크리스털의 정밀도를 나타내는 PPM, Parts per Million 단위

 

프로세서의 클럭을 만들거나 RF 회로의 동조주파수를 만들 때 주로 사용되는 크리스털(crystal)은 저렴한 가격에 정밀한 주파수의 클럭을 만들 수 있다. 하지만 제아무리 정확한 크리스털일지라도 오차는 있기 마련이고, 크리스털의 오차를 표기하는 단위로 PPM(Parts per Million) 단위가 사용된다.

 

PPM은 백만분의 1로 생각하면 간단하다.

 

일반적인 크리스털의 오차 범위는 대략 100PPM 가량 된다. RTC를 만들 때 많이 사용되는 32.768kHz 크리스털을 이용해 하루가 지난 후에 얼마나 시간 오차가 있을 수 있는지 살펴보자.

 

1 day = 24 hour * 60 min * 60 sec = 86400 sec

 

100PPM인 크리스털이라면 86400 * 100 / 1000000 = 8.64 sec. 즉 하루에 최대 8.64초 만큼 시간 오차가 생길 수 있음을 의미한다.

 

생각보다 큰 오차다. 하루에 8초씩이라니...

 

보다 정밀한 동작을 요구하는 시스템에는 5~20PPM 정도로 정밀도가 높은 크리스털을 사용하고, 크리스털의 load capacitor에 trimmer를 넣어 수동으로 캘리브레이션 해서 사용하기도 한다. 이렇게 잘 조정된 발진 시스템의 정밀도는 1PPM 이하로 내려가기도 한다. 물론 온도와 전원 노이즈 등의 영향으로 언제나 칼같이 정밀한 발진 시스템을 만드는 것은 불가능하다.

 

좀 더 정밀도를 요구하는 특수한 상황에는 온도보상형 크리스털(TCXO)이나 오븐 크리스털(OCXO)들이 쓰이기도 한다. TCXO는 온도를 센싱 해서 보상하는 회로를 추가한 크리스털 발진회로이고, OCXO는 아예 크리스털 발진회로 전체를 내장된 히터를 이용해 특정 온도로 가열한 상태로 사용하는 장치다. 온도에 영향을 받으니 아예 온도를 고정시켜 버리자는 깜찍한 발상. OCXO는 0.001PPM 까지 정밀도가 내려가기도 한다.

 

이런 정밀한 발진 시스템은 통신, 암호화 분야에서 많이 사용된다. 무선 통신을 하는 양쪽에서 동기화된 클럭에 기준하여 변복조하는 시스템에서 시간 동기화는 중요한 이슈이다. 요즘에는 GPS의 덕분에 크리스털과 같은 로컬 동기 솔루션의 쓰임세가 많이 줄어들었다. 저렴한 GPS 모듈 하나만 달면 GPS로부터 PPS 시그널을 받아 사용할 수 있고, 이 시간의 정밀도는 0.001~0.00001PPM에 해당한다.  

 

그냥 모터 참고~ 모터 펄스 카운터 때문에 - 모터 기초 용어 풀이

 

 

PPM (Parts Per Million)은 크리스털의 주파수 안정도를 나타내는 단위로, 100만 분의 1을 의미합니다. 크리스털의 PPM 값이 낮을수록 주파수 오차가 작아 더욱 정확한 시간 측정이 가능합니다. 예를 들어, 10PPM 오차를 가진 크리스털은 1MHz 주파수에서 10Hz의 오차가 발생할 수 있습니다. 

 

PPM (Parts Per Million)의 의미:

• 백만 분율: PPM은 백만 분의 일 (1/1,000,000)을 나타내는 단위입니다.
• 주파수 안정도: 크리스털 발진기의 주파수 안정도를 나타낼 때 사용됩니다.
• 오차 범위: PPM 값은 크리스털의 주파수 허용 편차를 의미하며, 예를 들어 10ppm 오차는 1MHz 기준 +/- 10Hz의 오차를 가질 수 있습니다. 
   

크리스털의 PPM과 시간 측정:

• 시간 오차:

  크리스털의 PPM 오차는 시간 측정에서 오차로 이어질 수 있습니다. 

   
• 일반적인 크리스털:

  일반적인 크리스털은 대략 100ppm 정도의 오차 범위를 가집니다. 

   
• 정밀한 시간 측정:

  정밀한 시간 측정이 필요한 경우, 더 낮은 PPM 값을 가진 크리스털을 사용해야 합니다. 

   
• 예시:

  32.768kHz 크리스털을 사용하여 시간을 측정할 때, 10ppm 오차는 하루에 약 2.8초의 오차를 발생시킬 수 있습니다. 

   

온도 변화와 PPM:

• 온도 변화에 따른 오차:

  크리스털의 주파수는 온도 변화에 영향을 받습니다.
• R.T. tolerance:

  상온을 기준으로 한 온도 변화 없이 주파수 변화 폭을 측정한 값입니다.
• T.C. tolerance:

  크리스털이 사용되는 환경 온도 변화 범위 내에서 주파수 변화 폭을 측정한 값입니다.
• Overall tolerance:

  R.T. tolerance와 T.C. tolerance를 구분하지 않고 전체적인 오차 범위를 의미합니다. 

   

추가 정보:

• TCXO:

  온도 보상형 발진기 (Temperature Compensated Crystal Oscillator)는 온도 변화에 따른 주파수 변화를 보상하여 더욱 안정적인 주파수를 제공합니다.
• 정밀 발진기:

  잘 조정된 발진 시스템은 1ppm 이하의 정밀도를 달성할 수도 있습니다. 

 

 

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