KR100335136B1 - 신호 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신호변환장치에 관한 것으로 특히 저 전류를 계측함에 있어 전류 검출소자의 비 선형성과 소 신호검출의 분해능의 특성을 보상하기 위해 입력신호를 비 선형으로 변환하여 검출하는 장치로써 저 전류 특성을 요구하는 장비에 적용되도록 고안한 장치이며, 신호를 입력받는 입력단와 입력 신호를 변환시키는 입력변환기와 입력변환기의 출력을 디지털 신호로 변환시키는 아날로그/디지털변환기와 아날로그/디지털변환기의 출력을 이용하여 상기입력변환기의 멀티플렉서를 제어 하 는 마이크로프로세서로 이루어진 장치로써 저 전류 영역에 조밀한 분해능을 부여하여 전류 측정 정밀도및 신호의 양극사용과 정확성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

신호 변환 장치{Apparatus of signal transformation}

본 발명은 신호 변환 장치에 관한 것으로 특히 저 전류를 계측함에 있어서 전류 검출소자의 비 선형성과 소 신호검출의 분해능의 특성을 보상하기 위해 입력신호를 비 선형으로 변환하여 검출함으로 더 낮은 전류 특성을 요구하는 장비에 사용되도록 하고, 신호를 받는 신호 입력단와 상기 입력 신호를 변환시키는 입력변환기와 상기 변환기의 출력을 디지털 신호로 변환시키는 아날로그/디지털변환기와 상기 변환한 디지털신호를 입력받는 마이크로프로세서로 구성된 장치에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 신호 변환 장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 따른 신호 변환 장치의 블록도 이다.

종래 기술에 따른 신호 변환 장치는 입력부(100)는 측정하고자 하는 전류를 변류기의 a와 b 단자에 직렬로 접속하고, 이때 흐르는 입력 전류는 I1이다. 변류기의 출력 c와 d 를 저항 R1에 병렬로 연결하고, d 를 접지 한면, 이때 흐르는 출력 전류는 I2이다. 입력변환기(101)는 c와 비교전압(Vref:104)를 입력으로 하여, 입력신호를 비 선형적으로 변형시킨 후, 출력을 아날로그/디지털변환기(102)의 입력에 연결한다. 아날로그/디지털 변환기(102)는 입력변환기의 출력을 디지털 값으로 변환하여 마이크로프로세서(103)쪽으로 출력신호를 전달한다. 마이크로프로세서(103)는 버스 형태의 상기 디지털변환 신호를 받아 입력 변환기에서 수행했던 변환과 반대의 연산을 소프트웨어로서 수행하여 얻고자 하는 신호값을 얻는다.

도 2는 도 1에 도시된 입력 변환기를 나타낸 회로도이다.

입력변환기 회로도에서 입력 신호 Vin(202)은 트랜지스터 Q1 의 에미터에 연결되어 제1 증폭기(201)에 입력되고, 제1 증폭기(201)에 출력은 트랜지스터 Q1와 트랜지스터 Q2 의 베이스에 연결된다. 트랜지스터 Q1과 트랜지스터 Q2는 Vin(202)과 Vref(203)에 의해서 결정되는 전류미러(Current Mirror)회로로 이며, 전류미러(Current Mirror)회로의 출력인 트랜지스터 Q2 의 에미터는 제2 증폭기(204)에 입력에 연결된다. 입력변환기 회로는 증폭기와 미러회로로 구성된회로이다.

도 3은 도 1에 입력 변환기의 입력과 출력의 전류 전압 비교도 이다.

도 3은 도 1의 입력 변환기에 입력 전압(Vi:302)와 출력되는 전압(Vo:301)의 전류, 전압 비를 나타낸다, 입력 변환기에 입력 전압(Vi:302)은 전류변화에 따라 일정비율로 전압이 변화하는 반면, 입력 변환기에 출력 전압(Vo:301)은 전류변환에 따라 전압이 변화는 비 선형적인 곡선을 그린다.

종래 기술의 동작에 있어서, 제 1도에 의하여 입력단(100)에서 변류기의 a 단자와 b 단자(이하 1차측단자)에 입력한 전류(I1)를 인가하면 변류기의 c 단자와 d 단자(이하 2차측 단자)에서 전류(I2)가 유기된다. 이때 저항(R1)에서 생성된 전압(Vin:302)의 특성은 도 3의 Vin(302) 값의 특성과 비슷한 선형적인 신호를 얻으며 수학식1로 표현 할 수 있다.

상기 수학식1의 선형적인 신호는 저 전류 영역의 분해능을 만족시킬 수 없으므로 이 신호를 디지털 값으로 변환하기 전에 비 선형변환을 시켜준다.

도 1에서는 입력변환기(101)에서 다음과 같은 수학식2로 신호를 변환하여 저 전류영역의 신호를 처리한다. 입력신호 Vin(202)은 로그를 취함으로서 그 신호의특성이 도 3의 Vo(301) 커브와 같이 변환되어 저 전류 부분의 신호가 넓은 영역으로 퍼지게 됨을 알 수 있다. 여기서 Vref와 Ag를 잘 조절하면 원래의 변류기 특성에 비교할 수 있는 커브를 만들 수 있는데 도3에서 Vin(302)이 변류기에서 얻을 수 있었던 특성커브이고 Vo(301)가 비선형 변환을 수행한 특성 커브이다.

도 3 의 특성 곡선을 예를 들어, 전체 계측할 전류(I2)의 영역이 25mA이며 측정 가능한 전압입력 범위가 5V 일 때 종래 기술에서는 I2에 R1을 곱한 값을 Vin(202)신호로 받기 위해 R1에 200오옴()의 부담 저항을 달아서 상기 신호(Vin:202)를 입력변환기(101)에 입력하여 신호를 비 선형으로 변환시켜 아날로그/디지털변환기(101)의 입력으로 연결한다.

상기 수학식 2에 의해 신호를 변환(Ag=2.79, Vref=1)하면 최종 아날로그신호는 도 3의 커브와 같이 나타낸다. 이때 저 전류 영역을 살펴보면 기존의 선형적인 변환만을 취한 커브와 비 선형 변환을 수행한 커브의 값을 찾아서 Ag와 Vref를 변형한다면 비 선형변환 커브를 자유롭게 변환시킨다. 상기 입력변환기 출력신호(Vo:205))는 아날로그/디지탈 변환기(102)에서 디지털 값으로 변환되어 마이크로프로세서(103)에서 전류로 계산을 수행하여야 한다. 이때 전류 신호를 먼저 비 선형 변환 수행하였으므로 비 선형변형을 계산할 때에는 입력변환기(104)에서 수행했던 변환의 역 변환식인 수학식 3을 수행한다. 이러한 수행은 소프트웨어적으로 지수함수를 취하면 원래의 신호를 얻는다.

계속 수학식3을 풀어보면 수학식4를 얻는다.

수학식4에서 양변을 정리하면 수학식 5를 얻는다.

수학식5 에서 원래의 Vin(202)을 얻을 수 있으며 이 값은 전류를 계산하는데 사용된다.

입력변환기의 회로 있어서 도 2에서 입력신호 Vin(202)은 트랜지스터로 Q1로 구성된 출력회로의 에미터에 연결되어 트랜지스터 Q1에 흐르는 전류로서 제 1증폭기(201)에 입력될 전압을 결정하며 이때 트랜지스터Q1에 입력되는 베이스 단자의 전류의 Q2의 베이스 단자에 입력되는 전류는 동일한 값이 된다. 결국 Q1과 Q2는 Vin(202)과 Vref(203)에 의해서 결정되는 전류회로로 구성된다.

그러나 종래 기술에 따른 신호 변환 장치는 실제회로에 적용하는데 있어 어려움이 있다. 특히 입력변환기에서 두 개의 입력(Vin:202, Vref:203:302)의 경우, 두 신호는 각각 전류 미러 회로의 에미터쪽으로 입력되어지므로 정상적인 트랜지스터의 동작을 위해서 각각 음극성(negative polarity)으로 입력이 되어야한다. 또한 기존의 로그 증폭기의 내부신호는 항상 양극(positive)이 되도록 만들어 주는 전처리 장치가 없어 실제 적용에서 한쪽 극성(polarity)을 제외하고 연산하여 실제 전류값의 정확성을 떨어뜨리는 역효과가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출 한 것으로서, 전류 검출 기술에서 전류의 특성이 작은 신호 레벨에서 정밀도를 요구하는 계기를 만들어 외부의 작은 신호에 의하여 정밀도가 떨어지는 문제점을 해소하기 위해서 저 전류 특성을 보강하는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 신호 변환 장치의 블록도.

도 2는 도 1에 도시된 입력 변환기를 나타낸 회로도.

도 3은 도 1에 입력 변환기의 입력과 출력의 전류 전압 비교도.

도 4는 본 발명에 따른 신호 변환 장치의 블록도.

도 5는 도 4에 도시된 입력 변환기를 나타낸 회로도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

401 : 입력부 402 : 입력변환부

403 : 아날로그/디지탈 변환기 404 : 마이크로프로세서

본 발명에 따른 신호를 받는 신호 입력단와 상기 입력 신호를 변환시키는 입력변환기와 상기 변환기의 출력을 디지털 신호로 변환시키는 아날로그/디지털변환기와 상기 변환한 디지털신호를 입력받는 입력변환기의 멀티플렉서를 제어하는 마이크로프로세서로 이루어진 장치이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 신호 변환 장치를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 신호 변환 장치의 블록도 이다.

입력부(401)는 측정하고자 하는 전류를 a와 b 에 접속하여, 변류기의 입력으로 받는다. 이때 입력전류는 I1이 된다. 변류기의 출력 c와 d 를 저항 R1에 병렬로 연결하며, d 를 접지 하고, 이때 흐르는 출력 전류는 I2이다. 입력변환기(405)는 c를 입력변환기(입력변환기)의 입력으로 연결 받는다. 입력변환기의 다른 단자(S1:405)는 마이크로프로세서에서 입력변환장치(402)의 내부회로를 제어할 수 있도록 연결된다. 입력변환기(402)의 출력신호(Vo)는 아날로그/디지털 변환기(403)에서 디지털 값으로 변환되어 마이크로프로세서(404)로 버스형태의 신호로 연결된다. 마이크로프로세서(404)에서는 상기 디지털 값으로 변환한 신호를 받아 입력변환기(402)에서 수행했던 변환과 반대의 연산을 소프트웨어로서 수행하여 원래 얻고자 하는 신호값을 얻는다.

도 5는 도 4에 도시된 입력 변환기를 나타낸 회로도이다.

도 5에 있어서 먼저 입력 신호 Vin(501)은 멀티플렉서(MUX:502)의 한쪽 단자에 연결되고 다른 한쪽 단자는 반전 증폭기로 구성된 제 3증폭기(504)의 입력으로 연결된다. 제 3증폭기(504)의 출력단자는 멀티플렉서(MUX:502)의 다른 입력으로 연결된다. 도 4에서 입력변환기의 S1 단자(503)는 멀티플렉서(MUX:502)의 제어신호로 연결된다. 멀티플렉서(MUX:502)의 출력은 저항Rin을 통하여 제 1증폭기(505)의 입력과 트랜지스터Q1으로 구성된 회로의 콜렉터에 연결되어, 트랜지스터Q1에 흐르는 전류를 결정한다. 트랜지스터Q1의 에미터는 트랜지스터Q2의 에미터와 연결되고, 트랜지스터Q2에 흐르는 전류는 Vs에서 저항 R3를 통하여 결정되며, 트랜지스터Q2의 베이스 단자는 R2와 R1을 통하여 출력전압을 결정하며, 트랜지스터Q1과 트랜지스터Q2의 에미터단자는 제 2증폭기(507)의 출력과 연결되며 제 2증폭기(507)의 입력은 각각 Vs와 GND에 저항 R5을 통하여 연결된다.

본 발명의 동작에 따른 입력변환기(402)를 살펴보면, 로그 변환회로(508)에서 트랜지스터Q1은 제 1증폭기(505)의 반전 증폭에 피트백 소자로서 동작하며, 트랜지스터Q2는 제 2증폭기(507)의 반전 증폭 피트백 소자로서 동작한다. 여기서 트랜지스터Q2에 흐르는 콜렉터 전류는 Vs와 R3의 상수 값에 의하여 항상 고정된 값으로 동작하므로 Vbe2는 항상 상수로 동작한다. 이때 트랜지스터Q1의 Vbe1은 입력신호의 크기에 따라 가변하기 때문에 출력 전압에 영향을 준다. 그러므로 Vo는 다음과 같은 수학식6으로 나타낼 수 있다.

여기서 매칭트랜지스터는 동작중에 차동컬렉터전류(different collector current)에서 발생하는 에미터 전압차는 다음 수학식7과 같다.

그러므로 여기서 수학식7을 수학식6에 대입하여 전압 Vo을 구하는 수학식8이 유도된다.

수학식8을 통해 입력변화기(402)의 입력에 대한 출력의 값을 알 수 있다. 본 발명이 종래 기술과의 차이점을 살펴보면 다음과 같다.

종래 기술의 입력변화기(101)는 입력신호(Vin:202)와 기준전압(Vref:203)이 모두 음극성을 가지고 입력이 된다. 그러나 본 발명에서는 입력신호가 멀티플렉서(MuX:502)통하여 트랜지스터 Q1의 콜렉터 쪽으로 연결되어 양극(positive)신호 자체가 동작을 주도하도록 설계하여 입력신호를 반전시키는 전처리 회로가 필요 없고, 또한 기준전압도 Vs(동작전압)에서 저항 R3를 통하여 연결되어 따른 기준저압회로의 추가를 줄였다. 종래 기술에서는 한 쪽 극성만 사용한 반면 본 발명에서는 반전 증폭기를 사용하여 반전시킨 신호가 멀티플렉서(502)를 통하여 입력 시켜 모든 극성을 받아들일 수 있도록 한다. 이때 멀티플렉서(502)의 제어(503)는 마이크로프로세서(404)에서 입력신호를 받아 판단하여 제어할 수 있도록 하였다.

저 전류의 영역은 상위 전류와 같은 레벨로 인식이 되어 변류기의 선형성과 아날로그/디지털 변환기(403)의 분해능을 충분하게 보상할 수 있으며 특성을 안정화시켜 작은 왜란을 줄 일수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 저 전류 부분의 전류 정밀도를 높이기 위해 입력부의 출력측에 입력 변환 장치를 사용하여 전류 검출 기술에서 양극을 사용함으로 저 전류 영역에서의 비 선형 양자화 방식으로 저 전류 영역에 조밀한 분해능을 부여하여 전류 측정 정밀도를 향상시킨다. 그러므로 종래의 기술보다 본 발명에서는 종래 구성된 입력변환장치보다 정밀한 입력변환장치로 신호의 극성변환과 정확성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 입력 전류를 변류 하여 출력하는 입력부와,

   상기 입력부의 출력신호의 극성에 따라 입력부의 출력을 비 선형 신호로 변환하는 입력변환기와,

   상기 입력변환기의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기와,

   상기 변환된 디지털신호를 입력받아 상기 입력변환기의 극성을 판단하여 입력신호 변환기의 멀티플렉서의 입력선택을 제어하는 신호를 발생하는 마이크로프로세서로 구성되는 것을 특징으로 하는 신호 변환 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 입력변환기에서 상기 입력부의 입력신호와 상기 입력신호를 반전하는 제 3증폭기의 출력 중 하나를 선택하는 멀티플렉서와,

   상기 선택한 출력을 증폭기를 입력으로 하여 전류 미러회로로 증폭하는 로그 변환기로 구성하는 것을 특징으로 하는 신호 변환 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 멀티플렉서의 입력에서 양극신호를 사용하기 위해 반전 증폭기를 멀티플렉서의 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 신호 변환 장치
4. 제 1항에 있어서, 상기 입력변환기의 극성 따른 신호 입력 시, 상기 마이크로프로세서의 제어 신호로 입력전원의 극성을 선택하는 멀티플렉서의 선택신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 신호 변환 장치.