측정 시스템에 적합한 DAQ 하드웨어를 선택하는 방법
개요
적절한 DAQ 하드웨어를 선택하는 데 도움이 되는 5가지 질문
- 어떤 유형의 신호를 측정하거나 생성해야 합니까?
- 신호 컨디셔닝이 필요합니까?
- 신호의 샘플을 얼마나 빠르게 수집하거나 생성해야 합니까?
- 감지해야 하는 신호의 가장 작은 변화는 얼마입니까?
- 어플리케이션에 허용되는 측정 에러는 어느 정도인가?
1. 어떤 유형의 신호를 측정하거나 생성해야 합니까?
신호 유형이 다르면 측정이나 생성 방법도 달라야 합니다. 센서(또는 트랜스듀서)는 물리적 현상을 전압 또는 전류 같은 측정 가능한 전기 신호로 변환하는 디바이스입니다. 또한 측정 가능한 전기 신호를 센서로 보내어 물리 현상을 만들어 낼 수도 있습니다. 이 때문에 각기 다른 신호 유형과 그에 따른 속성을 이해하는 것이 중요합니다. 어플리케이션의 신호를 고려하면 어떤 DAQ 사용할 것인지 결정할 수 있습니다.
DAQ 디바이스의 기능
- 아날로그 신호를 측정하는 아날로그 입력
- 아날로그 신호를 생성하는 아날로그 출력
- 디지털 신호를 측정하고 생성하는 디지털 입출력
- 디지털 이벤트를 세거나 디지털 펄스/신호를 생성하는 카운터/타이머
디바이스 중에는 위 목록의 기능 중 한 가지만 전용으로 하는 디바이스도 있고 모든 기능을 지원하는 다기능 디바이스도 있습니다. 아날로그 입력, 아날로그 출력, 디지털 입출력, 또는 카운터 같은 단일 함수에 채널 개수가 고정된 DAQ 디바이스를 사용할 수도 있지만, 필요 시에 채널 개수를 늘릴 수 있도록 현재 필요한 채널 개수보다 더 많은 채널의 디바이스를 구매하는 것이 좋습니다. 현재 어플리케이션을 위한 기능만을 갖춘 디바이스를 구입하면 새로운 어플리케이션에 하드웨어를 사용하기 어려울 것입니다.
다기능 DAQ 디바이스에는 채널 개수가 고정되어 있지만, 아날로그 입출력, 디지털 입출력, 카운터를 조합하여 사용할 수 있습니다. 다기능 디바이스는 각 다른 I/O 유형을 지원하므로 단일 기능 DAQ 디바이스에 비해 더욱 다양한 어플리케이션을 해결할 수 있습니다.
다른 옵션으로는 요구에 맞게 직접 사용자 정의할 수 있는 모듈형 플랫폼이 있습니다. 모듈형 시스템은 타이밍 및 동기화를 제어하기 위한 섀시와 다양한 I/O 모듈로 구성됩니다. 모듈형 시스템을 사용할 때의 장점은 고유한 목적을 위해 제작된 여러 모듈을 선택할 수 있기 때문에 더욱 다양한 구성이 가능하다는 점입니다. 이 옵션을 사용하면 사용자는 다기능 디바이스보다 한 가지 기능을 더욱 정밀하게 수행하는 모듈을 사용할 수 있습니다. 모듈형 시스템의 또 다른 장점은 섀시의 슬롯 개수를 선택할 수 있다는 것입니다. 섀시에는 슬롯 개수가 고정되어 있지만, 미래에 확장할 수 있도록 현재 필요한 개수보다 더 많은 슬롯이 있는 섀시를 구입할 수 있습니다.
2. 신호 컨디셔닝이 필요합니까?
일반적인 범용 DAQ 디바이스는 +/-5V 또는 +/-10V를 측정하거나 생성할 수 있습니다. 일부 센서는 이런 DAQ 디바이스 유형으로 직접 측정하기에 너무 어렵거나 위험한 신호를 생성합니다. 대부분의 센서는 DAQ 디바이스가 신호를 효율적이고 정밀하게 측정할 수 있도록, 측정 이전에 증폭 또는 필터링과 같은 신호 컨디셔닝이 필요합니다.
예를 들어, 열전쌍은 mV 범위로 신호를 출력하므로 아날로그-디지털 컨버터 (ADC)의 한계값을 최적화하기 위해 증폭이 필요합니다. 또한 열전쌍 측정에는 고주파수 노이즈를 제거하는 저역 통과 필터링이 유용합니다. 신호 컨디셔닝은 DAQ 시스템의 성능과 측정 정확도를 동시에 개선하므로 DAQ 디바이스만을 사용하는 것보다 분명히 유리합니다.
표 1은 여러 센서 및 측정에 일반적인 신호 컨디셔닝을 표로 간략히 나타낸 것입니다.
| 증폭 | 감쇠 | 절연 | 필터링 | 구동 | 선형화 | CJC | 브리지 완성 | |
| 열전쌍 | x | x | x | x | ||||
| 써미스터 | x | x | x | x | ||||
| RTD | x | x | x | x | ||||
| 변형률 게이지 | x | x | x | x | x | |||
| 로드, 압력, 토크 (mV/V, 4-20mA) | x | x | x | x | ||||
| x | x | x | x | |||||
| 가속도계 | x | x | x | x | ||||
| 마이크 | x | x | x | x | ||||
| 근접 프로브 | x | x | x | x | ||||
| LVDT/RVDT | x | x | x | x | ||||
| 고전압 | x | x |
표 1. 각 센서 및 측정 유형을 위한 신호 컨디셔닝
현재 사용 중인 센서가 표 1에 있다면 신호 컨디셔닝을 고려하는 것이 좋습니다. 외부 신호 컨디셔닝을 추가하거나 신호 컨디셔닝이 내장된 DAQ 디바이스를 사용할 수 있습니다. 또한 많은 디바이스에는 편리한 센서 통합을 위해 특정 센서를 위한 연결이 내장되어 있습니다.
3. 신호의 샘플을 얼마나 빠르게 수집하거나 생성해야 합니까?
DAQ 디바이스의 ADC가 신호의 샘플을 얻는 속도인 샘플링 속도는 DAQ 디바이스의 가장 중요한 사양 중 하나입니다. 일반적인 샘플링 속도는 하드웨어 또는 소프트웨어 타이밍에 의한 것이며 최대 2MS/s입니다. 어플리케이션의 샘플링 속도는 측정하거나 생성하려는 신호의 최대 주파수 성분에 의해 결정됩니다.
나이퀴스트 정리에 따르면 관심 최고 주파수 성분 2배를 샘플링하면 신호를 정확하게 재구성할 수 있습니다. 그러나, 실제에서는 신호의 모양을 표현하기 위해 최고 주파수의 최소 10배를 샘플링해야 합니다. 관심 신호 주파수의 최소 10배를 샘플링하는 DAQ 디바이스를 선택하면 신호를 더욱 정확한 모습으로 측정하거나 생성할 수 있습니다.
예를 들어, 어플리케이션에서 주파수가 1kHz인 사인파를 측정한다고 생각해봅시다. 나이퀴스트 정리에 따라 최소 2kHz로 샘플링해야 하지만 더욱 정확하게 신호를 측정하거나 생성하려면 10kHz로 샘플링하는 것이 좋습니다. 그림 1은 2kHz와 10kHz로 측정된 1kHz 사인파를 비교한 것입니다.
그림 1. 1kHz 사인파가 10kHz와 2kHz로 측정된 모습 비교
측정하거나 생성하고자 하는 신호의 최고 주파수 성분을 알고 있다면, 어플리케이션에 적합한 샘플링 속도를 제공하는 DAQ 디바이스를 선택할 수 있습니다.
4. 감지해야 하는 신호의 가장 작은 변화는 얼마입니까?
신호에서 감지할 수 있는 가장 작은 변화는 DAQ 디바이스에 필요한 분해능을 결정합니다. 분해능은 ADC가 신호를 표시하기 위해 사용하는 이진 단계의 수를 나타냅니다. 설명을 돕기 위해 분해능이 다른 ADC를 통해 사인파가 통과될 때 사인파가 어떻게 표시되는지 생각해보십시오. 그림 2는 3비트 ADC와 16비트 ADC를 비교한 것입니다. 3비트 ADC는 8 단계, 즉 23 단계로 전압을 나타낼 수 있습니다. 16비트 ADC는 65,536 단계, 즉 216 단계로 전압을 나타낼 수 있습니다. 3비트 분해능으로 표현한 사인파는 계단 함수처럼 나타나지만 16비트 ADC는 부드럽게 사인파를 그립니다.
그림 2. 16비트 분해능과 3비트 분해능 사인파 비교 차트
일반적인 DAQ 디바이스의 전압 범위는 +/-5V 또는 +/-10V입니다. 표현되는 전압 레벨은 전체 분해능을 활용할 수 있도록 선택된 범위에서 균등하게 분배됩니다. 예를 들어, +/-10V 범위와 12비트의 분해능 (212 또는 4,096 단계)을 가진 DAQ 디바이스는 5mV의 변화를 감지할 수 있으며, 16비트의 분해능 (216 또는 65,536 단계)을 가진 디바이스는 300μV의 변화를 감지할 수 있습니다. 많은 어플리케이션 요구사항은 12, 16 또는 18비트 분해능 디바이스로 충족 가능 합니다. 그러나, 작고 큰 전압 범위의 센서를 측정할 때에는 24비트 디바이스에 있는 동적 데이터 범위가 유용할 것입니다. 어플리케이션에 요구되는 전압 범위와 분해능은 적합한 디바이스를 선택할 때 고려해야 할 주요 요소입니다.
5. 어플리케이션에 허용되는 측정 에러는 어느 정도인가?
정확도는 측정된 신호값을 계측기가 충실하게 표시하는 능력을 측정한 수치입니다. 정확도는 분해능과 관련된 용어가 아니지만 정확도는 계측기의 분해능 보다 높을 수 없습니다. 측정의 정확도를 명시하는 방법은 측정 디바이스의 유형에 따라 다릅니다. 이상적인 계측기는 100 퍼센트 확실성으로 값을 측정하지만, 현실적으로 계측기는 제조업체에서 명시한 불확실성과 함께 값을 나타냅니다. 불확실성은 시스템 노이즈, 게인 에러, 오프셋 에러, 비선형성 등 여러 요소에 의해 결정됩니다. 제조업체에서 제공하는 불확실성에 대한 일반적인 스펙으로 절대 정확도가 있습니다. 이 스펙은 특정 범위에서 DAQ 디바이스의 최악의 에러 값을 제공합니다. NI 다기능 디바이스의 절대 정확도의 한 계산 예는 다음과 같습니다.
절대 정확도 = ([읽은 값*게인 에러] + [전압 범위*오프셋 에러] + 노이즈 비확실성)
절대 정확도 = 2.2mV
계측기의 정확도는 계측기에 의해서만 결정되는 것이 아니라 측정되는 신호 유형에 의해서도 결정된다는 것을 명심해야 합니다. 측정되는 신호에 노이즈가 있다면 측정 정확도에 악영향을 끼칩니다. DAQ 디바이스의 정확도와 가격은 다양합니다. 일부 디바이스는 정확도 향상을 위해 자가 교정, 절연 등의 회로를 제공합니다. 기본 DAQ 디바이스는 100mV 이상의 절대 정확도를 제공하지만, 정확도 향상을 위한 기능을 갖춘 고성능 디바이스는 1mV 내외의 절대 정확도를 제공합니다. 어플리케이션의 정확도 요구사항을 이해하면, 적합한 절대 정확도를 제공하는 DAQ 디바이스를 선택할 수 있습니다.