Pneumatic Signals
Current Signals
Suppression and Elevation of Zero
Other Types of Signals
Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Conversion
5.1 서론
Analog Communications 아날로그 통신
초기의 공정 제어 기기(process control instrument)는 센서(sensor)가 제어 메커니즘(control mechanism)에 직접 연결되고, 이 제어 메커니즘이 다시 제어 밸브(control valve)에 직접 연결된 기계식 장치였습니다. 일반적으로 기술자가 공정 변수(process variable) 값을 읽을 수 있도록 다이얼 지시기(dial indicator)가 제공되었습니다. 이 장치들은 오늘날에도 여전히 사용되고 있으며 ‘자체 작동 제어기(self-actuating controller)’ 또는 단순히 ‘조절기(regulator)’라고 불립니다. 이러한 기계식 제어기들은 최종 제어 요소(final control element)를 작동시키기 위해 일부 유체의 물리적 특성(physical property)을 이용하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 유체가 채워진 시스템은 유체의 열팽창(thermal expansion)을 이용하여 온도를 감지하고 제어 밸브를 작동시킬 수 있습니다. 마찬가지로, 공정 압력 변화는 기계적으로 또는 유체가 채워진 시스템을 통해 제어 밸브를 작동시키도록 전달될 수 있습니다. 이러한 제어기들은 비례 제어기(proportional controller)이며, 기계적 연결(mechanical linkage) 또는 기타 기계적 이점(mechanical advantage)을 통해 일부 이득(gain) 조절이 가능합니다. 우리는 이제 이러한 제어기들이 일부 오프셋 오차(offset error)를 보일 수 있다는 것을 알고 있습니다.
5.2 공압 신호
자체 작동 제어기(self-actuating controller)는 보통 저비용 장치였지만, 업계는 공정 운전원(process operator)이 더 편리하고 보호된 장소에서 공정을 감시하고 제어하는 것이 더 쉽고 안전하다는 것을 곧 인식했습니다. 따라서 현장에 남아 있는 센서로부터 원격 운전원 패널(remote operator panel)로 공정 변수(process variable)를 전달할 필요성이 생겼습니다. 이러한 통신을 위해 만들어진 메커니즘은 3~15psig(psi gauge) 범위의 공기 압력이었습니다. 이를 공압 전송(pneumatic transmission)이라고 합니다. 국제 단위계에서의 유럽 표준화는 20~100킬로파스칼(kPa)이었는데, 이는 3~15psi와 매우 비슷한 압력입니다. 0psi 대신 3psi(또는 20kPa)를 사용하는 이유는 계기용 공기(instrument air) 공급의 실패를 감지하기 위함입니다. 15psi(또는 100kPa)라는 측정값은 진단 목적을 위한 공기 공급의 공칭 압력(nominal pressure)보다 훨씬 낮기 때문에 100%로 선택됩니다.
그러나 운전원은 여전히 제어기의 설정값(set point)을 변경하기 위해 현장으로 가야만 했습니다. 해결책은 공압 연산 릴레이(pneumatic computing relay)를 사용하여 제어기를 운전원 패널에 설치된 디스플레이 장치에 내장하는 것이었습니다. 또한 조직은 현장에 있는 제어기보다 패널에 장착된 제어기를 더 쉽게 정비할 수 있었습니다.
제어기 출력(controller output) 또한 3~15psi 공기 압력 범위였으며, 필요에 따라 현장의 공정 배관에 설치된 제어 밸브로 배관되었습니다. 제어 밸브는 더 높은 압력의 공기를 사용하여 작동하는 공압식 구동기(pneumatic actuator) 또는 동력 모터(force motor)에 의해 작동되었습니다. 공압식 제어기가 개발된 후, 혁신적인 공급업체들은 곧 원래의 비례 제어(proportional control)에 적분(integral) 및 미분(derivative) 제어를 추가하여 제어를 더 반응성 있게 만들고 오프셋 오차(offset error)를 보정할 수 있었습니다. 또한 엔지니어들은 제어 밸브 위치에 대한 간단한 피드백 제어를 제공하기 위해 공압식 밸브 포지셔너(pneumatic valve positioner)를 개발했습니다.
전자 신호 전송이 상용화되고 디지털 신호 전송 시대에 들어선 지 50년이 넘었음에도 수천 개의 공압식 기기, 제어기 및 제어 밸브가 여전히 사용되고 있습니다. 그러나 에테르(ether)와 같은 극도로 위험한 기체 및 액체를 제조하는 소수의 공정을 제외하고는 공압식 계측 및 신호 전송 분야는 더 이상 성장하지 않고 있습니다. 많은 공압식 공정 제어 시스템이 전자 신호 전송 또는 디지털 데이터 전송 및 제어로 현대화되고 있습니다. 공압식 데이터 전송 및 제어는 매우 신뢰할 수 있음이 입증되었지만, 누설이 없는 튜브로 센서, 제어기 및 최종 제어 요소를 상호 연결하는 것은 상대적으로 비용이 많이 듭니다. 튜브를 수리하고 공기 압축기의 유입된 오일과 공기 건조기의 실리카겔(silica gel)로부터 기기를 청소하기 위해 빈번한 유지보수(maintenance)가 필요합니다.
5.3 전류 신호
공압 신호 전송(pneumatic signal transmission)을 대체하기 위해 1960년대에 소형 아날로그 직류(DC) 신호가 결정되었는데, 이는 증폭 없이도 가는 전선(small gauge wiring)을 통해 상당한 거리에서 사용될 수 있었습니다. 대부분의 공급업체(supplier)들은 4~20밀리암페어(mA) 범위가 가장 좋을 것이라고 동의했지만, 한 공급업체는 자사 장비가 낮은 범위에서 송수신하기에 충분히 민감하지 않다는 이유로 10~50mA를 고집했습니다. 첫 번째 ANSI/ISA S50.1-1975 표준(현재 ANSI/ISA-50.00.01-1975 [R2002] – Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments)은 4~20mA DC였고, 10~50mA가 대안으로 포함되었습니다. 결국, 해당 공급업체는 기술을 변경하고 4~20mA DC 아날로그 신호 통신을 수용했습니다. 10~50mA 대안은 1982년 표준 개정판에서 삭제되었습니다.
전송 범위의 낮은 쪽 끝에 4mA를 선택한 데에는 여러 가지 설명이 있습니다. ‘라이브 제로(live zero)’를 제공하여 현장 기기(field instrument)가 작동 중임을 증명하고, 현장 기기에 전원을 공급하는 데 필요한 최소한의 전력을 제공하기 위함이기도 합니다.
전류 기반 신호를 사용하는 한 가지 이유는 센서에 전원을 공급하는 데 충분한 전력이 신호와 동일한 두 가닥의 전선(two wires)을 통해 전달될 수 있다는 점입니다. 전류 신호를 사용하는 또 다른 이유는 전체 저항 한계(overall resistance limit) 내에서 전압 기반 신호와 달리 전류는 전선 길이에 따라 변하지 않는다는 점입니다. 신호와 전력 모두에 두 가닥의 전선을 사용하면 설치 비용이 절감됩니다. 일부 현장 기기는 신호 전송 라인에서 전원을 공급받기에는 너무 많은 전력을 필요로 하며, 이러한 기기들은 ‘자체 전원식(self-powered)’이라고 불리는데, 이는 4-20mA 전송 라인이 아닌 다른 출처에서 전원을 공급받는다는 의미입니다.
250옴 저항은 일반적으로 제어기(controller)의 입력단에서 1~5V 신호를 생성하는 데 사용되는데, 이러한 낮은 임피던스(low impedance) 저항은 노이즈(noise) 영향을 줄여줍니다.
전송되는 신호는 4~20mA의 아날로그 전류(analog current)이지만, 제어 밸브(control valve)는 밸브 위치를 움직이는 가장 경제적이고 반응성이 좋은 기술인 고압의 공압 공기(pneumatic air)로 가장 자주 작동됩니다. 이를 위해서는 제어기에서 나오는 4~20mA 출력이 제어 밸브 구동기(actuator)를 구동하는 고압 공기를 조절(modulate)하는 데 사용되어야 합니다. 이러한 장치는 단순히 4~20mA를 3~15psi(또는 20~100kPa)로 변환하는 변환기일 수 있으며, 일반적으로 I/P 변환기(I/P converter)라고 불립니다. I/P의 출력은 공압식 밸브 포지셔너(pneumatic valve positioner)로 연결됩니다. 그러나 더 자주 변환은 실제로 전자식 제어 밸브 포지셔너(electronic control valve positioner)에서 이루어지는데, 이는 제어 밸브 자체로부터의 피드백(feedback)을 사용하여 제어기의 4~20mA 출력에 기반한 요구 위치를 달성하도록 고압 공압 공기를 조절합니다.
4~20mA 신호는 회로에서 전류 조절기(current regulator) 또는 가변 저항(variable resistor) 역할을 하는 현장 송신기(field transmitter) 또는 제어기에 의해 달성됩니다. 따라서 DC 전원(DC power source)에서 현장 송신기를 거쳐가는 두 가닥의 전선 루프(two-wire loop)는 전체 전압 강하가 DC 전원의 공칭 전압(nominally 24V)을 초과할 수 없도록 최대 총 저항(maximum total resistance)을 가질 수 있습니다. 전압 강하 중 하나는 아날로그 제어기 또는 디지털 제어 시스템(digital control system)의 멀티플렉서(multiplexer)에 있는 아날로그 입력 I/O 카드에 걸쳐 있는 저항입니다. 전체 루프 저항(total loop resistance)이 약 800옴을 초과하지 않는 한, 다른 기기들도 동일한 두 가닥의 전선 전류 루프에 직렬 연결(series connection)로 배선될 수 있습니다.
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디지털 데이터 전송 표준을 개발하기 위한 작업이 시작된 지 20년이 지난 후에도 4~20mA DC는 여전히 신규 및 보수 설치(revamped installation) 모두에서 공정 제어 시장을 지배하고 있습니다. 이는 현재 하트(HART, Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜의 주요 신호 전송 방식 역할을 하기 때문입니다. HART는 기본 변수(primary variable), 즉 보통 공정 변수 측정값(process variable measurement value)을 위해 4~20mA 아날로그 전송 채널(analog transmission channel)을 사용하고, 다른 모든 데이터는 디지털 신호 채널(digital signal channel)로 전송합니다.
지속적인 신호이기 때문에, 아날로그 전자 신호 전송은 측정 변수(measured variable)를 제어기(controller)로 전송하는 가장 빠른 방법으로 남아 있습니다. 이는 힘-모터 구동 장치(force-motor driven device)와 같이 측정 메커니즘 자체에서 출력 전류(output current)를 지속적으로 조절(modulate)할 때 특히 그러합니다. 그러나 내재된 디지털 변환기(digital transducer)를 사용하는 더 현대적인 현장 송신기(field transmitter)에서도 아날로그 신호를 생성하는 데 걸리는 지연 시간은 공정 동역학(process dynamics)에 비해 매우 작으며 사실상 그 자체로 지속적입니다.
연속적인 측정, 전송 및 아날로그 전자 제어기는 샘플링 데이터(sampled data) 방식의 디지털 전송 및 제어에서 발생할 수 있는 신호 앨리어싱(aliasing) 오류에 영향을 받지 않습니다.
공정 제조 플랜트(process manufacturing plant)의 설계는 보통 공정 및 계장 도면(P&IDs, process and instrumentation diagrams)에 문서화되며, 이는 공정 변수(PV)가 측정되는 지점, 제어 밸브(control valve)가 위치한 곳, 그리고 계기(instrument)와 제어 시스템(control system)의 상호 연결을 보여주려고 합니다. 계기 및 제어 밸브에 대한 문서화 기호(documentation symbol)는 이 책의 다른 부분에서 다루지만, 계장 연결(instrumentation connection)에 대한 P&ID 그래픽 표현은 ISA-5.1-1984 (R1992) – Instrumentation Symbols and Identification에서 다루고 있습니다.
5.4 제로 억제 및 상승
아날로그 신호에 직접적으로 관련되지는 않지만, 실제 제로(zero)가 의미하는 바는 측정 측면의 한 특성(characteristic)입니다. 이 경우 0%는 항상 4mA입니다. 그러나 0%는 무엇을 나타낼까요? 만약 0psi, 0gpm 유량, 0게이지 압력(gage pressure) 또는 0액위와 같은 실제 제로를 나타낸다면, 이 측정은 제로 기반(zero based)이라고 불리며 0% = 0(측정값) = 4mA가 됩니다.
반대로, 개방형 탱크(open tank)에서 압력을 사용하여 액위(level)를 측정할 경우, 측정 센서(measurement sensor)는 보통 탱크 바닥에서 일정 거리에 위치합니다. 센서가 드러나지 않도록 하는 것이 가장 좋으므로, 센서 위로 일정 거리를 채운 값을 0% 채움값(fill value)이라고 합니다. 이는 송신기(transmitter)에 영점(0%)으로 보정된 양압(positive pressure)이 가해진다는 의미입니다. 예를 들어, 빈 액위가 센서 위로 10인치라고 가정해 봅시다. 그러면 송신기가 실제로 10인치의 물을 측정하고 있음에도 불구하고, 4mA(0%) 지점이 거기에 설정됩니다. 이는 실제 제로 압력이 계기 제로 아래로 억제(suppressed)되었기 때문에 제로 억제(zero suppression)라고 합니다.
하지만 만약 가압 탱크(pressurized tank)가 있고 응축성 유체(condensing fluid)의 탱크 액위를 측정하기 위해 차압 송신기(differential pressure transmitter)를 사용하는 경우, 저압 측에 습식 레그(wet leg)를 사용합니다(또는 습식 레그를 대부분 대체한 원격 밀봉장치(remote seal)를 사용합니다). 그림 5-5는 이러한 시나리오를 보여주는 간단한 다이어그램입니다.
이 경우, 송신기(transmitter)의 저압 측에 연결된 습식 레그(wet leg)의 압력은 고압 측 압력보다 커지게 됩니다(탱크가 낮은 액위 부분에 있을 때, 이는 항상 그럴 수 있습니다). 이 현상을 음압(negative pressure)이라고 합니다. 이럴 때 계기(instrument)의 0%(4mA)를 음압을 나타내는 제로(zero)로 설정하면 실제 제로를 상승(elevation)시키는 결과가 됩니다.
이를 혼동하지 않고 기억하기 쉽습니다. 계기의 제로를 양의 값으로 설정하면 제로 억제(zero suppression), 음의 값으로 설정하면 제로 상승(zero elevation), 제로로 설정하면 제로 기반(zero based)입니다.
5.5 기타 신호
5.5.1 모션 제어 신호
아날로그 신호를 사용하는 다른 통신 표준들이 있는데, 특히 PLC(Programmable Logic Controller) 아날로그 I/O로 입력되는 신호들입니다. 모션 제어(motion control)는 일반적으로 방향(direction)과 속도(velocity)를 모두 나타내기 위해 +5V 또는 +10V 신호를 사용하며, 축(axis)의 수에 따라 위치(position) 및 기타 물리적 측정값을 결정할 수 있습니다.
5.5.2 음성 채널
제어 네트워크 계층(control network hierarchy)에 통신 링크(communication link)가 등장하면서, 적어도 한동안은 음성 채널(voice channel)이 사용되었습니다. 이는 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템에서 여전히 널리 사용됩니다. 음성 채널은 한 쌍의 전선(pair of wires)을 통해 전송하기 위한 음성(voice)의 전화 전기 신호 표현(아날로그)입니다.
최악의 시나리오를 가정했을 때, 음성 채널은 충실도(fidelity)가 아닌 명료도(intelligence)를 전달하도록 설계되었습니다. 이 채널은 300Hz에서 시작하며(300Hz 미만의 음성 주파수(voice frequency)는 신호 명료도에 실질적으로 기여하지 않음), 상한 주파수는 3000Hz로 제한되었습니다(그 이상의 주파수는 신호의 품질에는 기여하지만 명료도에는 기여하지 않음). 결과적으로, 음성 채널의 통과 대역(pass band)은 3KHz입니다.
300Hz라는 하한선 때문에, 특정 값에 오랫동안 머무르는 신호(디지털)는 세계에서 가장 흔한 전기 회로 중 하나인 이 채널을 통해 원시 형태(raw form)로 통과할 수 없습니다. 이것이 음성 채널을 통해 디지털 작동을 위해 모뎀(modem, modulator-demodulator)이 필요한 이유인데, 이 내용은 다른 섹션에서 다룹니다. 이 채널에서 발견되는 전기 신호(electrical signal)는 매우 다양합니다. 음성 대화는 일반적으로 dbm(밀리와트(milliwatt)에 대한 데시벨(db))으로 측정되지만, 수화기를 들었을 때의 일반적인 음성 배터리(voice battery)는 약 4~6V입니다. 벨소리(ringing)는 초당 20회 중단되는 90VDC(직류)입니다. 600옴(경우에 따라 500옴)의 설계 임피던스와 통과 대역 외에, 진폭(amplitude) 측면에서 음성 채널에 대한 신호 요구 사항은 운용 장치(operational unit)에 의해 결정됩니다.
5.6 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환
현대의 전자 제어기(electronic controller)는 디지털 방식입니다. 일부 송신기(transmitter)와 대다수의 시스템 제어기는 디지털 형식으로 통신하지만, 산업에서 발견되는 측정값은 연속적인 세계인 아날로그 세계에서 작동합니다. 디지털 장치가 아날로그 장치와 통신하고 제어하기 위해서는 아날로그-디지털(A/D) 및 디지털-아날로그(D/A) 변환이 필요합니다. 이러한 유형의 변환을 수행하는 다양한 방법이 있으며, 이 섹션에서는 몇 가지 더 널리 사용되는 기술을 설명하겠습니다.
5.6.1 이진 코드
아날로그-디지털 변환에는 코딩(coding)이 포함됩니다. 서로 다른 변환기는 서로 다른 코드(code)를 출력(A/D)하고 입력(D/A)합니다. 아날로그-디지털 변환을 제대로 이해하려면 코딩을 이해해야 합니다.
이진수 시스템(binary number system)은 자연 형식(natural format)으로 사용될 수 있습니다. 이진수 시스템이 이진 0(binary 0)을 가장 덜 양수인 전압(least positive voltage)을 나타내고 이진 1(binary 1)을 가장 양수인 전압(most positive voltage)을 나타내는 데 사용된다면, 이 코딩 시스템을 자연 이진(natural binary)이라고 합니다.
5.6.1.1 자연 이진
자연 이진(Natural binary)은 한 가지 극성(one polarity)(예: 0~+5V)의 전압(전류와 같은)만을 나타내는 데 사용되므로 단극성(unipolar)이라고도 불립니다. 이전에 논의된 이진수 시스템(0에서 15까지의 값이 0에서 F 헥스(Hex)로 표현됨)은 0에서 특정 양수 값을 나타내는 데 사용된다면 자연 이진이 될 것입니다. 이진수는 많은 산업 환경에서 분수 형식(fractional form)으로 사용됩니다. 표 5-1은 4비트 분수 코드(four-bit fractional code)를 보여줍니다.
4비트 숫자를 사용하여 0에서 1볼트 또는 0에서 전체 스케일(full scale)의 100%를 나타낼 경우, 표현에 내재된 오차가 있습니다. 이 오차는 1/16 또는 0.0625입니다. 0을 이진수 0 값으로 선택하고 스케일이 이진수 분수(binary fractions)에 해당할 경우, 범위의 이진 표현에는 항상 1 최하위 비트(LSB, least significant bit) 오차가 있습니다. A/D 변환 공정의 입력 범위 어느 부분에서든 디지털 코드(digital code) 간에는 일정한 값(이 경우 +0.0625V)이 있습니다. 이것이 시스템에서 (사용된 비트 수로) 발생할 수 있는 최소한의 오차입니다. 실제 시스템에서 이 오차는 식 5-1에 표시된 것처럼 결정될 수 있습니다.
이 식에서 Q는 양자화 오차(quantization error) 또는 양자화 잡음(quantization noise)으로, 변환 공정으로 인해 발생하는 측정의 불확실성(uncertainty)입니다. 이 오차를 줄이는 유일한 방법은 사용되는 비트(bit) 수를 늘리는 것입니다. 산업 시스템에서는 표 5-2에 나와 있는 비트 수를 찾아볼 수 있습니다.
단극성 변환기(unipolar converter)의 경우 일반적으로 전체 스케일(full scale)은 0~+5볼트 또는 0~+10볼트로 표준화되어 있습니다.
5.6.1.2 양극성 코드(Bipolar Codes)
양수(positive) 및 음수(negative) 값을 나타내려면 양극성 코딩(bipolar coding)을 사용합니다. 표준 양극성 값은 ±2.5V, ±5.0V, ±10.0V입니다. 이러한 값을 나타내기 위해 ‘모두 0’인 상태가 가장 음의 값(most negative value)을 나타내고 ‘모두 1’인 상태가 가장 양의 값(most positive value)을 나타내도록 직선(straight) 또는 자연 이진(natural binary)을 사용할 수 있습니다. 표 5-3은 4비트 자연 이진 양극성 코딩(four-bit natural binary bipolar coding)을 보여줍니다.
자연 이진(natural binary)이 양극성(bipolar) 값을 나타내는 데 사용될 때, 중간값인 1000은 0 값을 나타냅니다. 따라서 이진수 1000은 이진수 0000으로부터의 ‘오프셋(offset)’입니다. 이 때문에 자연 이진은 양극성 값을 나타내는 데 사용될 때 오프셋 이진(offset binary)이라고 불립니다.
양극성 값을 나타내는 다른 많은 코드가 있지만, 2의 보수(two’s complement)는 컴퓨터 기반 시스템에서 가장 일반적입니다. 2의 보수 코딩은 표 5-4에 나와 있습니다.
2의 보수(two’s complement) 코딩과 관련하여 몇 가지 주목할 점이 있습니다. 제로(zero) 값은 이진수 0으로 표현됩니다. 양수와 동일한 음수를 더하면(예: +2/8에 -2/8을 더하면), 올림수(carry)가 있는 0이 결과가 됩니다. 사실, 2의 보수는 최상위 비트(most significant bit)가 반전(complemented)된 오프셋(자연) 이진 시스템입니다. 대부분의 이진 컴퓨터(binary computer)는 2의 보수를 사용하여 산술 연산(arithmetic operation)을 수행하므로, 이러한 시스템에서 2의 보수가 사용되는 것은 당연합니다.
5.6.2 디지털-아날로그 변환
디지털-아날로그 변환은 여러 이유로 먼저 논의됩니다. 주된 이유는 대부분의 축차 근사(successive approximation) 아날로그-디지털 변환기가 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter)를 내부 또는 외부에서 기준(reference)으로 사용하기 때문입니다.
디지털 값을 전압 또는 전류 값으로 변환하는 데 다양한 기술이 사용되었습니다. 오늘날의 거의 모든 변환기는 전체 비트(bit) 수를 동시에 전압 또는 전류 값으로 변환하는 병렬형(parallel type)입니다.
5.6.2.1 가중 저항 네트워크
가중 저항 네트워크(weighted resistor network)를 사용하는 방식은 개별 회로(discrete circuitry) 또는 하이브리드 집적 회로(hybrid integrated circuit) 변환기에서 사용되는 더 인기 있는 방법 중 하나입니다. 이는 그림 5-6에 나와 있습니다.
그림에서 스위치(switch)는 켜지거나(on) 꺼진(off) 상태이며, 전류 제한 저항(current-limiting resistor)은 이진 가중치(binary weight)를 가집니다. 물론 이것은 단순화된 다이어그램입니다. 스위치는 양의 전압(1 상태를 나타냄)에 의해 ON 상태가 되고, 0볼트(0 상태를 나타냄)에 의해 OFF 상태가 됩니다. 최상위 비트(MSB, most significant bit)가 ‘1’인 자연 이진수 “1 0 0 0″이 이 회로에 인가되면, R을 가진 스위치는 켜지고 나머지는 꺼집니다. R이 R과 같기 때문에 출력 전압은 VREF/2 가 될 것입니다. 이는 자연 이진 코딩을 사용하는 4비트 시스템에서 이진수 “1000” = 전체 스케일의 1/2이므로, 출력 전압이 예상한 값이 된다는 의미입니다.
각 비트는 이전 비트 값의 두 배인 저항을 가집니다. 전류는 합산되므로, 두 개 이상의 저항이 켜져 있으면 전류 값만 더하면 출력을 얻을 수 있습니다.
5.6.2.2 R-2R 네트워크
D/A 변환의 더 일반적인 방법 중 하나는 단 두 가지 값으로 구성된 저항성 네트워크(resistive network)를 사용하는 것입니다. 이것을 R-2R 래더(ladder) 방식이라고 합니다. 이는 주로 축차 근사(successive approximation) 유형의 A-D 변환기(converter)와 함께 사용되며, 필요한 저항 값의 범위가 두 가지에 불과하므로 집적 회로(integrated circuit) 제작에 매우 적합합니다.
Figure 5-7: R-2R Ladder
그림 5-7은 R-2R 사다리 회로(R-2R ladder)를 보여줍니다. 단순화를 위해 3비트(three-bit) 사다리 회로만 나타냈습니다. 이 회로의 작동 원리는 실제로 옴의 법칙(Ohm’s law)을 적용하는 연습에 불과합니다. 만약 동일한 값을 가진 두 개의 저항이 병렬로 연결되면, 등가 저항(equivalent resistance)은 그 값의 절반이 됩니다. 2R과 2R이 병렬로 연결되면, 등가 저항(equivalent resistance)은 R이 됩니다.
5.6.2.3 기타 고려 사항
어떤 방식이 사용되든, 출력은 연속적이지 않고 D-A 변환기(D-to-A unit)에 새로운 2진 값(binary value)이 입력될 때마다 바뀌는 일련의 액위(level)입니다. 스위칭 과도 현상(switching transients)을 완화하기 위해, 출력 신호는 시간 경과에 따라 평균화(integrated)됩니다. 이는 저역 통과 필터(low-pass filter)나 적분 장치(integrating device)를 사용하여 달성할 수 있습니다. 평균화된 출력은 실제 출력의 근사치이지만, 사용되는 비트(bits) 수가 많을수록 2진 표현(binary representation)에 더 가까운 근사치가 됩니다. 한 액위(level)에서 다른 액위로의 변화율이 낮을수록, 다시 말해 신호의 주파수(frequency)가 낮을수록, 출력은 2진 값(binary value)을 더 정확하게 나타냅니다.
5.6.3 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion)
여기서 다루는 세 가지 유형의 변환은 적분형(integrating), 연속 근사형(successive approximation), 그리고 병렬형(parallel) 변환입니다.
5.6.3.1 적분형(Integrating)
대부분의 산업 공정 변수(industrial process variables)를 포함한 저주파 신호(low frequency signals)를 변환하는 일반적인 방법은 적분형(integrating type)입니다. 현재 사용되는 두 가지 다른 기술은 다음과 같습니다.
• 이중 경사(dual slope)
• 전압-주파수(voltage to frequency)
5.6.3.2 연속 근사형(Successive Approximation)
연속 근사형(successive approximation)은 아날로그-디지털 변환(analog-to-digital conversion)에 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 적분형(integrating) 방식과 비교하면 상당히 복잡하고, 설계가 신중하게 고려되지 않으면 일부 코드 조합(code combinations)을 잃는 단점이 있습니다. 그러나 속도가 매우 빠릅니다. 최신 집적 회로(integrated circuit) 설계는 비교적 저렴한 패키지(package)로 초당 500,000회에 가까운 변환을 달성할 수 있습니다. 기본 블록 다이어그램(basic block diagram)은 그림 5-8에 나와 있습니다. 여기에는 기준값(reference)으로 사용되는 D-A 변환기(D/A)가 있음을 유의하십시오. 연속 근사형 변환기(successive approximation converter)는 2진 분할(binary division) 원리를 이용하여 범위 내의 임의의 숫자(random number)를 찾는 데 필요한 최소한의 결정(decisions)을 내립니다.
Figure 5-8: Successive Approximation Block Diagram
작동 원리는 다음과 같습니다.
- 신호는 컨디셔닝 회로(conditioning circuits), 일종의 감쇠기(attenuator)와 진폭 제한기(amplitude limiter)를 통해 입력됩니다. 또한 입력 신호의 상한 주파수(upper frequency)를 제한하며 변환기(converter)의 적절한 작동에 매우 중요한 저역 통과 필터(low-pass filter)도 있습니다.
- 그런 다음 신호는 비교기(comparator)의 한쪽 다리(leg)로 게이트(gated)되고, 비교기의 다른 쪽 다리는 D-A 변환기(D/A)에 연결됩니다.
- 변환이 시작될 때 D-A 변환기(D/A)는 타이밍 및 제어 레지스터(timing and control register)에 의해 제어 회로(control circuit)로부터 이진 ½ 전범위 값(full-scale value)이 공급됩니다. 따라서 입력 전압이 기준 전압(reference voltage)보다 높으면(전체 범위의 ½ 초과), 비교기(comparator) 출력은 “1” 상태가 됩니다. 입력 전압이 기준값보다 낮았다면, 비교기의 출력은 “0” 상태였을 것입니다.
- 입력 신호는 이 새로운 값과 다시 비교되며, 동일한 작동과 각 후속 비트(succeeding bit)가 같은 방식으로 처리됩니다. 이러한 방식으로 연속적인 테스트는 입력 신호 액위(signal level)를 실제 값에 점점 더 가깝게 근사화(approximate)합니다.
샘플 클록(sample clock, 샘플 및 유지 회로가 스위칭되는 주파수)은 예상되는 최고 주파수(highest frequency)의 최소 두 배 이상이어야 합니다. 이보다 훨씬 더 높을 수도 있지만, 최소한 두 배는 되어야 합니다. 이는 파형당 최소 두 개의 샘플(samples)을 확보하기 위한 것입니다. 따라서 비트율(bit rate)은 비트 수에 샘플율(sample rate)을 곱한 값이라고 올바르게 결론 내릴 수 있습니다.
5.6.3.3 플래시 (병렬) 변환(Flash (Parallel) Conversion)
그림 5-9는 “플래시(flash)” 변환이라고도 알려진 병렬 변환(parallel conversion)을 보여줍니다. 이것은 아날로그-디지털 변환(A/D conversion) 방식 중 가장 빠른 방법입니다. 속도는 비교기(comparators)의 정착 시간(settling time)과 디코더 로직(decoder logic)의 게이트 전파 시간(gate propagation time)에 의해서만 제한됩니다. 정밀 기준 전압(precision reference)은 각 비교기 사이에 분할되어 공급됩니다. 필요한 비교기(comparators)의 수는 2의 비트(bits) 수 제곱에서 1을 뺀 값입니다(예: 8비트 플래시 변환기에는 255개의 비교기가 필요합니다). 심지어 현대의 집적 회로(integrated circuitry)에도 이것은 상당히 많은 수의 비교기이므로, 약간 더 느린 작동을 감수하고 4비트 변환기(각각 15개의 비교기가 필요함)를 결합하는 방법이 사용됩니다. 이제는 기술이 플래시 변환기(flash converters)의 가격을 낮추는 데 사용되어 연속 근사형(successive approximation types)과 경쟁할 수 있으며, 여전히 매우 빠른 변환 속도를 가지고 있습니다.
Figure 5-9: Flash A/D Conversion