[Control] 아날로그(4-20mA) 를 디지털 신호로 변환 (A/D Converting)

 

  Analog Signal 이란

아날로그 신호는 연속적으로 변화하는 물리량을 나타내는 신호입니다. 이는 시간에 따라 부드럽게 변하는 값으로, 다양한 현상을 정확하게 표현할 수 있습니다. 예를들면

• 온도 : RTD/Thermocouple 등의 온도센서를 통해 온도값을 전기신호로 출력
• 유량 : 유체의 흐름량을 다양한 방식으로 측정하여 전기신호로 출력
• 압력 : 압전센서에 가해지는 힘의양을 측정하여 전기신호로 출력
• 레벨 : Tank의 수위를 다양한 방식으로 측정하여 전기신호로 출력

이 밖에도 거리, 전압, 전류, 속도, RPM 등 연속적으로 변화하는 물리량을 계측할 수 있는 모든 것들을 전기신호로 변환하여 그 수치를 제어부(PLC, Mi-com)에서 계측하고 제어 할 수 있는 모든 것들을 Analog Signal 이라 부를 수 있습니다.

 

 

 

  Analog to Digital Convert (A/D Convert)

 

계측기로부터 측정된 변화하는 연속된 물리량의 신호는 주로 전압/전류를 통해 들어옵니다. 각 계측기마다 보편적으로 사용하는 물리량은 정해져 있습니다. 예를 들어 RTD의 경우 저항값(Resistance), 압력계는 전압 등 측정된 물리량을 정해진 전기신호로 변환하여 줍니다.

 

이렇게 변환된 전기 신호, 즉 Analog Data는 제어부인 PLC나 Mi-com, SCADA, Transmitter, Controller 등에서 사용하기 위해서는 이산신호인 Digital Data로 변환해야 합니다.

 

이러한 행위를 Analog to Digital convert 라고 하며, 주로 A/D Converting 이라 합니다.

 

 

 

 

  샘플링 (Sampling)

AD converting을 할 때, 연속적인 전기신호 모두를 Digital로 변환 할 수는 없습니다. 모든 자연수는 무한이기 때문이죠. 예를 들어 0부터 9는 정수로 1씩 증가하면 한정적이지만 소수점으로 들어가게되면 무한하기 때문입니다. 그래서 일정간격의단위로 Analog 신호를 선별해서 Digital로 변환하는 과정을 거치게 되는데 이것이 바로 샘플링(Sampling) 입니다.

 

 

 

 샘플링 과정을 거치면서 많은 양의 데이터는 손실되는데, Sampling 주기 일 때의 데이터만을 선별해서 Digital 신호로 변환하기 때문입니다.

 

 

 

  분해능 (Resolution)

그렇다면, 최대한 원래의 신호 (Source Signal)과 같은 신호를 얻기 위해서는 어떻게 해야 할까요 ?

바로 샘플링 주기를 높이면 것입니다.

 

 

샘플링 주기를 높이면 더 자주 샘플링을 할 것이고, 더 자주 샘플링하면 할 수록 원신호와 더 가까워 질 수 있습니다. 

(하지만, 100% 원신호와 같을 순 없습니다)

 

그래서 이 샘플링 주기를 어떻게 하며 높일 수 있냐면, 

A/D Converter의 성능을 봐야 합니다.

세상의 모든 Analog to Digital 장치들은 이 분해능을 표기하고,

이 분해능이 곧 성능이고, 곧 가격입니다.

 

저렴한 제품의 경우 12bit(4096) 를 주로 사용하고, 정말 값비싼 장치의 경우 24bit(16777216)를 사용합니다.

 

  분해능의 적용

예를 들어, 0 ~ 10 m 까지 거리를 측정할 수 있는 장치가 있습니다. 

 

분해능이 12-bit 일때 : 

 

 

1-bit 에 측정 할 수 있는 최소 단위가 0.0024m 입니다.

이 말은 즉 0.0024m 이하의 변화량을 측정 할 수 없단 말과 같구요,

 

 

분해능이 24-bit 일때:

 

24-bit A/D의 경우 1-bit 당 0.00000059m 이하의 변화량을 감지할 수 없다는 뜻입니다.