RTD 온도 측정 시스템의 ADC 요건

온도 시스템에 사용되는 온도 센서에는 여러 가지 유형이 있다. 사용하는 온도 센서는 측정하는 온도의 범위와 요구되는 정확도에 따라 달라진다. 센서와 함께 온도 시스템의 정확도를 결정하는 것이 센서에 연결된 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 성능이다. 센서에서 보내는 신호의 크기가 상당히 작기 때문에 고해상도 ADC가 필요한 경우가 많은데 Σ-Δ ADC는 해상도가 높기 때문에 이러한 시스템에서 사용하기 적합하다. 이 때 ADC에는 여자 전류(excitation current) 및 레퍼런스 버퍼처럼 온도 시스템에 필요한 회로 역시 칩 상에 추가로 내장돼 있다. 이 글에서는 흔히 사용되는 3선 및 4선 RTD(Resistance Temperature Detectors)에 관해 알아본다. 또한 센서를 ADC에 연결하는 데 필요한 회로를 살펴보고 ADC에 요구되는 성능 요건을 설명한다. 

글 : 아나로그디바이스(www.analog.com)
메리 매카시(Mary McCarthy) & 에이네 매카시(Aine McCarthy)

RTD = RTD는 -200에서 +800℃ 범위의 온도를 측정하는 데 유용하며 이 온도 범위에서 선형에 가까운 반응을 보인다. RTD에 대표적으로 사용되는 재료는 니켈, 구리, 백금으로 그 중에서도 100Ω과 1000Ω의 백금 RTD가 가장 흔히 사용된다.

RTD는 2선, 3선, 혹은 4선으로 구성되며 그 중에 가장 널리 사용되는 것은 3선 및 4선 RTD다. RTD는 여자 전류를 사용해 출력 전압을 생성하는 수동 센서다. 이러한 RTD의 출력 전압 수준은 어떤 RTD를 선택하는지에 따라 수십 밀리볼트에서 수백 밀리볼트까지 달라질 수 있다. 

3선 RTD 인터페이스와 빌딩 블록 = [그림1]은 3선 RTD 시스템을 보여준다. AD7124-4/AD7124-8에는 시스템에 필요한 빌딩 블록이 모두 포함돼 있다. 이러한 시스템을 완전히 최적화하려면 동일하게 일치시킨 전류원이 2개 필요하다.

이러한 2개의 전류원은 RTD의 RL1과 RL2로부터 발생하는 리드 저항 오류(lead resistance error)를 무효화하기 위해 사용된다. 2개의 전류원은 여자 전류로 이 중 하나는 정밀 레퍼런스 저항(RREF)과 RTD를 모두 통과해서 흐르고 다른 하나는 리드 저항인 RL2를 통과해 흘러 RL1을 지나 발생하는 전압 강하를 무효화하는 전류를 발생시킨다. 정밀 레퍼런스 저항을 거쳐 발생한 전압이 ADC에 공급될 때는 레퍼런스 전압인 REFIN1(±)이 된다. 

하나의 여자 전류가 레퍼런스 저항과 RTD를 통과해 양쪽 모두에 전압을 생성하기 때문에 전류원의 정확도, 불일치(mismatch), 그리고 불일치로 인한 드리프트는 전반적인 ADC 전송 기능에 최소한의 영향을 미친다.

AD7124-4/AD7124-8은 사용자가 여자 전류값을 선택해서 시스템을 조정할 수 있기 때문에 ADC의 입력 범위 대부분을 사용할 수 있으며 그 결과 성능이 향상된다.
ADC의 입력 범위를 대부분 사용하기 위해서는 RTD에서 발생하는 저수준의 출력 전압을 증폭시켜야 한다. AD7124-4/AD7124-8의 PGA는 1부터 128사이의 이득을 프로그래밍할 수 있어 사용자가 여자 전류값, 그리고 이득과 성능 중 어느 쪽을 더 우선시할지를 선택할 수 있다.

안티앨리어싱(anti-aliasing)과 EMC를 지원하기 위해서는 센서와 ADC 사이에 필터링이 필요하다. 레퍼런스 버퍼를 사용하면 필터의 부품 R과 C가 측정값의 정확도에 영향을 미치지 않아 이들 값에 제한을 둘 필요가 없다. 

또한 이득 및 오프셋 오류를 제거하기 위해 시스템의 보정도 필요하다. 그림 1은 내부의 제로 스케일 및 전체 스케일 보정을 거친 뒤 3선 B 클래스 RTD에서 측정된 온도 오류를 보여준다. 이때 전체 오류는 ±1ºC에 크게 못 미친다.

정밀 레퍼런스 저항을 RTD의 하이사이드(high side)에 두는 방식은 단일 RTD를 사용하는 시스템에 적합하다.

여러 개의 RTD가 필요하다면 정밀 저항을 로우사이드(low side)에 둬야 모든 RTD 센서가 레퍼런스 저항을 공유할 수 있다. 이런 식으로 구현하려면 여자 전류의 일치(matching) 정도와 이에 따른 드리프트가 향상돼야 한다.

여자 전류원에서 불일치로 인한 오류를 최소화하려면 ▲AD7124-4/AD7124-8의 크로스 멀티플렉서 기능성, 정밀 레퍼런스 저항, ADC의 내부 저드리프트 레퍼런스를 사용해서 2개의 개별 전류를 측정 ▲전류가 RTD의 반대쪽으로 바뀌고 두 결과의 평균이 전체 온도 계산에서 사용되는 시스템 쵸핑을 실행 등 2가지 기법을 사용할 수 있다.

4선 RTD 인터페이스 및 빌딩 블록 = 4선 RTD 측정에는 여자 전류원이 하나만 필요하다. [그림2]는 4선 RTD 시스템을 보여준다.

3선 RTD 시스템과 마찬가지로 사용되는 레퍼런스 입력은 REFIN1(±)이며 레퍼런스 버퍼 덕분에 안티 앨리어싱이나 EMC 필터링에 제한이 없다. RTD를 통과하는 전류도 ADC의 레퍼런스 전압을 발생시키는 데 사용되는 정밀 레퍼런스 저항(RREF)을 통해 흐르며 이러한 설정으로 인해 레퍼런스 전압과 RTD를 통과해 생성된 전압 사이의 비율 척도(ratiometric)를 측정할 수 있다.

비율 척도 설정을 사용하면 여자 전류값이 변해도 전체 시스템의 정확도에는 아무런 영향을 미치지 않는다. [그림2]는 4선 B 클래스의 RTD에서 내부의 제로 스케일 및 전체 스케일 보정을 거친 뒤 측정된 RTD 온도 오류를 보여준다. 3선 설정과 마찬가지로 기록되는 전체 오류는 ±1ºC에 크게 못 미친다.

ADC 요건 = 온도 시스템에서는 주로 낮은 속도(초당 최대 100샘플 typ)에서 측정이 이뤄지기 때문에 저대역 ADC가 필요하지만 ADC의 해상도는 높아야 한다. Σ-Δ 아키텍처를 사용하면 저대역 고해상도 ADC를 개발할 수 있기 때문에 Σ-Δ ADC는 이러한 어플리케이션에 사용하기 적합하다.

Σ-Δ 컨버터를 사용하면 아날로그 입력이 지속적으로 샘플링되고 샘플링 주파수는 해당 대역(the band of interest)보다 상당히 높아진다. Σ-Δ 컨버터는 잡음을 해당 대역에서 변환 과정에 사용되지 않는 영역으로 이동시키는 노이즈 셰이핑(noise shaping)을 사용해서 필요하다면 잡음을 더 줄일 수 있다. 디지털 필터는 해당 대역 밖의 신호는 모두 감쇠시킨다.

이 디지털 필터에는 샘플링 주파수와 그 배수의 주파수에서 이미지가 생긴다. 따라서 외부의 안티 앨리어싱 필터가 여러 개 필요하다. 그러나 오버샘플링 때문에 대부분의 애플리케이션에서는 단순한 1차 RC 필터만으로 충분하다. Σ-Δ 아키텍처를 사용하면 최대 21.7비트(안정적인, 혹은 깜빡임 없는 21.7비트)의 p-p 해상도를 지원하는 24비트 ADC를 개발할 수 있다.

필터링(50㎐/60㎐ 소거) = 앞서 논의된 잡음을 제거하는 것 외에도 디지털 필터는 50·60㎐에서 간섭을 소거하는 데 유용하다. 시스템이 주전원 공급으로 작동될 때 간섭은 50㎐나 60㎐에서 발생한다. 유럽에서는 주전원에서 50㎐의 기본 진동과 배진동이, 미국에서는 60㎐의 기본 진동과 배진동이 발생한다.

저대역 ADC는 주로 싱크 필터를 사용한다. 싱크 필터는 50㎐ 그리고/또는 60㎐의 기본 주파수와 50㎐와 60㎐의 배수인 주파수에 노치(notch)를 설정하도록 프로그램할 수 있어 50·60㎐와 그 배수인 주파수를 소거할 수 있다. 최근에는 정착 시간(settling time)이 짧은 필터링 방식을 사용해 50·60㎐ 주파수를 소거하도록 요구하는 경우가 많아지고 있다.

멀티채널 시스템에서 ADC는 가능한 채널을 순서대로 선택해서 채널마다 각각 변환이 이뤄진다. 채널이 선택되면 채널에서 필터의 정착 시간이 유효한 변환을 생성하도록 한다. 정착 시간이 줄어들면 주어진 시간 내에 변환되는 채널의 수가 늘어난다.

AD7124-4·AD7124-8에는 포스트 필터(post filter) 또는 FIR 필터가 포함돼 있으며 이들 필터는 sinc3이나 sinc4 필터와 비교했을 때 더 짧은 정착 시간에서 동시에 50·60㎐ 주파수를 소거한다.

[그림3]은 디지털 필터를 사용한 옵션 중의 하나로 정착 시간이 41.53㎳이고 62㏈에서 동시에 50·60㎐ 주파수를 소거하는 포스트 필터를 보여준다.
기타 ADC 요건

전원 = 시스템에서의 소비 전류는 최종  애플리케이션에 따라 달라진다. 공장의 온도 모니터링 같은 산업 에플리케이션에서는 센서를 포함한 완전한 온도 시스템, ADC 및 마이크로컨트롤러가 4~20mA의 루프로부터 전력을 공급받는 독립된 보드에 포함된다. 따라서 독립된 보드의 전류는 최대 4㎃까지 가능하다. 광산 내의 가스 분석에 사용되는 가스 분석기 같은 이동식 장비에서 온도 측정은 가스 분석과 함께 이뤄져야 한다. 이러한 시스템은 배터리로 작동하기 때문에 배터리의 수명을 최대로 늘리는 것이 목적이다.

이러한 애플리케이션에서는 전력 소비가 낮으면서도 여전히 성능은 높아야만 한다. 프로세스 제어 애플리케이션에서는 시스템에 더 많은 전류가 흐를 수 있다. 이러한 유형의 애플리케이션에서 특정 수준의 성능을 달성하면서도 특정 기간에 더 많은 채널을 순서대로 선택해야 할 수도 있다.

AD7124-4·AD7124-8에는 3가지 전력 모드가 있는데 레지스터 중 하나에서 2비트를 사용해 사용자가 선택하도록 설정된다. 선택된 전력 모드는 칩상의 아날로그 블록에서 소모하는 전류와 출력 데이터율을 결정한다.

따라서 해당 부품은 루프나 배터리로 구동되는 시스템에서 중간 또는 저전력 모드로 작동 가능하다. 프로세스 제어 시스템에서 해당 부품은 완전 전력 모드에서 작동 가능하며 이때 전류 소비가 높으면 성능이 향상된다.

진단 = 산업 애플리케이션에서 진단은 점점 더 중요해지는 분야다. 진단의 일반적인 요건은 ▲전원 공급·레퍼런스 전압·아날로그 입력 모니터링 ▲나선 검출 ▲변환·보정 확인 ▲신호 체인 기능성 확인 ▲읽기·쓰기 모니터링 ▲레지스터 내용 모니터링 등이다.

고장 안전을 위한 애플리케이션용으로 설계된 시스템에서 온칩 진단을 실시하면 설계자의 설계 시간, 외부 부품, 보드 공간 및 비용을 절약할 수 있다.

AD7124-4·AD7124-8 같은 부품에서는 위에서 소개된 진단 기능이 제공된다. 이러한 장치를 사용하는 일반적인 온도 애플리케이션에서 IEC 61508에 따른 고장 모드 효과 및 진단 분석(failure modes effects and diagnostic analysis, FMEDA) 결과는 안전고장 비율(safe failure fraction, SFF)이 90%가 넘는다는 것을 보여준다. 기존의 ADC를 사용해 이 수준의 성능을 제공하려면 보통 ADC가 2대 필요하다.

결론 = 온도 측정 시스템에 사용되는 ADC 및 시스템 요건은 상당히 엄격하다. 이러한 센서에서 발생되는 아날로그 신호는 미약해서 잡음이 낮은 이득 상태에 의해 증폭시켜야 이득 상태의 잡음이 센서의 신호를 압도하지 않는다.

증폭기 뒤에 고해상도 ADC를 위치시키면 센서에서 발생하는 저수준 신호를 디지털 정보로 변환시킬 수 있다. Σ-Δ 아키텍처를 사용하면 고해상도, 고정밀 ADC를 개발할 수 있기 때문에 이 애플리케이션에는 Σ-Δ ADC가 적합하다. ADC 및 이득 단계와 마찬가지로 온도 시스템에는 여자 전류와 레퍼런스 버퍼와 같은 부품이 필요하다.

결국 최종 애플리케이션은 시스템에 허용되는 전류량을 결정한다. 이동식 또는 루프 구동 시스템은 저전력 부품을 사용해야만 하며 고장 안전 시스템을 위해 동일한 장치를 추가로 포함해야 한다.

이렇게 하면 부품 당 허용되는 전류 소비량을 더 줄일 수 있다. 입력 모듈 같은 시스템에서는 쓰루풋이 늘어나더라도 일정 수준의 성능을 달성해 채널 밀도를 증가시킨다. 여러 개의 전력 모드를 갖춘 장치를 사용하면 하나의 ADC를 사용해서 여러 최종 시스템을 설계할 수 있기 때문에 사용자의 부담을 줄여주고 결과적으로 설계 시간을 단축할 수 있다.