측정 개선을 위한 접지 고려사항

신호 소스 또한 접지 설정이 다를 수 있기 때문에 측정 시스템은 다른 접지 설정을 사용할 수 있습니다. 이 기능은 가장 정확히 측정하는 데 있어 반드시 필요하지만, 이러한 유연성으로 인해 측정 시스템의 접지 설정을 선택하기가 더 어렵습니다.

그림 1은 측정에 사용되는 구성요소의 블록다이어그램입니다. 오른쪽은 계측기와 신호 컨디셔닝으로 구성된 측정 시스템입니다. 신호 컨디셔닝은 계측기에 통합할 수도 있고 계측기 외부에 둘 수도 있습니다. 왼쪽에는 신호 소스가 있는데, 물리적 현상으로 인해 전압을 생성하는 단일 트랜스듀서이거나 테스트 중인 디바이스일 수 있습니다. 이 문서에서는 신호 소스의 접지, 측정 시스템의 접지, 마지막으로 측정 노이즈와 에러를 최소화할 수 있는 측정 시스템 설정을 선택하는 방법을 설명합니다.

그림 1: 신호 소스는 계측기와 신호 컨디셔닝으로 구성된 측정 시스템에 입력됩니다.

이 접지에 대해 이야기할 때 고려해야 할 신호 소스의 두 가지 주요 범주가 있는데, 그림 2에 회로도 형태로 나와 있습니다.

그림 2: 신호가 접지되어 있는지 또는 플로팅되어 있는지 아는 것이 중요합니다.

접지 또는 접지 참조된 신호 소스

접지된 신호 소스는 전압 신호가 지면이나 빌딩 접지와 같은 시스템 접지에 참조되는 경우입니다. 전압 신호가 시스템 접지에 대한 직접적인 전기 경로를 갖기 때문에 위의 그림 2의 왼쪽과 같은 회로도로 나타낼 수 있습니다. 접지된 소스의 가장 일반적인 예는 신호 생성기 및 전원 공급기와 같이 3구 벽 콘센트를 통해 빌딩 접지에 플러그인된 디바이스입니다. 독립적으로 접지된 두 신호 소스의 접지는 일반적으로 같은 전위에 있지 않다는 것을 알아야 합니다. 같은 빌딩 접지에 연결된 두 시스템 간 접지 전위차는 10mV, 200mV 또는 그 이상일 수 있습니다.

접지되지 않았거나 플로팅된 신호 소스

접지되지 않았거나 플로팅된 신호 소스는 전압 신호가 접지 또는 빌딩 접지와 같은 시스템 접지에 참조되지 않는 소스입니다. 이는 그림 2의 오른쪽에 표시되어 있습니다. 양극 터미널과 음극 터미널 모두 접지에 직접 연결되어 있지 않습니다. 일반적인 플로팅 신호 소스로는 배터리, 열전쌍, 변압기 등이 있습니다.

계측기는 차동 (DIFF), 참조된 단일 종단형 (RSE) 또는 참조되지 않은 단일 종단형 (NRSE)의 세 가지 모드 중 하나로 설정할 수 있습니다.

차동 측정 시스템

차동 계측기에는 계측 증폭기에 대한 모든 입력이 시스템 접지를 참조하지 않는 두 개의 입력이 필요합니다. 이는 그림 3에 나와 있습니다. 여기서 CH0+와 CH0-는 각각 계측 증폭기의 양극 터미널과 음극 터미널에 연결되어 있지만 측정 시스템 접지 (AI GND)에는 연결되어 있지 않습니다.

그림 3: 이상적인 차동 수집 시스템은 두 터미널 간 전압 차이에만 응답합니다.

이상적인 차동 수집 시스템은 양극 (+) 입력과 음극 (-) 입력의 두 터미널 간 전압 차에만 응답합니다. 회로쌍의 차동 전압이 원하는 신호지만 원치 않는 신호가 차동 회로쌍의 양측에 흔히 존재할 수 있습니다. 이 전압을 공통 모드 전압이라고 합니다. 이상적인 차동 측정 시스템은 더욱 정확한 측정을 위해 공통 모드 전압을 측정하지 않고 완벽히 제거합니다. 그러나 공통 모드 전압 범위와 공통 모드 제거율 (CMRR)과 같은 스펙을 보면 알 수 있듯 실제 디바이스에는 한계가 있습니다.

공통 모드 전압 범위는 계측기 접지에 대한 각 입력의 최대 허용 가능 전압 진동 (swing)입니다. 이 제약 조건을 지키지 않으면 측정 시 에러가 발생할 뿐만 아니라 계측기 구성요소가 손상될 수 있습니다. 다음은 공통 모드 전압을 계산하는 공식입니다.

^{식 1: 공통 모드 전압 계산}

여기서 각 항은 다음과 같습니다.

공통 모드 전압 범위 스펙을 지키지 않는 예로는 도선 중 하나는 110V로, 다른 도선은 100V로 설정해서 차동을 측정하려는 경우를 들 수 있습니다. 차동 측정이 10V이지만 디바이스 스펙 범위를 벗어나지 않을 수 있음에도 불구하고 공통 모드 전압이 105 V이기 때문에 계측기 스펙을 벗어날 수 있습니다.

CMRR은 공통 모드 전압을 제거하는 측정 시스템의 능력을 나타냅니다. 증폭기의 CMRR이 높으면 공통 모드 전압을 제거하는 데 더 효과적이기 때문에 정확히 측정하기에 더 좋습니다. CMRR은 공통 모드 게인에 대한 차동 게인의 비율로 설명할 수 있으며, 이는 식 2로 나타납니다. CMRR은 또한 식 3에 표시된 것처럼 dB로 나타낼 수 있습니다.

^{식 3: dB로 나타낸 CMRR}

예를 들어 계측기의 CMRR이 100,000:1 (또는 100dB)이고 공통 모드 전압이 5V인 경우 차동 도선에서 50μV보다 큰 전압 차이를 구별할 수 있습니다. 환경의 노이즈 소스가 차동 측정의 두 라인 모두에 있기 때문에 공통 모드 제거는 매우 중요합니다. 그러나 노이즈가 두 라인 모두에 있는 경우 이는 차동 측정으로 제거됩니다. 따라서 차동 설정으로 단일 종단형 측정보다 더 정확하게 측정할 수 있습니다. 하지만 차동 측정에는 단일 종단형 측정보다 두 배 큰 채널 카운트가 필요합니다.

단일 종단형 측정 시스템

단일 종단형 설정은 일반적으로 계측기의 기본 설정입니다. 측정에 아날로그 입력 채널이 하나만 필요하기 때문에 차동 설정과 다릅니다. 계측기의 모든 채널에서 계측 증폭기에 대한 음의 입력을 공통 참조로 사용합니다 (그림 4 참조). 단일 종단형 설정은 입력을 하나만 사용하기 때문에 같은 개수의 물리적 채널을 사용하는 차동 설정 시스템에 비해 두 배 더 많은 측정을 수행할 수 있습니다. 하지만 이렇게 하면 단일 종단형 측정이 접지 루프에 취약해져 측정 정확도가 떨어질 수 있습니다.

다음은 두 가지 유형의 단일 종단형 측정 시스템입니다.

• 접지 RSE (GRSE) 또는 RSE 시스템에는 계측기 접지에 연결된 공통 참조 채널이 있습니다. 그림 4에 나와 있는 RSE 시스템의 예에서 계측기 접지 채널에는 AI GND라고 표시되어 있습니다.

그림 4: GRSE 또는 RSE 시스템 공통 참조 채널이 계측기 접지에 연결되어 있습니다.

• NRSE 계측기는 공통 포인트를 참조합니다. 그러나 공통 포인트는 계측 증폭기의 음극 터미널에서 전달되는 전압입니다. 그림 5의 NRSE 예에서 공통 참조는 AI SENSE 라인입니다. 따라서 측정된 전압은 CH X와 AI SENSE 채널의 전압 간 전위차입니다.

그림 5: NRSE 계측기의 공통 포인트는 계측 증폭기의 음극 터미널에서 전달되는 전압입니다.

신호 소스 접지 타입과 계측기 설정을 특성화했으니 이제 신호 소스와 계측기 설정을 어떻게 조합했을 때 가장 정확한 결과를 얻을 수 있는지 살펴보겠습니다.

접지된 신호 소스 측정하기

전체 시스템에 추가 접지가 필요하지 않기 때문에 접지된 신호 소스는 차동 또는 NRSE 계측기 설정을 사용하여 가장 정확히 측정할 수 있습니다. 시스템에 접지가 추가되면 접지 루프가 발생할 수 있습니다. 접지 루프는 측정 어플리케이션의 일반적인 노이즈 소스입니다.

접지 루프는 회로에 연결된 두 터미널이 서로 다른 접지 전위에 있을 때 발생하여 두 지점 사이에 전류가 흐릅니다. 신호 소스의 접지는 계측기 접지보다 몇 볼트 높거나 낮을 수 있습니다. 이 추가 전압 때문에 측정 자체에서 에러가 발생될 수 있습니다. 또한 흐르는 전류가 주변 와이어에 전압을 유도하여 측정 시 또 다른 에러가 발생할 수 있습니다. 이러한 에러는 측정된 신호에 추가된 스칼라 또는 주기적인 신호로 나타날 수 있습니다. 예를 들어, 접지 루프가 미국과 일부 국가의 표준 전원 라인 주파수인 60Hz AC 전원 라인으로 형성된 경우 측정 시 원치 않는 60Hz AC 신호가 주기적인 전압 에러로 나타날 수 있습니다.

측정된 전압인 V_m을 계산하려면 아래의 식 4를 사용합니다.

식 4: 접지 루프가 있는 상태에서 측정된 전압

여기서 각 항은 다음과 같습니다.

위의 식 4를 사용하면 접지 루프가 있을 때 측정된 전압을 얻을 수 있습니다. 60 Hz 전원 라인 예를 계속해서 살펴보면 ΔV_g는 스칼라 오프셋이 아니라 시간에 따라 변하는 값입니다. 따라서 측정된 신호가 측정된 전압에 대한 단순한 오프셋 에러로 보이지 않고 주기적인 것으로 보입니다.

그림 6은 접지 루프가 있는 시스템을 회로도 형태로 나타낸 것입니다. 전압 소스 V_s를 RSE 설정을 사용하는 계측기로 측정하면 그림 6에 나와 있는 식 오른쪽에 있는 회로도를 사용하여 식 왼쪽의 회로도를 단순화할 수 있습니다. 이는 식 4의 계산에 맞습니다.

그림 6: 접지 참조 시스템으로 측정된 접지된 신호 소스는 접지 루프와 측정 시 에러를 발생시킵니다.

그림 6과 같은 접지 루프를 방지하려면 차동 또는 NRSE 계측기 설정을 사용하거나 절연된 측정 하드웨어를 사용하여 신호 소스와 측정 시스템에 접지 참조를 하나만 두어야 합니다. 이 내용은 계측기 기본 시리즈의 측정 시 절연 종류 및 고려사항 백서에서 설명합니다.

플로팅 신호 소스 측정하기

차동, GRSE/RSE 또는 NRSE와 같이 언급된 모든 측정 설정을 통해 플로팅 신호 소스를 측정할 수 있습니다. 플로팅 소스와 함께 차동 또는 NRSE 측정 설정을 사용하는 경우 각 도선, 양극 (+), 음극 (-)에서 계측기 접지까지 바이어스 저항을 포함해야 합니다 (그림 7 참조).

^{그림 7: 차동 또는 NRSE 계측기 설정으로 플로팅 신호 소스를 측정할 경우 바이어스 저항이 필요합니다.}

바이어스 저항으로 계측 증폭기 입력에서 계측 증폭기 접지까지 DC 경로가 생깁니다. 바이어스 저항은 신호 소스를 로드하지 않고 신호 소스가 계측기 참조에 맞춰 플로팅될 수 있을 만큼 높아야 합니다. 그러나 바이어스 저항은 전압을 계측기 범위 내로 유지할 수 있을 만큼 작아야 합니다. 이러한 조건을 충족하기 위해 일반적으로 10kΩ~100kΩ 범위의 바이어스 저항이 생성됩니다. 항상 디바이스의 스펙 가이드를 다시 살펴보아 범위 내 바이어스 저항 값을 사용하고 있는지 확인해야 합니다.

플로팅 신호 소스를 측정할 때 차동 또는 NRSE 설정에서 바이어스 저항을 사용하지 않으면 측정된 신호가 불안정하거나 계측기의 양 또는 음의 전체 스케일 범위에 있을 수 있습니다.

GRSE/RSE 설정을 사용하여 플로팅 신호 소스를 측정하는 경우 바이어스 저항은 필요하지 않습니다. 단일 종단형 계측기 설정을 사용할 때 가장 정확한 측정 결과를 얻으려면 다음을 따르는 것이 좋습니다.

• 입력 신호가 1V 이상이어야 합니다.
• 신호 케이블은 비교적 짧고 케이블 주변에 노이즈가 없어야 합니다(또는 적절하게 차폐됨).
• 모든 입력 신호가 알려진 안정적인 공통 참조 신호를 공유할 수 있어야 합니다. 이 신호는 일반적으로 전압이 0V인 시스템의 한 지점입니다.

신호 소스와 계측기 설정의 권장 조합에 대한 요약은 그림 8을 참조하십시오. 접지 및 측정

^{그림 8: 계측기 설정과 신호 소스 타입을 요약한 그림}

• 측정 시스템에는 계측기와 신호 컨디셔닝이 포함됩니다. 계측기에 따라 신호 컨디셔닝은 계측기의 일부로 통합되거나 외부에 있을 수 있습니다.
• 신호 소스의 두 가지 주요 범주:
  • 접지된 신호 소스: 신호가 접지에 전기적으로 직접 연결되어 있습니다.
  • 플로팅 신호 소스: 신호가 접지에 전기적으로 직접 연결되어 있지 않습니다.
• 계측기에는 다음과 같은 세 가지 주요 측정 설정이 있습니다.
  • 차동: 두 개의 입력 채널을 사용하며 공통 모드 전압을 제거하기 때문에 가장 정확한 설정입니다.
  • 접지 참조된 단일 종단형 (GRSE) 또는 참조된 단일 종단형 (RSE): 하나의 채널과 계측기 접지만 사용하는 측정입니다. 그러나 이 단일 종단형 측정 타입은 노이즈에 취약합니다.
  • 참조되지 않은 단일 종단형 (NRSE): 하나의 채널과 접지되지 않은 공통 참조 포인트만 사용하는 측정 타입입니다. 그러나 이 시스템은 차동 측정에 비해 더 노이즈에 취약합니다.
• 접지된 신호 소스를 측정하려면 차동 또는 NRSE 계측기 설정을 사용하는 것이 좋습니다.
• 플로팅 신호 소스를 측정하려면 차동, GRSE/RSE 또는 NRSE 계측기 설정을 사용하는 것이 좋습니다.
  • 플로팅 신호 소스를 측정하려면 차동 또는 NRSE 계측기 설정에서 바이어스 저항을 사용해야 합니다.

• 아날로그 신호를 위한 필드 와이어링 및 노이즈 고려사항에 대해 자세히 알아보십시오.
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