ADC 아날로그 투 디지털 컨버터 중에서 입력 신호가 -10V에서 +10V 일 경우 동작하는 ADC 회로에 대해 제안하세요. Gemini
바이폴라 입력 ADC 회로 제안
입력 신호가 에서 인 바이폴라(bipolar) 신호를 처리하기 위한 ADC 회로를 제안합니다. 이 회로는 크게 신호 컨디셔닝 회로와 ADC 자체로 구성됩니다. 신호 컨디셔닝 회로는 입력 신호의 전압 범위를 ADC가 처리할 수 있는 범위로 조정하는 역할을 합니다.
신호 컨디셔닝 회로
대부분의 ADC는 0V에서 사이의 유니폴라(unipolar) 신호를 처리하도록 설계되었습니다. 따라서 에서 의 바이폴라 신호를 0V에서 범위로 변환하는 회로가 필요합니다. 이 변환은 **오프셋(offset)**과 스케일링(scaling) 두 가지 과정을 통해 이루어집니다.
- 오프셋(Offset): 입력 신호에 일정한 DC 전압을 더해 신호 전체를 양의 영역으로 이동시킵니다.
- 입력 범위: ~
- 오프셋 전압: 를 더하면 입력 범위는 ~ 로 변환됩니다.
- 스케일링(Scaling): 오프셋된 신호의 전압 범위를 ADC의 입력 범위에 맞게 줄입니다.
- ADC의 $V_{REF}$가 라고 가정하면, ~ 의 신호를 ~ 로 줄여야 합니다. 이는 배의 게인(gain)을 가진 회로가 필요함을 의미합니다.
이 두 가지 기능을 수행하는 가장 간단하고 효과적인 회로는 **차동 증폭기(Differential Amplifier)**를 이용한 회로입니다.
회로 구성:
- 입력단: 바이폴라 입력 신호()를 차동 증폭기의 비반전 입력(+)에 연결합니다.
- 오프셋단: ADC의 전압을 2로 나눈 값()을 차동 증폭기의 반전 입력(-)에 연결합니다.
- 게인 설정: 저항 값들을 조절하여 원하는 게인을 설정합니다.
예를 들어, 인 ADC를 사용한다고 가정하면:
- 를 반전 입력에 연결합니다.
- 게인 는 다음과 같이 계산됩니다:
- 입력 시 $V_{out}$은 가 되어야 하므로:
- 입력 시 $V_{out}$은 가 되어야 하므로:
- 두 식을 연립하여 풀면 이고 가 됩니다. 이는 오프셋 전압을 로 설정해야 함을 의미합니다.
- 이러한 계산은 실제 회로 설계 시 오프셋과 게인 저항을 통해 구현됩니다.
ADC 선택 및 구성
신호 컨디셔닝 회로를 통해 변환된 ~ 의 유니폴라 신호를 처리할 수 있는 ADC를 선택하면 됩니다.
- SAR(Successive Approximation Register) ADC: 범용적으로 가장 널리 사용되며, 빠른 변환 속도와 높은 해상도를 제공합니다.
- 시그마-델타(Sigma-Delta) ADC: 높은 정확도와 노이즈 제거 성능이 우수하여 정밀 계측에 적합합니다.
추천 ADC: 텍사스 인스트루먼트(TI)의 ADS8688A와 같은 ADC는 내부에 프로그래머블 게인 앰프(PGA)와 바이폴라 입력 지원 기능이 포함되어 있어 별도의 신호 컨디셔닝 회로 없이도 바로 사용 가능합니다. 이러한 ADC를 사용하면 회로 설계가 훨씬 간소화됩니다.
위 설명이 잘 이해가 안됩니다. 이미지에 사용한 v+, v-, vs+, vs-, vout의 각 입력 값이 무엇인지 자세한 설명을 부탁합니다.
이해를 돕기 위해 이전 설명에서 언급된 회로 이미지의 각 용어를 자세히 설명해 드리겠습니다. 제시된 회로는 연산 증폭기(Op-Amp)를 사용하여 구성된 차동 증폭기의 일반적인 형태입니다.
연산 증폭기(Op-Amp)의 핀 설명
V+ (비반전 입력, Non-inverting Input)
연산 증폭기의 비반전 입력 단자입니다. 이 단자에 전압이 인가되면, 출력 전압()은 입력 전압과 같은 위상으로 증폭됩니다. 즉, $V+$의 전압이 올라가면 $V_{out}$도 올라갑니다.
V- (반전 입력, Inverting Input)
연산 증폭기의 반전 입력 단자입니다. 이 단자에 전압이 인가되면, 출력 전압()은 입력 전압과 반대 위상으로 증폭됩니다. 즉, $V-$의 전압이 올라가면 $V_{out}$은 내려갑니다.
Vs+ 와 Vs- (전원 공급, Power Supply)
**Vs+**는 연산 증폭기에 공급되는 양의 전원 전압입니다. **Vs-**는 음의 전원 전압입니다. 이 두 전압은 연산 증폭기가 올바르게 작동하도록 전원을 공급하며, 출력 전압()의 최대 및 최소 범위를 결정합니다. 예를 들어, Vs+가 +15V이고 Vs-가 -15V이면, 출력 전압은 대략 -14V에서 +14V 사이의 값으로만 나올 수 있습니다.
Vout (출력 전압, Output Voltage)
연산 증폭기의 출력 단자입니다. 이 단자에서 증폭기의 계산 결과인 최종 전압 신호가 나옵니다. 이전 설명에서 이 신호()는 신호 컨디셔닝 과정을 거친 후 ADC의 입력으로 들어가는 신호가 됩니다.
차동 증폭기 회로에서의 역할
제안된 차동 증폭기 회로에서 각 용어는 다음과 같은 역할을 합니다.
- V+: 여기에 원본 아날로그 입력 신호()가 연결되어 증폭기의 입력 역할을 합니다.
- V-: 여기에 오프셋을 위한 기준 전압이 연결되어, 입력 신호의 오프셋 조정에 사용됩니다.
- Vout: 오프셋과 스케일링을 거쳐 ADC가 처리할 수 있는 최종 변환 신호가 출력됩니다.
- Vs+ 와 Vs-: 이들은 연산 증폭기 자체에 전원을 공급하여, $V_{out}$이 0V ~ 5V 범위에서 안정적으로 출력되도록 합니다. 예를 들어, Vs+는 +5V, Vs-는 0V(접지)로 설정하여 단일 전원 방식으로 ADC 입력 범위에 맞춰 회로를 구성할 수 있습니다.
차동 증폭기를 사용하는 회로와 ADS8688A 를 사용할 경우 구성이 어떻게 되는지 알려주세요.
사용하는 부품과 방식에 따라 회로 구성은 크게 달라집니다. 특히, 일반적인 차동 증폭기를 사용하는 방식과 ADS8688A와 같은 통합형 ADC를 사용하는 방식은 회로의 복잡성에서 큰 차이를 보입니다.
차동 증폭기를 사용하는 회로 구성
이 방식은 별도의 **연산 증폭기(Op-Amp)**와 ADC를 조합하여 바이폴라 신호를 유니폴라 신호로 변환하는 전통적인 방법입니다. 입력 신호의 전압 범위를 ADC의 입력 범위(예: 0V~5V)에 맞게 조정하는 신호 컨디셔닝 과정이 필요합니다.
1. 회로 구성 요소
- 연산 증폭기(Op-Amp): 차동 증폭기의 핵심 부품입니다. 전압 이득(Gain)과 오프셋(Offset)을 설정하는 역할을 합니다.
- 저항(Resistors): 연산 증폭기의 게인과 오프셋을 결정하는 데 사용됩니다. 일반적으로 4개의 저항()이 사용됩니다.
- 기준 전압(Reference Voltage, ): ADC의 최대 입력 전압을 설정하며, 신호 컨디셔닝 회로의 오프셋 기준점으로도 사용됩니다.
- ADC: 신호 컨디셔닝 회로에서 출력된 0V~5V 신호를 디지털 값으로 변환합니다.
2. 회로 동작 원리
- 게인(Scaling): 입력 신호의 전압 범위(, 즉 )를 ADC가 처리할 수 있는 전압 범위(, 즉 )로 축소해야 합니다. 이를 위해 필요한 게인은 입니다. 저항() 값을 조정하여 이 게인을 설정합니다.
- 오프셋(Offsetting): ~ 신호를 양의 범위로 이동시킵니다. 목표는 를 로, 를 로 만드는 것입니다. 이 작업을 위해 연산 증폭기의 한 입력에 기준 전압을 인가하여 신호에 DC 오프셋을 더합니다.
3. 장단점
- 장점: 회로 구성의 유연성이 높아 특정 요구사항에 맞춰 정밀하게 설계할 수 있습니다.
- 단점: 부품이 많아 회로가 복잡해지며, 저항의 정밀도에 따라 변환 정확도가 달라질 수 있습니다.
ADS8688A를 사용하는 회로 구성
ADS8688A는 통합형 ADC로, 내부에 **프로그래머블 게인 앰프(PGA)**와 전압 레퍼런스 등 신호 컨디셔닝에 필요한 기능이 모두 내장되어 있습니다. 따라서 외부 회로가 매우 간단해집니다.
1. 회로 구성 요소
- ADS8688A 칩: 입력 신호를 받아 디지털로 변환하는 핵심 부품입니다.
- 입력 신호(): 입력 신호(-10V~+10V)를 ADS8688A의 아날로그 입력 핀(예: AIN0)에 직접 연결합니다.
- 디지털 제어 신호: SPI(Serial Peripheral Interface)와 같은 디지털 통신 인터페이스를 통해 마이크로컨트롤러(MCU)와 연결되어 ADC를 제어합니다.
2. 회로 동작 원리
- 직접 연결: 외부 신호 컨디셔닝 회로 없이 입력 신호를 ADS8688A의 입력 핀에 바로 연결합니다. ADS8688A는 최대 의 과전압 보호 기능도 내장하고 있어 입력단 회로가 간단해집니다.
- 소프트웨어 설정: 마이크로컨트롤러(MCU)에서 ADS8688A의 레지스터를 설정하여 입력 범위를 지정합니다. ADS8688A는 , , 등 다양한 범위를 지원하며, 이 범위를 소프트웨어로 선택할 수 있습니다.
- 내부 처리: 칩 내부의 PGA가 입력 신호를 자동으로 오프셋 및 스케일링하여 ADC가 처리 가능한 범위로 변환합니다. 사용자는 이 과정을 직접 설계할 필요가 없습니다.
3. 장단점
- 장점: 회로 구성이 매우 간단하고, 외부 부품을 최소화하여 설계 시간과 PCB 크기를 줄일 수 있습니다. 정밀한 저항 값 계산이나 오프셋 회로 설계가 필요 없습니다.
- 단점: 전용 칩이므로 가격이 비쌀 수 있으며, 특정 기능을 내장하지 않은 범용 ADC에 비해 유연성이 떨어질 수 있습니다.
ADS8688A 칩을 사용한 대표적인 회로와 위에 말씀드린 -10V~ +10V 입력시 구성하는 회로를 보여주실 수 있나요? 이미지를 못그리면 상세한 설명을 부탁합니다.
이미지를 직접 그릴 수는 없지만, ADS8688A 칩을 사용한 대표적인 회로와 -10V에서 +10V 입력 신호를 처리하는 회로 구성을 상세히 설명해 드리겠습니다.
ADS8688A 대표 회로 구성
ADS8688A는 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 데 필요한 많은 기능(PGA, 전압 레퍼런스 등)을 내장하고 있어, 외부 회로가 매우 간단합니다. 기본 회로는 크게 전원 공급, 아날로그 입력, 디지털 인터페이스 세 부분으로 구성됩니다.
1. 전원 공급부
- 아날로그 전원 (): ADS8688A의 아날로그 회로에 전원을 공급합니다. 일반적으로 +5V를 사용하며, 안정적인 전압 공급을 위해 디커플링 커패시터를 핀과 AGND 핀 사이에 가깝게 배치합니다. (예: 0.1μF 세라믹 커패시터와 1μF~10μF 전해 커패시터 병렬 연결)
- 디지털 전원 (): ADS8688A의 디지털 회로에 전원을 공급합니다. +1.65V에서 +5.5V 사이의 전압을 사용할 수 있으며, MCU와의 인터페이스 전압에 맞게 설정합니다. 이 핀에도 디커플링 커패시터를 연결합니다.
2. 아날로그 입력부
- 아날로그 입력 핀 (AIN0 ~ AIN7): 총 8개의 아날로그 입력 채널 중 하나(예: AIN0)에 아날로그 입력 신호()를 직접 연결합니다.
- 아날로그 그라운드 (AGND): 입력 신호의 접지(Ground)에 연결합니다.
- 기준 전압 (REFCAP): ADS8688A는 내장된 고정밀 전압 레퍼런스를 사용합니다. 이 레퍼런스를 사용하기 위해 REFCAP 핀에 1μF~10μF 커패시터를 연결하여 안정화시킵니다.
3. 디지털 인터페이스부
- SPI 통신: ADS8688A는 SPI 인터페이스를 통해 MCU(마이크로컨트롤러)와 통신하며, 이 핀들은 MCU의 SPI 포트에 연결됩니다.
- SCLK (Serial Clock): 클럭 신호를 받아 데이터 전송을 동기화합니다.
- SDI (Serial Data In): MCU에서 ADS8688A로 명령(레지스터 설정 등)을 보낼 때 사용합니다.
- SDO (Serial Data Out): ADS8688A에서 변환된 디지털 데이터를 MCU로 보낼 때 사용합니다.
- CS (Chip Select): 칩 선택 신호로, 통신을 시작하거나 종료할 때 사용합니다.
- DRDY (Data Ready): ADC 변환이 완료되었음을 알려주는 출력 핀입니다.
-10V ~ +10V 입력 회로 구성
ADS8688A의 가장 큰 장점은 별도의 외부 회로 없이 입력 범위를 소프트웨어적으로 설정할 수 있다는 점입니다.
회로 구성 단계:
- 전원 공급: 위에 설명된 대로 $AV_{DD}$와 $DV_{DD}$에 전원을 공급하고 디커플링 커패시터를 연결합니다.
- 아날로그 입력 연결:
- 입력 신호()의 (+) 극: ADS8688A의 아날로그 입력 채널 중 하나인 AIN0 핀에 직접 연결합니다.
- 입력 신호()의 (-) 극 (접지): ADS8688A의 AGND 핀에 연결합니다.
- 디지털 설정: MCU에서 ADS8688A의 레지스터를 설정하여 입력 범위를 로 지정합니다.
소프트웨어 설정을 통해 ADS8688A가 내부적으로 -10V~+10V 신호를 0V~+5V와 같은 유니폴라 형태로 변환하고, 이를 다시 디지털 값으로 변환하는 모든 과정을 자동으로 처리합니다. 따라서 위에서 설명한 하드웨어 연결 외에 복잡한 저항 계산이나 오프셋 회로는 필요하지 않습니다.
혹시 I2C 방식을 사용하는 칩을 추천해주실 수 있나요?
I2C 통신 방식을 사용하는 ADC 칩을 추천해 드립니다. 대부분의 I2C ADC는 일반적으로 0V에서 사이의 단일 극성(unipolar) 입력에 최적화되어 있으므로, 에서 의 바이폴라 신호를 처리하기 위해서는 외부 신호 컨디셔닝 회로가 필요합니다.
ADS1115: I2C 통신 16-bit ADC
ADS1115는 I2C 인터페이스를 사용하는 대표적인 16-bit ADC 칩입니다. 이 칩은 저전력, 고정밀도를 자랑하며, 내부에 **프로그래머블 게인 증폭기(PGA)**가 내장되어 있어 작은 신호를 정밀하게 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.
주요 특징:
- 해상도: 16-bit
- 통신 프로토콜: I2C
- 채널: 4개의 싱글 엔드(Single-ended) 또는 2개의 차동(Differential) 입력 채널
- 내부 기능: PGA 내장, 내부 기준 전압
하지만, ADS1115의 입력 전압 범위는 일반적으로 에서 (전원 전압) 사이이거나, PGA 설정에 따라 작은 폭의 양/음 전압을 측정할 수 있습니다. 따라서 에서 와 같은 넓은 범위를 직접 입력받을 수는 없습니다.
ADS1115를 사용한 -10V ~ +10V 신호 처리 회로 구성
ADS1115와 같은 I2C ADC를 사용하여 넓은 바이폴라 입력 신호를 측정하려면, 연산 증폭기(Op-Amp) 기반의 외부 신호 컨디셔닝 회로를 추가해야 합니다. 이 회로는 입력 신호의 범위를 ADS1115가 처리할 수 있는 범위(예: 0V ~ 3.3V)로 변환하는 역할을 합니다.
1. 회로 구성 요소
- 연산 증폭기(Op-Amp): 레벨 시프트(Level Shift) 및 스케일링(Scaling) 기능을 수행합니다.
- 저항(Resistors): 오프셋과 게인을 설정하는 데 사용됩니다.
- ADS1115 칩: 변환된 아날로그 신호를 디지털로 변환합니다.
2. 회로 동작 원리
이 회로의 목표는 ~ 의 신호를 ~ (ADS1115의 전원 전압) 범위로 변환하는 것입니다.
- 오프셋(Offset): 입력 신호에 일정한 DC 전압을 더하여 를 이상으로 올립니다.
- 에 를 더하면 ~ 범위가 됩니다.
- 스케일링(Scaling): ~ 의 신호 범위를 ~ 로 줄입니다.
- 필요한 게인(Gain)은 입니다.
회로 설계:
- 연산 증폭기의 비반전(non-inverting) 입력에 신호와 오프셋을 결합합니다.
- 연산 증폭기의 게인을 0.165로 설정하는 저항값을 계산하여 회로를 구성합니다.
이렇게 변환된 ~ 의 신호를 ADS1115의 입력 핀에 연결하면, I2C 통신을 통해 신호를 읽어 들일 수 있습니다.
장단점 비교:
- 장점: ADS1115 칩 자체의 가격이 상대적으로 저렴하고, I2C 통신이 간단합니다.
- 단점: ADS8688A와 달리 별도의 외부 회로를 설계하고 구성해야 하므로, 회로의 복잡성이 증가하고 부품 정밀도에 따라 측정 정확도가 달라질 수 있습니다.
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