TI, 벤치탑 테스트 장비에서 고도의 정밀한 데이터를 수집하는 방법

  • 2017-01-11 오후 2:37:05
  • 박종배 기자, jbpark@elec4.co.kr

DMM(Digital MultiMeter)은 모든 전자공학 연구소에서 사용되는 핵심적인 장비다. 전자기기의 정밀도가 계속해서 높아짐에 따라 전류, 전압, 저항, 여타 파라미터를 더 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 DMM이 요구되고 있다. 그러기 위해서는 더 높은 정확성 측정을 위해 DMM 내의 데이터 수집 시스템을 향상시켜야 한다. 이러한 데이터 수집 시스템의 핵심을 이루는 것이 바로 아날로그-디지털 컨버터(ADC)다. ADC는 입력 신호를 디지털화하고 이 데이터를 호스트 프로세서로 보낸다. 

이 글에서는 DMM과 관련한 ADC의 주요 특성들을 살펴볼 예정이다. 특히 핸드헬드 장비가 아닌 벤치탑 시스템 용으로 살펴본다. 그림 1은 통상적인 DMM에서 데이터 수집 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.  


그림 1. DMM 입력 신호 컨디셔닝 블록 다이어그램 

DMM에는 다양한 ADC 아키텍처를 사용할 수 있는데, 그 중 가장 일반적인 것이 SAR(Successive Approximation Register) ADC다. 속도, 분해능, 구성 가능성 면에서 뛰어나기 때문이다. 한편 델타-시그마 ADC는 높은 분해능을 제공할 수 있으며, 파이프라인 ADC는 샘플링 속도가 빠르다는 장점이 있다. 높은 분해능에다 빠른 응답 시간의 장점까지 결합한 SAR ADC는 DMM을 빠르고 정확하게 측정할 수 있게 한다. 오늘날 SAR ADC가 계속해서 분해능이 높아짐에 따라 델타-시그마 ADC는 고정밀 시스템 용으로 사용하기에 적합하다. 

오늘날 DMM은 통상적으로 분해능이 최소한 16 bit이고 샘플링 속도가 최소한 100 kSPS(초당 10만 샘플)인 ADC를 사용한다. 갈수록 고도의 정확성이 DMM에 요구됨에 따라 더 높은 속도와 분해능을 제공하는 ADC가 필요하다. 분해능이 높아지면 정확도는 향상되나 잡음에는 훨씬 더 취약해지기 때문이다. 잡음이 시스템 성능에 미치는 영향을 완화하기 위해서는 더 높은 속도로 샘플링을 하고 다중의 측정을 평균을 내서 (오버 샘플링) 디지털적인 필터링을 하는 방법도 있다.

이와 같이 더 높은 분해능과 속도를 필요로 하는 시스템을 위해 TI는 ADS8900B 정밀 SAR ADC 제품을 제공하고 있다. 이 제품은 높은 분해능, 빠른 샘플링 속도, 뛰어난 AC/DC 성능을 자랑한다. 표 1은 이들 제품 군의 사양을 보여준다.

 구분

 ADS890xB

 ADS891xB

 ADS892xB

분해능

 20 bits

 18 bits

 16 bits

속도 

 Up to 1 MSPS

 Up to 1 MSPS

 Up to 1 MSPS

INL(typ)

 ±1 ppm

 ±0.5 LSB

 ±0.5 LSB

신호대잡음비(typ)

 104.5 dB

 102.5 dB

 96.8 dB

총 고조파 왜곡(THD, typ)

 -125 dB

 -125 dB

 -125 dB

패키지

 4×4 mm QFN

 4×4 mm QFN

 4×4 mm QFN

표 1. ADS8900B 제품 사양 

고성능 ADC인 ADS8900B는 전압 레퍼런스를 위한 연산 증폭기 버퍼를 통합하면서 외부 레퍼런스 버퍼에 대한 두 가지 이점을 제공한다. 그림 2는 데이터 수집 시스템을 위한 외부 레퍼런스와 내부 레퍼런스 버퍼를 비교한다. 

 

 그림 2. 외부 전압 레퍼런스 버퍼 vs. 내부 전압 레퍼런스 버퍼

버퍼를 통합한 ADC를 사용함으로써 얻을 수 있는 첫 번째 이점은 시스템 성능을 향상시킨다는 것이다. ADC는 REF5050 같은 고정밀 전압 레퍼런스를 요구한다. 입력 신호로 이 레퍼런스를 비교해 신호 전압을 결정한다. 그런데 전압 레퍼런스의 출력 전류는 통상적으로 수 밀리암페어(mA)에 불과하므로, 레퍼런스 버퍼를 사용함으로써 변환 사이클 시에 ADC가 필요로 하는 전류를 공급할 수 있고, 한편으로는 전압 레퍼런스로 드룹(droop)을 최소화할 수 있다. 

또한 ADC와 같은 동일 칩으로 레퍼런스 버퍼를 통합함으로써, 전압 레퍼런스로 왜곡을 낮추면서 ADC를 동작하도록 버퍼를 최적화하므로 외부적 버퍼를 사용할 때보다는 성능이 더욱 우수한 데이터 수집을 가능하게 한다. 두 번째 이점은 ADC와 버퍼를 함께 패키징함으로써 디스크리트 솔루션에 비해서 풋프린트를 줄일 수 있어 시스템을 소형화할 수 있다는 것이다.

ADS8900B 제품군은 차세대 디지털 멀티미터에 사용하도록 설계됐지만 여러 다른 애플리케이션에도 이 SAR ADC를 사용할 수 있다.

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