카테고리
산업계측제어기술사

signal conditioner, 신호 처리기

NeoStudio_20250510_164303_산업계측제어 기술사15다운로드
“`html

Signal Conditioner · 신호 처리기

Sensor Output · OP Amp · Voltage Amplifier · Voltage Follower · Charge-to-Voltage · Current-to-Voltage · Capacitance-to-Voltage

1. Signal Conditioner

NeoStudio에서는 Sensor가 측정한 물리량을 전기적인 신호로 변환한 후, 이를 사용하기 적합한 형태로 변환하는 회로를 Signal Conditioner로 정리한다.

Physical Quantity → Sensor → Electrical Signal → Signal Conditioner

2. Sensor의 출력 형태

센서 출력의 형태로 다음 항목이 기록되어 있다.

  • 전압 출력
  • 전류 출력
  • 저항
  • Capacitance
  • Inductance
Sensor마다 출력형태가 다르므로 출력형태에 맞는 Signal Conditioner가 필요하다.

3. 전압 출력과 출력저항

NeoStudio에서는 전압출력 Sensor의 경우 이상적인 출력저항을 낮게 만드는 방향으로 기록한다.

Voltage Output → Output Resistance ↓

4. 전류 출력과 출력저항

전류출력 Sensor에서는 이상적인 출력저항이 큰 방향으로 기록되어 있다.

Current Output → Output Resistance ↑

5. Sensor Signal의 Noise · Error 원인

작은 Sensor Signal을 처리할 때 영향을 주는 항목으로 다음 내용을 기록한다.

  • Offset Voltage
  • Bias Current
  • Leakage Current
Small Sensor Signal + Offset / Bias / Leakage → Measurement Error

6. 작은 Sensor 출력의 증폭

Sensor 출력이 작은 경우 전압을 사용하기 좋은 크기로 증폭하기 위해 OP Amp를 사용한다고 기록한다.

Small Sensor Output → OP Amp → Amplified Signal

7. OP Amp에 요구되는 특성

Sensor Signal Conditioner용 OP Amp에 대해 다음 특성이 기록되어 있다.

  • 큰 Open-Loop Gain
  • 큰 Input Resistance
  • 작은 Output Resistance
  • 높은 CMRR
  • 작은 Offset Voltage
  • 작은 Bias Current
A → Large
Rin → Large
Rout → Small

8. OP Amp Signal Conditioner 종류

NeoStudio에서는 OP Amp를 사용한 Signal Conditioner의 예로 다음 회로를 기록한다.

  1. 비반전 증폭기
  2. Voltage Follower
  3. 전하-전압 변환기
  4. 전류-전압 변환기
  5. Capacitance-전압 변환기

9. 비반전 증폭기

첫 번째 OP Amp 예는 비반전 입력으로 Sensor 전압을 받아 출력전압을 만드는 회로이다. 

                    R2
              ┌──/\/\/──┐
              │         │
              ▼         │
             (-)        │
      Vin ──▶ (+) OP AMP ─────▶ Vo
              ▲
              │
             R1
              │
             GND

손필기에는 OP Amp 증폭회로의 저항비를 이용한 출력관계가 기록되어 있다.

10. Voltage Follower

두 번째 회로는 Output을 반전입력으로 직접 Feedback하는 Voltage Follower이다. 

                ┌──────────────┐
                │              │
                ▼              │
              (-)              │
      Vin ──▶ (+) OP AMP ──────┴──▶ Vout
Vout = Vin
Voltage Follower는 입력전압을 그대로 출력하는 구조로 기록되어 있다.

11. Charge-to-Voltage Converter

전하를 출력하는 Sensor에는 Feedback Capacitor C를 갖는 OP Amp를 사용하여 전하를 전압으로 변환한다. 

                    C
              ┌────||────┐
              │          │
      ΔQ ─────┤ (-)      │
              │  OP AMP  ├────▶ Vout
      GND ───▶┤ (+)      │
              └──────────┘
Vout = – ΔQ / C
Sensor가 만든 전하 ΔQ를 Feedback Capacitance C를 이용하여 전압으로 변환한다.

12. Current-to-Voltage Converter

전류를 출력하는 Sensor의 경우 OP Amp의 Feedback 저항을 이용하여 전류를 전압으로 변환한다. 

                    R
              ┌──/\/\/───┐
              │          │
      i ──────┤ (-)      │
              │  OP AMP  ├────▶ Vout
      GND ───▶┤ (+)      │
              └──────────┘
Sensor Current → OP Amp + R → Output Voltage

13. Photodiode Signal Conditioning

NeoStudio에서는 전류출력 Sensor의 예로 Photodiode를 그려 놓았다.

Photodiode가 만든 전류를 OP Amp에 연결하여 출력전압으로 변환한다.

Light → Photodiode Current → Current-to-Voltage Converter → Vout

14. Photodiode 동작영역

손필기에는 Photodiode의 I-V 특성곡선과 함께 광량에 따라 곡선이 이동하는 모습이 그려져 있다.

세부 동작영역 명칭은 일부 손필기가 불명확하므로 그래프 관계만 반영한다.

Light Intensity 변화 → Photodiode I-V Characteristic 변화

15. Capacitance Sensor

Capacitive Sensor는 측정량에 따라 Capacitance가 변하는 Sensor이다.

Measured Quantity → Capacitance Change

그러나 Capacitance 자체는 직접적인 전압 또는 전류 출력이 아니므로 Signal Conditioner가 필요하다고 기록한다.

16. Capacitance-to-Voltage Converter

NeoStudio 3페이지에는 측정 Capacitance Cx와 기준 Capacitance Cr를 이용하여 전압으로 변환하는 회로가 그려져 있다. 

                    Cf
              ┌────||──────┐
              │            │
      Vin ── Cx ───┐      (-)
                   ├────── OP AMP ───▶ Vout
            Cr ────┘       (+)
                            │
                           GND

17. 차동 Capacitance 관계

손필기에서는 Cx와 Cr의 차이를 이용하는 출력관계를 다음 형태로 기록한다.

Vout = {(Cx – Cr) / Cf} · A · Vin
식 중 A의 정확한 정의는 해당 페이지에서 명확하게 설명되어 있지 않아 원본 표기 그대로 보존하였다.

18. Charge와 Capacitance

Capacitive Signal Conditioning의 기본관계로 다음 식을 기록한다.

Q = C V

따라서 Capacitance의 변화를 Charge 또는 Voltage의 변화로 변환하여 측정할 수 있는 구조이다.

19. Oscillator · Reset · Switch

NeoStudio에는 Capacitor를 사용하기 위한 부가회로로 다음 항목을 추가한다고 기록한다.

  • Oscillator
  • Reset
  • Switch
Capacitive Sensor + Oscillator / Reset / Switch → Signal Conversion

20. Reference Capacitance

Cx는 측정에 따라 변하는 Capacitance이고, Cr는 기준으로 사용하는 Capacitance로 회로에 표시되어 있다.

Cx = Measuring Capacitance
Cr = Reference Capacitance

두 값의 차이를 이용하여 출력전압을 만드는 구조이다.

21. 차동 구조

마지막에는 두 Capacitance를 이용한 차동형 Capacitance-to-Voltage Converter를 기록한다.

Cx – Cr → Differential Measurement

Force Transducer와 같은 Sensor에서 Cx, Cr가 변하는 구조를 이용할 수 있다는 메모가 있다.

22. Signal Conditioner 전체 관계

                       Sensor
                         │
         ┌───────────────┼─────────────────┐
         ▼               ▼                 ▼
      Voltage          Current           Charge
         │               │                 │
         ▼               ▼                 ▼
     Amplifier       I-to-V Converter   Q-to-V
     / Follower        OP Amp + R       OP Amp + C
                         │                 │
                         └──────┬──────────┘
                                ▼
                              Vout


                       Capacitive Sensor
                              │
                              ▼
                         Cx 변화
                              │
                   Reference Cr와 비교
                              │
                              ▼
                      Cx - Cr
                              │
                              ▼
                  Capacitance-to-Voltage
                              │
                              ▼
                            Vout

23. NeoStudio PDF 핵심 정리

항목 NeoStudio 내용
Signal Conditioner Sensor의 전기적 출력을 사용 가능한 신호로 변환
Sensor 출력 Voltage, Current, Resistance, Capacitance, Inductance
Error Source Offset Voltage, Bias Current, Leakage Current
OP Amp 조건 High Gain, High Rin, Low Rout, High CMRR, Low Offset/Bias
Voltage Follower Vout = Vin
Charge-to-Voltage Vout = -ΔQ/C
Current-to-Voltage Sensor Current → OP Amp → Voltage
Photodiode 광전류를 전압으로 변환
Capacitive Sensor 측정량 → Capacitance 변화
기본 관계 Q = CV
차동 Capacitance Cx와 Cr의 차이를 출력전압으로 변환
부가 회로 Oscillator, Reset, Switch
이 HTML은 WordPress 페이지 본문을 사용하지 않고, NeoStudio PDF 1개(총 3페이지)만 페이지별 시각 판독하여 작성했다. 이 페이지에는 별도의 일반 이미지가 없다. 1페이지는 Signal Conditioner의 목적, Sensor 출력종류, Offset Voltage / Bias Current / Leakage Current, OP Amp의 요구특성과 비반전 증폭기·Voltage Follower를 정리한다. 2페이지는 Charge-to-Voltage Converter, Current-to-Voltage Converter, Photodiode 신호처리, Capacitive Sensor를 다룬다. 3페이지는 Cx와 Cr을 사용하는 Capacitance-to-Voltage Converter와 차동 Capacitance 구조를 기록한다. 일반적인 Signal Conditioner 기능인 Filtering, Isolation, Linearization, A/D Conversion 등은 이번 NeoStudio에 직접 설명되어 있지 않으므로 임의로 추가하지 않았다. 일부 회로의 기호와 마지막 차동 Capacitance 설명은 손필기가 불명확한 부분이 있어 읽히는 범위만 반영하였다.
Signal Conditioner, Sensor Signal, OP Amp, Voltage Amplifier, Voltage Follower, Charge-to-Voltage Converter, Current-to-Voltage Converter, Photodiode, Capacitive Sensor, Capacitance-to-Voltage Converter, Offset Voltage, Bias Current, Leakage Current, CMRR, Differential Capacitance
“`

답글 남기기

이메일 주소는 공개되지 않습니다. 필수 필드는 *로 표시됩니다

이 사이트는 Akismet을 사용하여 스팸을 줄입니다. 댓글 데이터가 어떻게 처리되는지 알아보세요.