 있습니다.트랜스임피던스 증폭기 (TIA) 는 이 전류를 사용자가 실제로 측정할 수 있는 전압으로 변환합니다.

V_{out} = I_{photo} \times R_f

광전류가 10μA이고 100kΩ 피드백 저항을 사용하면 1V 출력을 얻을 수 있습니다.아주 간단합니다.포토다이오드 TIA 계산기 를 사용하면 다양한 피드백 저항 값에 대한 대역폭과 노이즈 성능을 파악할 수 있습니다.

안정성

TIA 회로가 까다로워지는 부분은 다음과 같습니다.피드백 커패시터가 없으면 진동하는 것을 좋아합니다.포토다이오드에는 커패시턴스가 있고, 연산 증폭기에는 입력 커패시턴스가 있으며, 이들이 함께 극을 형성하여 회로를 불안정하게 만들 수 있습니다.해결 방법은 소형 커패시터 $C_f$ 을 피드백 저항 $R_f$ 과 병렬로 추가하는 것입니다.

f_{-3dB} = \frac{1}{2\pi R_f C_f}

일반적으로 1—10pF 범위의 제품을 사용합니다.이로 인해 대부분의 애플리케이션에서 적절한 대역폭을 유지하면서 회로를 안정화시키는 우세한 극이 생성됩니다.5pF부터 시작하여 스코프에 보이는 것에 따라 거기서부터 조정하십시오.

4—20mA 전류 루프

산업용 센서가 4~20mA 전류 루프를 사용하는 데에는 그만한 이유가 있습니다. 케이블 저항을 신경 쓰지 않고 긴 케이블 길이 (최대 1km 이상) 에서도 작동하기 때문입니다.정보는 전압이 아닌 전류로 인코딩되므로 와이어를 따라 전압이 떨어져도 상관없습니다.

인코딩은 간단합니다.

4mA는 측정 범위의 0% 를 나타냅니다 (또한 2선식 시스템의 트랜스미터에 전원을 공급합니다)
20mA는 측정 범위의 100% 를 나타냅니다.

4—20mA 트랜스미터 계산기 는 센서 값과 루프 전류 사이를 변환하여 케이블 길이 및 공급 전압에 맞는 전압 예산이 맞는지 확인할 수 있도록 도와줍니다.

신호 수신

수신측에서는 정밀 저항을 사용하여 전류를 다시 전압으로 변환합니다.250Ω 저항은 4—20mA를 1-5V로 변환하므로 표준 선택입니다. 이는 0-5V ADC에 잘 매핑됩니다.

V_{sense} = I_{loop} \times 250\,\Omega

이 전압 범위에는 멋진 특징이 있습니다. 전압만 봐도 케이블 단선 (0V) 과 센서 결함 (1V 미만) 을 감지할 수 있습니다.1V에서 5V 사이의 모든 값은 유효한 측정값입니다.

정확도 예산 구축

신호 체인의 모든 구성 요소는 오류의 원인이 되며 생각보다 빠르게 누적됩니다.일반적으로 다루게 되는 사항은 다음과 같습니다.

출처	일반적인 오류
센서 비선형성	0.1~ 0.5% FS
앰프 오프셋	0.02— 0.2% FS
ADC 양자화	LSB/2
온도 드리프트	50—500ppm/°C
기준 전압	0.05— 0.5%

이러한 오차를 조합하는 적절한 방법은 RSS (Root-Sum-Square) 입니다. 이 경우 오류는 서로 독립적이고 상관관계가 없다고 가정합니다.

e_{total} = \sqrt{e_1^2 + e_2^2 + \cdots + e_n^2}

이렇게 하면 단순히 선형적으로 합산하는 것보다 더 현실적인 추정치를 얻을 수 있습니다.센서 정확도 예산 계산기 를 사용하면 전체 시스템의 온도 정확도를 모델링하고 가장 큰 오류 원인이 어디인지 확인할 수 있습니다.한두 가지 구성 요소가 오차 범위를 지배하는 경우가 많기 때문에 개선에 노력 (또는 비용) 을 집중해야 합니다.

요약

다음은 일반적인 센서 유형과 신호 컨디셔닝에 사용할 항목에 대한 간략한 참조입니다.

센서 유형	일반 출력	권장 IC
PT100 RTD	100—400 Ω	INA128 + 정전류 소스
써모커플	1—50mV	MAX31855
로드셀	1—10mV	HX711 또는 INA125
포토다이오드	1Na—100μA	TIA (OPA2134 포함)
전류 션트	10—100mV	INA219 또는 INA240
4—20mA 루프	1—5V (250Ω 경유)	ADC 다이렉트

제가 반복해서 보게 되는 실수는 브리지 센서에 충분한 게인을 사용하지 않는 것 (16비트 ADC를 구동하려고 하는데 왜 노이즈가 발생하는지 궁금해하게 됩니다), 써모커플 회로의 냉접점 보상을 잊어버리는 것 (PCB 온도에 상관없이 판독값이 떨어집니다), 트랜스임피던스 증폭기 설계에서 피드백 커패시터를 사용하지 않는 것입니다 (10MHz 진동을 즐기세요).다른 사람의 실수를 스스로 저지르지 말고 그로부터 배우세요.