측정 시스템에 적합한 데이터 수집 하드웨어 선택 시 고려 사항

측정하거나 생성할 신호의 유형

상이한 유형의 신호는 다른 방식으로 측정되거나 생성되어야만 한다. 센서(또는 트랜스듀서)가 물리적 현상을 측정 가능한 전기 신호(전압 또는 전류)로 변환하는 장치여서, 엔지니어는 측정 가능한 전기 신호를 센서로 보내 물리 현상을 생성할 수 있다.

이 때문에 엔지니어는 각기 다른 신호 유형과 그 속성을 정확히 이해해야만 하며, 애플리케이션의 신호에 기초해 어떤 데이터 수집 장치를 사용할지에 관해서도 결정을 내려야 한다. 이 같은 데이터 수집 장치의 기능에는 △ 아날로그 신호를 측정하는 아날로그 입력 △ 아날로그 신호를 생성하는 아날로그 출력 △ 디지털 신호를 측정하고 생성하는 디지털 입출력 △ 디지털 이벤트를 카운팅하거나 디지털 펄스/신호를 생성하는 카운터/타이머 등이 있다.

장치들 중에는 위에서 언급한 기능 중 하나만 지니고 있는 장치도 있고, 위의 기능 전체를 지원하는 다기능 장치도 있다. 이로 인해 사용자는 단일 함수(아날로그 입력·아날로그 출력·디지털 입출력 또는 카운터)를 위한 고정 채널 개수의 데이터 수집 장치를 활용할 수도 있지만, 현재 필요한 채널 개수보다 더 많은 채널을 지니고 있는 장치를 구입해 필요 시 채널 개수를 늘릴 수도 있다.

이때 엔지니어가 주의해야 할 점은 현재의 애플리케이션에 맞는 기능만을 갖춘 장치를 구입하면, 향후 새로운 애플리케이션에 맞는 하드웨어를 사용하기 어렵다는 것이다. 한편, 다기능 데이터 수집 장치에서는 채널 개수가 고정돼 있지만, 엔지니어는 아날로그 입력·아날로그 출력·디지털 입출력·카운터를 조합해 활용할 수 있다.

또한, 다기능 장치는 다양한 I/O 유형을 지원하므로, 단일 기능 데이터 수집 장치보다는 다양한 애플리케이션에 적합하다. 이 밖의 옵션으로는 사용자의 요구를 직접 정의하는 모듈형 플랫폼이 대표적인데, 모듈형 시스템은 타이밍 및 동기화를 제어하는 섀시와 다양한 I/O 모듈로 이뤄진다.

만약 엔지니어가 모듈형 시스템을 활용한다면, 고유한 목적을 위해 제작된 각 모듈을 선택할 수 있어 더욱 다양한 설정을 진행할 수 있게 된다. 사용자는 이 같은 옵션으로 다기능 장치보다는 더욱 정밀한 한 가지 기능을 수행하는 모듈을 활용할 수 있다. 또한, 엔지니어는 지금까지 설명한 모듈형 시스템이 갖추고 있는 섀시의 슬롯 개수를 선택할 수도 있다.

신호 컨디셔닝의 필요 여부

일반적인 범용 데이터 수집 장치는 ±5V 또는 ±10V를 측정하거나 생성한다. 엔지니어는 이 같은 데이터 수집 장치 유형을 통해 일부 센서를 직접 측정할 수 없다. 한편, 대부분의 센서는 측정 이전에 증폭 또는 필터링과 같은 신호 컨디셔닝을 요구하는데, 이는 데이터 수집 장치가 신호를 효율적이고 정밀하게 측정할 수 있도록 지원한다.

신호 컨디셔닝은 데이터 수집 시스템의 성능과 측정 정확도를 개선하므로, 엔지니어에게 데이터 수집 장치만을 사용하는 경우보다 더 큰 이점을 줄 수 있다.

수집하거나 생성할 신호 샘플의 속도

데이터 수집 장치의 ADC가 신호의 샘플을 얻는 속도를 뜻하는 샘플링 속도는 데이터 수집 장치의 중요 사양 중 하나다. 일반적인 샘플링 속도는 하드웨어나 소프트웨어에 의한 타이밍을 뜻하며, 최고 속도는 2MS/s에 이른다.

애플리케이션의 샘플링 속도는, 엔지니어가 측정 또는 생성하고자 하는 신호의 최고 주파수 요소에 따라 결정된다. 나이퀴스트 이론에 따르면, 엔지니어는 자신이 원하는 최고 주파수 성분의 2배를 샘플링해 신호를 정확히 재구성할 수 있다. 하지만 현실에서는 신호의 모양을 표현하기 위해 최고 주파수의 최소 10배를 샘플링하는 작업이 필요하다.

만약 엔지니어가 이 점에 착안해 신호 주파수의 최소 10배를 샘플링하는 데이터 수집 장치를 선택한다면, 신호를 더욱 정확하게 측정하거나 생성할 수 있게 된다. 결국 엔지니어는 애플리케이션에서 주파수가 1kHz인 사인파를 측정하고자 할 때, 나이퀴스트 이론에 따라 10kHz로 샘플링을 진행해야 한다.

감지해야 하는 신호 변경의 최소 단위

신호에서는 감지할 수 있는 가장 작은 변화가 데이터 수집 장치에 필요한 분해능을 결정하며, 분해능은 ADC가 신호를 표시하기 위해 활용하는 2진 레벨의 수를 나타낸다. 일반적인 데이터 수집 장치의 전압 범위는 ±5V 또는 ±10V인데, 표현 가능한 전압 레벨은 전체 분해능을 활용하기 위해 선택된 범위 내에서 균등하게 분배된다. 예를 들어, ±10V의 범위와 12bit의 분해능을 지닌 데이터 수집 장치는 5mV에 이르는 변경을 감지하며, 16bit 분해능은 300㎶의 변경을 파악한다.

일반적으로 여러 애플리케이션은 12·16·18bit의 분해능을 제공하는 장치에 적합하지만, 작고 큰 전압 범위의 센서를 측정할 때에는 24bit 장치에서 활용 가능한 다이내믹 데이터 범위가 유용하다. 이 같은 점들을 종합했을 때, 애플리케이션에 요구되는 전압 범위와 분해능이 엔지니어에게 적합한 장치를 선택할 때 고려돼야 하는 주요 요소임을 알 수 있다.

애플리케이션에 허용되는 측정 에러의 정도

정확도는 측정된 신호값을 계측기가 충실하게 표시할 수 있는 능력을 측정한 수치다. 정확도가 분해능과 관련돼 있는 것은 아니지만, 정확도가 계측기의 분해능보다 높을 수는 없다. 일반적으로 측정 정확도를 명시하는 방법은 측정 장치의 유형에 따라 다르다.

만약 이상적인 계측기가 존재한다면, 100%의 정확도로 값을 측정하겠지만, 현실적으로는 일정 정도의 오차가 생길 수밖에 없다. 불확실성은 △ 시스템 노이즈 △ 이득 에러 △ 오프셋 에러 △ 비선형성 등에 의해 결정된다. 이와 관련해 제조업체가 제공하는 불확실성에 관한 일반적인 사양에는 ‘절대 정확도’가 있다.

한편, 계측기의 정확도는 계측기뿐만 아니라 측정되는 신호의 유형에 의해서도 결정되는데, 만약 측정되는 신호에서 노이즈가 발생한다면, 측정 정확도가 영향을 받게 된다. 엔지니어는 이 점을 고려해 다양한 정확도와 가격으로 구성된 데이터 수집 장치 중에 자신에게 가장 적합한 것을 선정한 후 활용해야 하는데, 일부 장치는 정확도 향상을 돕는 △ 자기 교정 △ 절연 △ 기타 회로를 제공한다.

기본 데이터 수집 장치의 절대 정확도는 100mV 이상이지만, 정확도 향상을 지원하는 기능을 내장한 고성능 장치는 1mV에 가까운 절대 정확도를 제공한다. 이에 엔지니어는 정확도와 관련된 조건을 정확히 이해한 후, 본인의 애플리케이션이 요구하는 절대 정확도를 제공할 수 있는 데이터 수집 장치를 선택해야 할 것이다.

자료 제공 : 한국내쇼날인스트루먼트