[기고] 콤팩트하고 편리한 캘리브레이터 설계를 위한 소프트웨어 구성가능 아날로그 I/O

[테크월드뉴스=이재민 기자] 산업용 아날로그 I/O 모듈은 공장에 설치된 센서와 액추에이터 사이에서 정밀하고 낮은 레벨의 전압과 전류 신호를 송수신하는 데 사용한다. 다른 모든 전자 기기들처럼 이런 I/O 모듈 역시 오랫동안 반복적인 사용과 변화하는 환경 조건으로 인해 성능이 떨어진다. 따라서 정해진 기준에 맞게 사용하기 위해서는 주기적인 캘리브레이션(교정)이 필요하다.

제약업과 같은 분야에서는 캘리브레이션을 주기적이고 의무적으로 실시해야 한다. 이를 위해서는 숙련된 기사가 I/O 모듈이 설치된 배선함에 가서 캘리브레이션을 실시하고 그 결과를 기록해야 한다. 이 작업을 수행하기 위해서는 소스와 계측기를 비롯한 다양한 장비가 필요하다. 이 장비들은 무거워서 운반과 작동이 어렵다.

이 글에서는 이런 캘리브레이션 장비의 기능에 대해 설명하고, 소프트웨어 구성가능 아날로그(SWIO) IC를 기반으로 한 새로운 레퍼런스 디자인을 소개한다. 이 디자인은 가볍고 휴대하기 편하며 현행 장비와 동일한 수준의 기능과 성능을 제공하는 차세대 캘리브레이터로서 업계에 새로운 기준을 제시한다.

캘리브레이션 장비

I/O 모듈의 모든 채널 유형을 캘리브레이션하기 위해서는 전압 소스와 미터(정격 ±10V 범위), 전류 소스와 미터(정격 ±20mA 범위), 그리고 온도 측정을 위한 I/O 채널에 의해 사용되는 다양한 유형의 써모커플과 RTD(PT100/PT1000)로부터 전압 출력을 시뮬레이트할 수 있는 소스가 필요하다. 그러므로 사용하는 장비의 기능에 따라 현장에 여러 대의 장비를 가져가거나 모든 기능을 제공하는 정밀 장비를 사용할 수 있다. 이런 정밀 장비는 비싼 가격에 크기가 크고 무거워서 휴대성이 떨어진다.

[그림 1]은 통상적인 캘리브레이션 장비로 220 x 173 x 320㎜의 크기를 갖는다. 무게는 5.7㎏이며 정확도는 풀스케일 범위(FSR)의 0.02% 이내다.

콤팩트한 캘리브레이터

[그림 2]는 소프트웨어로 구성 가능한 배터리 구동형 정밀 캘리브레이터로 통상적인 산업용 아날로그 입출력과 전압·전류 범위를 지원한다. 이 캘리브레이터는 ▲정밀 아날로그 전압 출력, ±10V(+25% 오버레인지) ▲정밀 아날로그 전류 출력, ±20㎃(+25% 오버레인지) ▲정밀 아날로그 전압 입력, ±10V(+25% 오버레인지) ▲정밀 아날로그 전류 입력, ±20㎃(+25% 오버레인지) ▲정밀 온도 측정(외부 PT100/PT1000/써모커플 타입 K) ▲정밀 온도 시뮬레이터 등과 같은 기능을 제공한다. 이 캘리브레이터 레퍼런스 디자인은 큰 사이즈의 데스크톱 캘리브레이터와 비교하면 108 x 83 x 36㎜에 불과하며 무게는 단 283g이다.

MAXREFDES183#의 기능

MAXREFDES183#은 소프트웨어로 구성 가능한 산업용 등급의 아날로그 I/O 디바이스인 MAX22000을 기반으로 한다. MAXREFDES183#을 사용하면 전압과 전류뿐만 아니라 온도 측정을 위한 추가적인 입력들(TC와 RTD)도 측정할 수 있다.

MAX22000은 18비트 DAC와 24비트 시그마-델타 ADC를 포함하며, 각각의 데이터 컨버터는 안정적인 5ppm/℃ 내부 전압 레퍼런스를 사용하고 정확도는 25℃에서 0.01% 이내다. 선형 범위는 공칭 범위의 105%로 설정할 수 있으며, 풀스케일 범위는 공칭 범위의 125%로 설정할 수 있다(±10V의 공칭 범위로 각각 ±10.5V와 ±12.5V). 저잡음 온보드 PGA는 이 ADC로 RTD와 TC 측정이 가능하도록 고전압과 저전압 입력 범위를 지원한다. 고속 SPI 버스를 통해 이 IC를 구성할 수 있으며 SPI 버스는 변환 결과를 전송하는 데에도 사용된다. 2.7 ~ 3.6V 아날로그와 디지털 전원, 최대 ±24V 고전압 전원을 사용해 동작한다. 64핀 LGA 패키지로 -40 ~ 125℃ 산업용 온도 범위로 동작한다.

MAXREFDES183#은 MAX32625를 채택하고 있다. MAX32625는 초저전력 Arm Cortex-M4 마이크로컨트롤러로 512kB 플래시와 160kB SRAM을 포함하며, SPI를 통해 MAX22000과 인터페이스하고 UART 인터페이스를 통해 온보드 USB 브리지(FT234XD)와 터치스크린 디스플레이의 수신기·송신기를 쌍으로 연결한다. Nextion NX4024K032 3.2인치 400 x 240 픽셀 터치스크린 컬러 디스플레이 사용자 제어와 피드백을 제공한다.

열 안정성

MAXREFDES183#은 다양한 설계 기법을 동원해 캘리브레이터의 열 성능을 극대화하고 정확도와 안정성을 향상시킨다. 온도 모니터링은 0 ~ 70℃ 범위에서 ±1℃의 높은 정확도를 자랑하는 저전력 I²C 온도 센서인 MAX31875를 두 군데에서 사용해 이뤄진다. 한 곳은 MAX22000 부근이고, 다른 한 곳은 소스 단자 부근이다. 그러므로 소스 단자들 사이에서 전압 변화에 대해 온도에 따른 보정을 할 수 있다. 50Ω 저항(I/O 전류 설정)을 선택해 높은 정확도(0.1% 허용오차)와 온도 안정성(0.2ppm/℃)을 달성한다.

또 MAX22000 가까이에 배치된 4개의 FET 구동 발열 저항은 측정에 앞서 주변 온도를 설정하고 안정되게 한다. 열 안정성을 더 높이기 위해 소형 금속 인클로저(약 1제곱인치의 면적)를 사용해 MAX22000과 로컬 온도 센서 IC와 발열 저항을 덮고 있다.

전원 관리

MAXREFDES183#은 2개의 3.6V 3500mAh 용량 리튬이온 배터리를 사용해 구동한다. MAX17320 잔량 게이지는 전압과 전류, 온도 같은 배터리 상태를 모니터링하고 관리한다. 또 외부 하이사이드 FET을 사용해 과전압과 저전압, 과전류, 단락 회로, 극단적인 온도, 과충전, 내부 자체 방전 등을 방지한다. 이로써 배터리는 안전한 조건에서 동작해 다음 충전까지 사용 시간이 연장된다. MAX17320은 셀 노후화와 온도, 방전 비율에 따라 자동으로 보정하고 폭넓은 동작 범위에 걸쳐 ㎃h나 퍼센트(%) 단위로 정확한 충전 상태 정보를 제공한다. 서미스터를 사용해 배터리 온도도 측정한다.

MAX17498 플라이백 컨버터는 USB 전압(5V 공칭)을 배터리 팩 전압(7.2V 공칭)으로 부스트해 여러 DC-DC 컨버터로 전압 입력을 제공하며, 이들 DC-DC 컨버터는 다른 부품들을 구동하는 데 필요한 전압 레일을 발생시킨다. MAXREFDES183#은 정격으로 110㎃를 소비하며 보통 사용 조건일 때 다음 충전까지 최대 31시간 동안 사용할 수 있다.

높은 정확도

[그림 4]는 -20 ~ 70℃의 온도 범위에서 전압과 전류 I/O 측정 결과를 보여준다. 결과를 보면 이 레퍼런스 디자인의 정확도가 25℃(실온)로 FSR의 0.01% 이내라는 것을 알 수 있다.

안정성

캘리브레이션 장비는 대체로 온도가 안정적인 환경에서 보관과 사용이 이뤄진다. 그러므로 고정된 온도에서 오랜 시간에 걸친 높은 수준의 반복정밀도가 중요하다. [그림 5]에서는 전압 모드로 5V 아날로그 출력으로 구성하고 25℃ 주변 온도로 7일 동안 15분 간격으로 기록했을 때 MAXREFDES183#의 정확도(드리프트)는 ±4ppm이라는 것을 알 수 있다. 이 측정은 내쇼날 인스트루먼트(National Instruments)의 PXIe 1073 DMM(7.5 digits)을 사용했다.

캘리브레이터 자체의 캘리브레이션

아무리 정밀한 캘리브레이터라 하더라도 주기적으로 캘리브레이션해야 한다. MAXREFDES183#은 사전에 프로그래밍한 캘리브레이션 루틴을 포함한다. 사용자는 [그림 6]의 메뉴를 통해 외장형 미터와 소스를 연결하고 피드백을 받을 수 있다. 이 결과에 따라 캘리브레이터가 허용 가능한 범위인지 판단할 수 있다. 뿐만 아니라 MAXREFDES183# 3D 프린터 파일을 제공해 이 파일을 다운로드해서 캘리브레이터의 인클로저도 제작할 수 있다.

MAXREFDES183# 정밀 캘리브레이터 레퍼런스 디자인은 무게가 가벼워 휴대가 편리한 배터리 구동 캘리브레이터다. MAXREFDES183#은 훨씬 더 크고 비싼 캘리브레이션 장비와 동일한 수준의 기능성과 성능, 정확도를 제공한다. 이 레퍼런스 디자인을 기반으로 한 장비의 주요 애플리케이션으로는 시험실 장비 캘리브레이션과 산업용 제어 장비 조정, 스마트 센서와 액추에이터의 현장 캘리브레이션들이 있다.

글 : 콘라드 쇼이어(Konrad Scheuer) 선임 수석 MTS, 션 롱(Sean Long) 선임 디렉터
자료제공 : 아나로그디바이스(www.analog.com)