아날로그 샘플 품질: 정확도, 민감도, 정밀도, 노이즈

샘플의 품질을 알아볼 때 측정의 정확도와 정밀도를 평가하고 싶겠지만 먼저, 오실로스코프의 민감도를 파악하는 것이 중요합니다. 민감도는 측정 디바이스가 반응할 수 있는 입력 신호의 가장 작은 변화입니다. 다시 말해 입력 신호가 특정 양만큼(즉, 특정 민감도만큼) 변하면 디지털 데이터에서 변화를 확인할 수 있습니다.

민감도를 분해능 및 코드 폭과 혼동하지 마십시오. 분해능은 코드 폭을 정의하며, 코드 폭은 인스트루먼트가 값을 표시하는 이산 레벨입니다. 그러나 민감도는 인스트루먼트가 값의 변화를 기록하는 데 필요한 전압의 변화를 정의합니다. 예를 들어, 측정 범위가 10V인 인스트루먼트는 1mV 분해능으로 신호를 감지할 수 있지만 측정할 수 있는 최소 감지 전압은 15mV일 수 있습니다. 이런 경우 인스트루먼트의 분해능은 1mV이지만 민감도는 15mV입니다.

어떤 경우에는 민감도가 코드 폭보다 큽니다. 처음에는 잘 이해되지 않을 수 있지만 표시될 수 있지만 아직 기록되지 않은 양만큼 전압이 변한다는 뜻이기 때문입니다. 민감도가 더 큰 경우 얻을 수 있는 이점을 이해하려면 일정한 DC 전압에 관해 생각해 보십시오. 전압이 편차 없이 정확하게 일정하면 좋겠지만 그림 1과 같이 신호에는 늘 약간의 편차가 있습니다. 이 그림에서 민감도는 빨간색 선이며 코드 폭도 표시되어 있습니다. 이 예제에서 전압은 민감도 레벨을 넘지 않기 때문에 코드 폭보다 커도 똑같은 디지털 값으로 표시됩니다. 이는 노이즈를 포착하지 않고 신호를 정전압으로 더 정확하게 표시할 수 있다는 점에서 유용합니다.

^{그림 1: 코드 폭보다 큰 민감도는 노이즈 있는 신호를 고르게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.}

신호가 실제로 상승하기 시작하면 민감도 레벨을 넘어가 다른 디지털 값으로 표시됩니다. 그림 2를 참조하십시오. 측정은 민감도보다 정확할 수 없습니다.

^{그림 2: 신호가 민감도 레벨을 넘어가면 다른 디지털 값으로 표시됩니다.}

또한 인스트루먼트의 민감도를 정의하는 방법에는 약간 모호한 부분이 있습니다. 경우에 따라 위의 예제와 같이 일정한 양으로 정의될 수 있습니다. 이 경우 입력 신호가 민감도 레벨을 넘어가면면 바로 신호가 다른 디지털 값으로 표시됩니다. 그러나 때때로 이는 신호의 변화로 정의됩니다. 지정된 민감도 양만큼 변화한 후에 신호는 다른 신호로 표시됩니다. 이 경우 절대 전압이 아니라 전압의 변화가 중요합니다. 또한 일부 인스트루먼트는 민감도를 거의 0으로 정의합니다. 

민감도라는 용어의 정확한 정의는 회사마다 다를 뿐만 아니라 같은 회사의 제품이라도 각 제품에 따라 약간 다른 의미로 사용될 수 있습니다. 인스트루먼트의 스펙을 확인하여 민감도가 어떻게 정의되는지 확인해야 합니다. 스펙에 민감도가 빠져 있으면 업체에 문의해 정확하게 확인하십시오.

정확도는 측정된 신호값을 인스트루먼트가 충실하게 표시하는 능력을 측정한 수치입니다. 정확도는 분해능과 관련된 용어는 아니지만 인스트루먼트의 분해능보다 높을 수 없습니다.

인스트루먼트 또는 디지타이저에 따라 정확도에 대한 기대치가 다릅니다. 예를 들어, 일반적으로 디지털 멀티미터 (DMM)의 정확도는 오실로스코프보다 높을 것으로 기대됩니다. 정확도를 계산하는 방법도 디바이스에 따라 다릅니다. 따라서 항상 인스트루먼트의 스펙을 확인하여 인스트루먼트에서 정확도를 계산하는 방법을 파악하십시오. 

오실로스코프의 정확도

오실로스코프는 수평 시스템과 수직 시스템의 정확도를 각각 정의합니다. 수평축 시스템은 시간 스케일 즉, X축을 나타내고 수평축 시스템의 정확도는 타임 베이스의 정확도입니다. 수직축 시스템은 측정된 전압 즉, Y축을 나타내고, 수직축 시스템의 정확도는 게인 및 오프셋의 정확도입니다. 일반적으로 수직축 시스템의 정확도가 수평축 시스템보다 더 중요합니다.

수직축 정확도는 일반적으로 입력 신호의 백분율과 전체 스케일의 백분율로 표시됩니다. 일부 스펙에서는 입력 신호를 수직 게인과 오프셋의 정확도로 분류합니다. 식 1에서는 정의된 정확도를 확인할 수 있는 두 가지 방법을 보여줍니다. 

^{식 1: 오실로스코프의 수직축 정확도 계산}

예를 들어, 오실로스코프는 다음과 같은 방식으로 수직축 정확도를 정의할 수 있습니다. 

10V 입력 신호와 20V 범위를 사용하여 정확도를 계산할 수 있습니다. 

DMM 및 전원 공급 장치의 정확도

DMM과 전원 공급 장치는 일반적으로 정확도를 판독값의 백분율로 지정합니다. 식 2에서는 DMM 또는 전원 공급 장치의 정확도를 표현할 수 있는 세 가지 방법을 보여줍니다.

^{식 2: DMM 또는 전원 공급 장치의 수직축 정확도 계산}

ppm이라는 용어는 100만 분의 1(parts per million)을 의미합니다. 또한 대부분의 스펙에는 정확도를 확인할 수 있는 여러 가지 표가 있습니다. 정확도는 측정 유형, 범위, 마지막 교정 후 경과 시간에 따라 달라집니다. 정확도 계산 방식을 알아보려면 스펙을 확인하십시오. 

예를 들어, DMM이 10V 범위로 설정되어 있고 23°C ±5°C에서 교정 후 90일 간 작동하며 7V 신호가 예상되는 상태에서 정확도 스펙은 ±(판독값의 20ppm + 범위의 6ppm)입니다. 다음과 같이 정확도를 계산할 수 있습니다.

이 경우 판독값은 실제 입력 전압의 200μV 이내여야 합니다.  

DAQ 디바이스의 정확도

DAQ 카드는 종종 정확도를 이상적인 전달 함수의 편차로 정의합니다. 식 3은 DAQ 카드가 정확도를 지정하는 방법의 예를 보여줍니다.

^{식 3: DAQ 디바이스의 정확도 계산}

개별 항은 다음과 같이 정의할 수 있습니다. 

이러한 항의 대부분은 표에 정의되어 있으며 공칭 범위를 기준으로 합니다. 또한 스펙은 노이즈 불확도 계산을 정의합니다. 노이즈 불확도는 노이즈가 측정에 미친 영향 때문에 발생한 측정의 불확실성으로 정확도를 결정할 때 고려됩니다.

또한 아날로그 입력 또는 아날로그 출력의 정확도를 확인하려는지 아니면 필터의 활성화 또는 비활성화 여부에 따라 디바이스에 관한 정확도 표가 여러 개 있을 수 있습니다.

정확도와 정밀도는 종종 같은 의미로 사용되지만 미묘하게 다릅니다. 정밀도는 인스트루먼트의 안정성 그리고 동일한 입력 신호에 대해 같은 측정값을 반복해서 얻을 수 있는지에 관한 척도로 정의됩니다. 정확도는 측정된 값이 실제 값에 얼마나 가까운지를 뜻하지만 정밀도는 반복해서 측정한 값이 서로 얼마나 일치하는지를 나타냅니다. 

^{그림 3: 정밀도와 정확도는 서로 관련이 있지만 동일한 값은 아닙니다.}

정밀도는 인스트루먼트의 노이즈와 단기 변동의 영향을 가장 많이 받습니다. 인스트루먼트의 정밀도는 직접 제시되는 경우가 드물어 전송 비율 스펙, 노이즈, 온도 변동과 같은 다른 스펙을 통해 추론해야 합니다. 그러나 일련의 측정값이 있으면 정밀도를 계산할 수 있습니다.

^{식 4: 정밀도 계산}

예를 들어, 1V의 정전압을 모니터링하고 측정할 때마다 측정값이 20µV씩 변하는 것을 알았다면 측정 정밀도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 

일반적으로 정밀도는 백분율로 표시됩니다. 이 예제에서 정밀도는 99.998%입니다.

정밀도는 주로 디바이스 교정과 같이 상대 측정(똑같은 값의 이전 판독값에 상대적)을 수행해야 하는 경우 의미가 있습니다.

민감도를 분해능 및 코드 폭과 혼동하지 마십시오. 분해능은 코드 폭을 정의하며, 코드 폭은 인스트루먼트가 값을 표시하는 이산 레벨입니다. 그러나 민감도는 인스트루먼트가 값의 변화를 기록하는 데 필요한 전압의 변화를 정의합니다. 예를 들어, 측정 범위가 10V인 인스트루먼트는 1mV 분해능으로 신호를 감지할 수 있지만 측정할 수 있는 최소 감지 전압은 15mV일 수 있습니다. 이런 경우 인스트루먼트의 분해능은 1mV이지만 민감도는 15mV입니다.

열 노이즈

이상적인 전자 회로에서는 노이즈가 발생되지 않아 이상적인 회로의 출력 신호에는 원래 신호에 있던 노이즈만 포함됩니다. 그러나 실제 전자 회로와 구성요소에서는 자체적으로 일정 수준의 고유한 노이즈가 발생합니다. 단순한 고정 값 저항에서도 노이즈가 발생합니다. 

^{그림 4: A는 이상적인 저항을 나타내고 B는 실제로 저항에 내부 열 노이즈가 있음을 보여줍니다.}

그림 4A에서는 노이즈가 없는 이상적인 저항의 등가 회로를 보여줍니다. 고유한 노이즈는 그림 4B에서 노이즈가 없는 이상적인 저항 Ri와 직렬로 연결된 노이즈 전압 소스 Vn으로 표시됩니다. 절대 영도(0°K 즉, 약 -273°C) 이상의 온도에서 모든 물질의 전자는 일정한 무작위 운동을 할 수 있습니다. 그러나 해당 동작의 고유한 임의성 때문에 한 방향으로 감지할 수 있는 전류가 없습니다. 다시 말하면 한 방향의 전자 변동은 짧은 시간 동안 반대 방향의 동일한 변동에 의해 상쇄됩니다. 따라서 전자 운동은 통계적으로 상관관계가 없습니다. 그러나 물질에서 연속적인 일련의 무작위 전류 펄스가 발생되며 이러한 펄스가 외부에서는 노이즈 신호로 보입니다. 이 신호를 존슨 노이즈, 열 교란 노이즈 또는 열 노이즈라고 합니다. 이 노이즈는 온도와 저항에 따라 증가하지만 제곱근 함수로 증가합니다. 즉, 저항의 노이즈를 2배로 만들려면 저항을 4배로 늘려야 합니다.

플리커 또는 ¹/_F 노이즈 

반도체 디바이스는 주파수에 따라 평평하지 않은 노이즈를 갖는 경향이 있고 이러한 노이즈는 낮은 끝에서 상승합니다. 이러한 노이즈를 ¹/_F 노이즈, 핑크 초과 노이즈 또는 플리커 노이즈라고 합니다. 이러한 유형의 노이즈는 전기 시스템 이외에 많은 물리적 시스템에서도 발생합니다. 그 예로 단백질, 인지 과정의 반응 시간, 지진 활동 등이 있습니다. 아래 차트에서는 특정 전압에서 노이즈가 발생하는 주파수에 따라 가장 가능성이 높은 노이즈 소스를 확인할 수 있습니다. 노이즈의 원인을 알면 노이즈를 줄이는 데 큰 도움이 됩니다.

^{그림 4: A는 이상적인 저항을 나타내고, B는 실제로 내부 열 노이즈가 있는 저항을 보여줍니다.}

설계자에게 노이즈는 심각한 문제입니다. 특히 신호 레벨이 낮을 때 여러 가지 상식적인 접근 방식을 사용하여 노이즈가 시스템에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다. 다음은 노이즈를 줄이는 데 도움이 되는 몇 가지 전략입니다.

• 소스 저항과 증폭기 입력 저항을 가능한 한 낮게 유지합니다. 높은 저항 값을 사용하면 그에 비례하여 열 노이즈가 증가합니다.
• 또한 전체 열 노이즈는 회로 대역폭의 작용으로 발생합니다. 따라서 회로의 대역폭을 최소한으로 줄이면 노이즈도 최소화됩니다. 그러나 신호에는 정확한 측정을 위해 보존해야 하는 푸리에 스펙트럼이 있기 때문에 이 작업은 주의해서 수행해야 하지만, 대역폭을 입력 신호에 필요한 주파수 응답과 일치시키면 괜찮습니다.
• 외부 노이즈가 시스템 성능에 영향을 미치지 않도록 접지, 차폐, 케이블 연결, 와이어의 조심스러운 물리적 배치와 필터링을 적절히 수행합니다.
• 시스템의 입력 스테이지에서 저잡음 증폭기를 사용합니다.
• 일부 반도체 회로의 경우 이러한 작업을 수행할 수 있는 가장 낮은 DC 전원 공급 장치의 전위를 사용하십시오.

• 민감도는 측정 디바이스가 반응하도록 만드는 입력 신호의 가장 작은 변화입니다.
• 정확도는 측정된 신호값을 인스트루먼트가 충실하게 표시하는 능력을 측정한 수치입니다.
• 정확도와 민감도는 스펙 문서에 나와 있습니다. 업체마다 또는 같은 업체의 제품이라도 이러한 용어를 다르게 사용할 수 있기 때문에 항상 문서를 확인하고 필요한 경우 업체에 문의하여 자세한 내용을 확인하십시오.
• 정밀도는 인스트루먼트의 안정성 그리고 동일한 입력 신호에 대해 같은 측정값을 반복해서 얻을 수 있는지에 관한 척도로 정의됩니다.
• 노이즈는 원하는 신호를 방해하는 불필요한 신호입니다.
• 다양한 유형의 노이즈가 있으며 노이즈를 줄이는 데 도움이 되는 여러 가지 전략이 있습니다.

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