KR101535749B1 - 전류 전송 방식을 이용한 전위차계 - Google Patents

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공경철
이명석
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 전류 전송 방식을 적용하여 설계목적에 맞게 이득과 영점을 조절할 수 있는 전위차계에 관한 것이다.

Description

전류 전송 방식을 이용한 전위차계{Potentiometer Using Current Transmitting Method}
본 발명은 전류 전송 방식을 이용한 전위차계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게, 전류 전송 방식을 적용하여 설계목적에 맞게 이득과 영점을 조절할 수 있는 전위차계에 관한 것이다.
전위차계는 저항값의 변화량을 전압으로 나타내기 위하여 슬라이드 접점이 저항 소자상에 접촉하면서 움직여 접점의 변위량에 따른 저항변화를 일으키는 장치를 말하는 것으로, 일반적으로 스피커 등의 볼륨조절, 기계장치의 각도 측정이 가능한 관절부, 악기 등에 사용된다. 이러한 전위차계는 제어 루프에 구비되어 가동되기 때문에 마찰이나 관성부하가 적게 설계되어야 하고, 항상 접촉되면서 움직이게 된다. 전위차계는 동작형태에 따라 직선 혹은 회전 변위를 측정할 수 있으며, 이들 모두는 전압출력으로 측정될 수 있다.
그러나 이와 같은 종래의 전위차계는 가격이 저렴하지만 잡음이 심하고 기계구조의 특성상 측정범위의 일부분만을 사용할 수 있다는 단점이 있다. 예를 들어, 특히, 왕복운동을 하는 회전 링크 등에 있어서 일반적인 OP 앰프를 포함하여 구성되는 전위차계를 적용하는 경우, 작은 각도로 회전 링크가 움직이는 상황에서는 전압의 변화량이 작기 때문에 이를 계측하기 어렵다. 또한, 종래의 전위차계는 프로세서의 비트수가 낮거나 측정할 수 있는 범위가 좁을 경우 기준값을 결정하기 모호하므로, 분해능 또는 이득의 조절이 쉽지 않다.
본 발명은 전류 전송 방식을 적용하여 설계목적에 맞게 이득과 영점을 조절할 수 있는 전위차계를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 전류 전송 방식을 이용한 전위차계에 있어서, 상기 전위차계는 제1 가변저항, 상기 제1 가변저항과 전기적 접속으로 연결된 전압 팔로워(Voltage Follower) 및 상기 전압 팔로워의 출력단으로부터 전기신호를 수신하고, 상기 전압 팔로워와 전기적으로 접속되며, 상기 전위차계의 영점을 조절할 수 있고, 상기 전위차계의 출력전압의 이득을 조절할 수 있는 전류 입력형 연산증폭기를 포함하는 전위차계를 제공할 수 있다.
또한, 상기 전압 팔로워는 통과하는 전기신호가 상기 제1 가변저항의 저항값과 상기 전류 입력형 연산 증폭기의 출력전압값이 비례관계가 되도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 전압 팔로워는 반전 입력단, 비반전 입력단 및 출력단을 갖는 연산증폭기(Operational Amplifier)로 이루어지며, 상기 연산증폭기의 반전 입력단과 출력단은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 전위차계는 제1 저항을 더 포함하고, 상기 제1 저항은 상기 전압 팔로워와 상기 전류 입력형 연산증폭기를 직렬로 연결할 수 있다.
또한, 상기 제1 가변저항은 상기 전압 팔로워의 입력단에 전기적으로 접속될 수 있다.
또한, 상기 전류 입력형 연산증폭기는 노튼증폭기(Norton Amplifier)로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 노튼증폭기는 제2 저항과 제2 가변저항을 더 포함하고, 상기 제2 저항과 제2 가변저항은 직렬로 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 제2 저항 또는 제2 가변저항은 상기 노튼증폭기의 비반전 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 가변저항은 상기 제2 가변저항의 저항값을 조절함으로써 상기 전위차계의 출력전압의 영점을 조절할 수 있다.
이 경우, 상기 노튼증폭기는 제3 저항과 제3 가변저항을 더 포함하고, 상기 제3 저항과 제3 가변저항은 직렬로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 제3 저항 또는 제3 가변저항은 상기 노튼증폭기의 출력단 또는 반전 입력단에 전기적으로 접속될 수 있다.
여기서, 상기 제3 가변저항은 상기 제3 가변저항의 저항값을 조절함으로써 상기 제1 가변저항의 영점을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제1 저항, 상기 제2 저항 또는 상기 제3 저항은 고정된 저항값을 갖는 저항으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계에 있어서, 상기 전위차계는 가변저항 및 상기 가변저항과 전기적으로 접속되며, 상기 전위차계의 영점을 조절할 수 있고, 상기 전위차계의 출력전압의 이득을 조절할 수 있는 전류 입력형 연산증폭기로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 전위차계는 상기 가변저항의 한쪽 단에 제1 저항을 더 포함하고, 나머지 한쪽 단은 상기 전류 입력형 연산증폭기의 반전 입력단과 전기적으로 접속될 수 있다.
여기서, 상기 전류 입력형 연산증폭기는 노튼증폭기로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 노튼증폭기는 제2 저항을 더 포함하고, 상기 제2 저항은 상기 노튼증폭기의 비반전 입력단과 전기적으로 접속되며, 상기 제2 저항의 저항값을 조절함으로써 상기 전위차계의 영점을 조절할 수 있다.
또한, 상기 노튼증폭기는 제3 저항을 더 포함하고, 상기 제3 저항은 상기 노튼증폭기의 출력단과 반전 입력단에 전기적으로 접속되며, 상기 제3 저항의 저항값을 조절함으로써 상기 전위차계의 출력전압의 이득을 조절할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 저항, 상기 제2 저항 또는 상기 제3 저항은 고정된 저항값을 갖는 저항으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계에 의하면, 노튼증폭기를 포함하여, 영점을 정밀하게 조절하고 출력전압의 이득을 높임으로써 분해능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계에 의하면, 노튼증폭기를 포함하므로 잡음에 대한 신호 강인성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 3은 종래의 전위차계를 적용한 관절의 각도변화에 따른 신호와 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계를 적용한 관절의 각도변화에 따른 신호를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어 지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(100)의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(100)는, 가변저항(110), 상기 가변저항(110)으로부터 전송되는 전기신호를 전달 받을 수 있으며 상기 가변저항(110)에 전기적으로 접속되는 입력단과 출력단을 갖는 전압 팔로워(120), 및 상기 전압 팔로워(120)의 출력단으로부터 전송되는 전기신호를 전달 받을 수 있으며 상기 전압 팔로워(120)의 출력단과 전기적으로 접속되는 전류 입력형 연산증폭기(130)를 구비할 수 있다.
상기 가변저항(110)은, 상기 전압 팔로워(120)의 입력단에 전기적으로 접속될 수 있으며, 상기 가변저항(110)의 저항값의 변화에 따라 나타나는 전압값을 상기 전압 팔로워(120)로 전송할 수 있다.
상기 전압 팔로워(120)는 그 입력단이 상기 가변저항(110)과 전기적으로 접속되고, 그 출력단은 상기 전류 입력형 연산증폭기(130)와 전기적으로 접속될 수 있으며, 상기 가변저항(110)의 신호를 상기 전류 입력형 연산증폭기(130)에 전달할 할 수 있다.
특히, 상기 전압 팔로워(120)는 버퍼(Buffer)로서의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 버퍼로서의 상기 전압 팔로워(120)는, 상기 가변저항(110)의 저항값과 상기 전압 팔로워(120)로부터 상기 전류 입력형 연산증폭기(130)로 유입되는 전압값의 관계를 비례관계가 되도록 하여 전위차계의 출력전압을 계측하는데 편의를 높일 수 있다. 이에 대한 내용은 도 4와 관련하여 자세히 설명하기로 한다.
또한, 버퍼로서의 상기 전압 팔로워(120)는, 상기 가변저항(110)으로부터 상기 전압 팔로워(120)로 유입되는 전압값을 손실없이 상기 전류 입력형 연산증폭기(130)로 전송하는 역할을 할 수 있다.
상기 전압 팔로워(120)는 그 일 실시예로서 반전 입력단, 비반전 입력단 및 출력단을 갖는 연산증폭기로 이루어질 수 있다. 상기 전압 팔로워(120)로서의 연산증폭기는 반전 입력단과 출력단이 서로 연결될 수 있어서 상술한 바와 같이 버퍼로서의 기능을 수행할 수 있다.
상기 전류 입력형 연산증폭기(130)는 일 예로서 노튼증폭기(Norton Amplifier)로 이루어 질 수 있다. 상기 노튼증폭기는 임피던스가 작고 전류로 동작할 수 있어 전압 분압의 원리에 의하여 잡음이 작고 동작속도가 빠르다. 따라서, 상기 노튼증폭기를 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계는 전압 입력형 연산증폭기를 적용한 종래의 전위차계보다 잡음에 강하며, 동작속도가 빨라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(100)의 상기 전류 입력형 연산증폭기(130)는 비반전 입력단에 전기적으로 접속되는 제1 저항단(미도시)이 연결될 수 있다.
상기 제1 저항단(미도시)은 고정저항과 상기 고정저항에 직렬로 연결되는 가변저항으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 저항단(미도시)의 가변저항의 저항값을 조절함으로써 본 발명에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(100)의 영점을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(100)는 상기 전류 입력형 연산증폭기(130)의 반전 입력단과 출력단이 고정저항과 가변저항으로 이루어지는 제2 저항(미도시)단으로 연결될 수 있다. 상기 제2 저항단(미도시)은 고정저항과 상기 고정저항에 직렬로 연결되는 가변저항으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 저항단(미도시)의 가변저항의 저항값을 조절함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송방식을 이용한 전위차계(100)의 출력전압의 이득을 조절할 수 있으며, 이에 따라 분해능이 향상될 수 있다. 이하 도 2 이하를 참조하여 본 발명에 의한 전류 입력형 연산증폭기(130)를 구비하는 전위차계에 대하여 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)는, 제1 가변저항(210), 상기 제1 가변저항(210)과 전기적으로 접속되고 상기 제1 가변저항(210)으로부터 전기신호를 전달 받을 수 있는 비반전 입력단(222), 반전 입력단(223) 및 출력단(224)을 갖는 전압 팔로워(220), 상기 전압 팔로워(220)와 전기적으로 접속되며 상기 전압 팔로워(220)를 통과하는 전기신호를 전달 받을 수 있는 제1 저항(260), 및 상기 제1 저항(260)과 전기적으로 접속되며 상기 제1 저항(260)을 통과하는 전기신호를 전달 받을 수 있는 전류 입력형 연산증폭기(230)를 구비할 수 있다.
상기 제1 가변저항(210)의 제1 단부(211)는 전원(V1)에 접속되고, 제2 단부(212)는 접지되며, 제3 단부(213)는 상기 전압 팔로워(220)의 비반전 입력단(222)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전압 팔로워(220)는, 입력단이 상기 제1 가변저항(210)과 전기적으로 접속되며 상기 전압 팔로워(220)의 출력단은 상기 전류 입력형 연산증폭기(230)와 전기적으로 접속될 수 있으며, 상기 전압 팔로워(220)의 반전 입력단(223)과 출력단(224)이 전기적으로 접속되어 버퍼로서의 역할을 할 수 있다.
즉, 버퍼로서의 상기 전압 팔로워(220)는 상기 가변저항(210)의 저항값과 상기 전압 팔로워(220)로부터 상기 전류 입력형 연산증폭기(230)로 유입되는 전기신호의 관계를 비례관계가 되도록 하며, 상기 가변저항(210)으로부터 상기 전압 팔로워(220)로 유입되는 전압값을 손실없이 상기 제1 저항(260)으로 흘려보내주는 역할을 할 수 있다.
상기 제1 저항(260)은 상기 전압 팔로워(220)로부터 전달받은 전압값을 전류값의 형태로 변화시켜 변형된 전류값을 상기 전류 입력형 연산증폭기(230)로 전송하는 역할을 할 수 있다.
상기 전류 입력형 연산증폭기(230)는 일 실시예로서 노튼증폭기로 구성될 수 있다. 상기 노튼증폭기는 임피던스가 작고 전류로 동작할 수 있어 전압 분압의 원리에 의하여 잡음이 작고 동작속도가 빠르다. 따라서, 상기 노튼증폭기를 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계는 전압 입력형 연산증폭기를 적용한 종래의 전위차계보다 잡음에 강하며, 동작속도가 빨라질 수 있다.
상기 전류 입력형 연산증폭기(230)는, 상기 전류 입력형 연산증폭기(230)의 비반전 입력단(233)에 전기적으로 접속되며 제2 저항(241)과 제2 가변저항(242)의 직렬연결로 이루어질 수 있는 제1 저항단(240), 상기 전류 입력형 연산증폭기(230)의 출력단(234)과 반전 입력단(232)을 연결하며 제3 저항(251)과 제3 가변저항(252)의 직렬연결로 이루어질 수 있는 제2 저항단(250)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)는, 상기 제1 저항단(240)의 제2 가변저항(242)의 저항값 또는 상기 제2 저항단(250)의 제3 가변저항(252)의 저항값을 조절함으로써 상기 전위차계(200)의 영점 또는 출력전압의 이득을 조절할 수 있게 되어 분해능이 향상될 수 있다.
도 2를 참조하면, 전류 입력형 연산증폭기(230)의 입력단 전압(Vx)은 아래 수학식 1과 같이
Figure 112014061888336-pat00001
으로 표현할 수 있다. 여기서, VR1은 상기 제1 가변저항(210)의 저항값이고, a는 상기 제1 가변저항(210)의 최대 저항값을 나타낸다.
또한, 전류를 살펴보았을 때 상기 전류 입력형 연산증폭기(230)는 제2 저항단(250)에 의해 부궤환(negative feedback)되므로, 전류 입력형 연산증폭기(230)의 비반전 입력단으로 유입되는 전류(I1)와, 전류 입력형 연산증폭기(230)의 출력단에서 전류 입력형 연산증폭기(230)의 반전 입력단으로 유입되는 오프셋 전류(If)는,
Figure 112014061888336-pat00002
Figure 112014061888336-pat00003
와 같이 나타낼 수 있으며, R2는 제2 저항(241)의 저항값, VR2는 제2 가변저항(242)의 저항값, R3는 제3 저항(251)의 저항값, VR3는 제3 가변저항(252)의 저항값을 나타낸다. 여기서, 수학식 3을 상기 전류 입력형 연산증폭기(230)의 출력전압(Vout)에 대하여 정리하면 아래 [수학식 4]와 [수학식 5]로 표현할 수 있다.
Figure 112014061888336-pat00004
Figure 112014061888336-pat00005
여기서, 수학식 4의 If는 수학식 3에 나타나 있는 오프셋 전류이고, 상기 수학식 4의 오프셋 전류(If)의 크기에 따라서, 상기 전위차계(200)의 영점이 조절될 수 있다. 또한, 수학식 5의 R1은 제1 저항(260)의 저항값을 나타낸다.
상기 수학식 4 및 상기 수학식 5를 참조하면, VR2의 값을 조절함으로써 상기 전위차계(200)에 대한 오프셋 전류(If)를 조절할 수 있는바, VR2의 값을 변화시킴으로써 상기 전위차계(200)의 영점을 조절할 수 있다.
또한, 상기 수학식 5의 VR3(제3 가변저항(252)의 저항값)의 값을 조절함으로써 상기 전위차계(200)의 출력전압(Vout)값의 상승하는 정도가 변하기 때문에, 상기 수학식 5의 VR3의 값을 조절하여 이득을 조절할 수 있고, 상기 이득에 따라서, 상기 전위차계(200)의 분해능이 조절될 수 있다.
도 3은 증폭기를 사용하지 않은 종래의 전위차계를 적용한 관절의 각도변화에 따른 출력전압의 신호와 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계의 일 실시예를 적용한 관절의 각도변화에 따른 디지털 신호를 도시한 그래프이다.
도 3은 로봇 등의 링크관절의 관절각도를 측정하기 위하여 링크관절에 전위차계를 장착하여 전위차계에서 발생되는 신호를 디지털 변환한 그래프를 도시한다.
구체적으로, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)를 적용한 링크관절을 15°움직였을 때의 상기 전위차계(200)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 결과(310)와 종래의 전위차계를 적용한 링크관절을 15°움직였을 때의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 결과(320)를 함께 나타낸 것이다.
그래프의 세로축은 아날로그 입력 신호에 대한 상기 전위차계(200)의 출력전압을 디지털 신호로 변환(A/D변환)한 A/D변환값을 나타내며, 상기 A/D변환값의 범위가 넓을수록 전위차계의 분해능이 우수하다고 볼 수 있다. 그리고, 가로축은 입력된 아날로그 신호에 대한 샘플링 주파수(단위 : Hz)를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 종래의 전위차계의 A/D변환 데이터(320)는 대략 560 내지 615의 범위이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)의 A/D변환 데이터(310)는 대략 100 내지 800의 범위이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)를 이용한 A/D변환 데이터의 범위는 대략 700의 크기를 가지며, 종래의 전위차계를 이용한 A/D변환 데이터의 범위는 대략 55의 범위를 갖는바, 본 발명의 일 실시예에 따른 전위차계(200)의 A/D변환 데이터의 범위가 종래의 전위차계의 A/D변환 데이터의 범위보다 대략 대략 13배 큼을 알 수 있다. 그러므로, 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)가 사용되는 기계장치의 A/D변환 데이터의 범위가 종래의 전위차계의 A/D변환 데이터의 범위보다 넓으므로 분해능이 우수하다고 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)를 적용하면 기계장치의 분해능이 향상될 수 있다.

종래의 전위차계
전류 전송 방식을 이용한 전위차계

신호대잡음비 (S/N ratio)
20.0351㏈
60.4610㏈

분해능 (Resolution)
4.888×10-3

3.5714×10-4
표 1의 2행은 전위차계에 신호를 유입시킨 뒤 종래의 전위차계를 사용하여 받은 신호를 저주파 필터와 고주파 필터를 이용하여 얻어진 전압값의 신호대잡음비(Signal to Noise ratio, 이하 S/N ratio) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)를 사용하여 받은 신호를 저주파 필터와 고주파 필터를 이용하여 얻어진 신호대잡음비(S/N ratio)를 비교한 것이다.
또한, 표 1의 3행은 종래의 전위차계의 분해능과 본 발명에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)의 분해능을 비교한 것이다.
표 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)의 신호대잡음비는 대략 60.4610㏈이고, 종래의 전위차계의 신호대잡음비는 대략 20.0351㏈이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)의 신호대잡음비가 종래의 전위차계의 신호대잡음비 보다 대략 3배 이상 향상되었음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)는 종래의 전위차계에 비해 잡음에 대한 신호 강인성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 표 1을 참조하면, 종래의 전위차계의 분해능은 대략 4.888×10-3이고, 본 발명에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)의 분해능은 대략 3.5714×10-4인 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(200)의 분해능이 종래의 전위차계의 분해능보다 대략 13배 이상 향상됨을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전위차계(200)는 종래의 전위차계에 비해 기계장치의 분해능을 크게 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(400)를 도시한다.
상기 전류 전송 방식을 이용한 전위차계(400)는, 가변저항(410), 및 상기 가변저항(410)의 제2 단부(412) 또는 제3 단부(413)와 전기적으로 접속되는 전류 입력형 연산증폭기(420)를 구비할 수 있다.
상기 가변저항(410)은, 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 입력단에 전기적으로 접속되고, 상기 가변저항(410)은 상기 전위차계(400)에 흐르는 전류가 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)에 허용되는 최대 전류를 넘지 않게 하는 보호저항으로서 상기 가변저항(410)의 제1 단부(411)에 전기적으로 접속되는 제1 저항(430)을 더 포함할 수 있다.
상기 전류 입력형 연산증폭기(420)는 노튼증폭기로 이루어질 수 있다. 상기 노튼증폭기는 전류로 동작하기 때문에 잡음에 강인하다. 따라서, 상기 노튼증폭기를 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 전송 방식을 이용한 전위차계는 전압 입력형 연산증폭기를 적용한 종래의 전위차계보다 잡음에 강하며, 동작속도도 빠르다는 결론을 얻을 수 있다.
상기 전류 입력형 연산증폭기(420)는 상기 가변저항(410)과 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)는, 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 비반전 입력단(423)에 전기적으로 접속되는 제2 저항(440), 및 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 출력단(421)과 반전 입력단(422)을 전기적으로 연결하는 제3 저항(450)을 더 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 전위차계(400)는 상기 전위차계(400)가 사용되는 목적에 따라, 상기 제2 저항(440)을 저항값이 상이한 다른 저항으로 교체함으로써 상기 제2 저항(440)의 저항값을 다르게 설정하여 상기 전위차계(400)의 영점을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제3 저항(450)을 저항값이 상이한 다른 저항으로 교체함으로써 상기 제3 저항(450)의 저항값을 다르게 설정하여 상기 전위차계(400)의 출력전압의 이득을 조절할 수 있다.
이와 같이, 상기 전위차계(400)의 영점 또는 상기 전위차계(400)의 출력전압의 이득을 조절함으로써 전위차계(400)의 분해능이 향상될 수 있다.
도 4를 참조하여 전원(V1, V2)전압을 V, 출력전압을 Vo, 상기 제1 저항(430)의 저항값을 R1, 상기 가변저항(410)을 통과하여 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 입력단으로 유입되는 전류를 Is, 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 비반전 입력단(423)으로 유입되는 전류를 I1, 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 반전 입력단(422)으로 유입되는 전류를 I2, 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 출력단(421)과 반전 입력단(422)를 연결하는 제3 저항(450)의 저항값을 R3, 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 비반전 입력단(423)에 접속된 제2 저항(440)의 저항값을 R2라고 하였을 경우, 입력전류(Is)와 부궤환전류(If)의 관계는
Figure 112014061888336-pat00006
이고, I1은
Figure 112014061888336-pat00007
이 될 수 있다.
여기서, 출력전압 Vo는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014061888336-pat00008
상기 수학식 7을 수학식 8에 대입하면,
Figure 112014061888336-pat00009
가 될 수 있다. 상기 수학식 9를 참조하면, 상기 제3 저항(450)의 저항값 R3를 조절함으로써 상기 전위차계(400)의 이득을 조절할 수 있고, 제2 저항(440)의 저항값 R2를 조절함으로써 상기 입력전류(Is)와 관련된 오프셋 전류(If)를 조절하여 상기 전위차계(400)의 영점을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 저항(430)의 저항값을 270Ω, 상기 가변저항(410)의 최대 저항값을 4.7㏀, 전원(V1)이 5V가 인가될 경우, 상기 전위차계(400)의 입력전류(Is), 오프셋 전류 및 제2 저항(440)의 저항값을 살펴보면,

최소
최대

가변저항의 저항값
0Ω
4.7㏀

가변저항의 저항값 + 제1 저항의 저항값
270Ω
4.97㏀

입력전류(Is)
5V/270Ω = 18.5㎃
5V/4.97㏀ = 1㎃

오프셋 전류
18.5㎃
1㎃

제2 저항의 저항값
5V/18.5㎃ = 270Ω
5V/1㎃ = 5㏀
와 같이 나타난다.
여기서, 상기 수학식 9에 상기 전윈(V1)의 전압값인 5V를 대입하면,
Figure 112014061888336-pat00010
와 같이 나타낼 수 있다. 상기 수학식 10을 상기 전위차계(400)의 가변저항(410)의 저항값에 관하여 정리해보면,
Figure 112014061888336-pat00011
와 같이 표현된다. 하지만 상기 수학식 11에서 상기 전위차계(400)의 가변저항(410)의 저항값(VR)과 상기 전위차계(400)의 출력전압(Vo)의 관계가 반비례관계에 있는바, 상기 전위차계(400)를 사용함에 있어서 불편할 수 있다.
그러나, 도 2에서 상술한 바와 같이 전위차계에 전압 팔로워를 사용하면 수학식 5에서와 같이 상기 전위차계(400)의 가변저항(410)의 저항값(VR)과 상기 전위차계(400)의 출력전압(Vo)의 관계가 비례관계가 되어, 가변저항(410)의 저항값(VR)을 증가 또는 감소시킴에 따라 출력전압(Vo)이 증가 또는 감소되는바, 사용자의 사용상 편의를 더욱 높일 수 있다.
상기 표 2의 입력전류(Is)는 상기 전위차계(400)의 영점을 조절하기 위하여 조절되어야 하는데, 상기 오프셋은 상기 오프셋을 조절하기 위하여 상기 전위차계(400)의 상기 제2 저항(440)의 저항값을 상기 표 2의 제2 저항(440)의 저항값인 270Ω ~ 5㏀으로 조절하여 조절할 수 있다.
이 경우, 상기 제2 저항(440)은 최소저항인 270Ω에 대한 고정저항과 4.7㏀의 가변저항의 직렬연결로 이루어질 수 있다. 따라서, 4.7KΩ의 가변저항의 저항값을 조절함으로써 상기 제2 저항(440)의 저항값을 조절하여 상기 전위차계(400)의 오프셋을 조절할 수 있으며, 이에 따라 상기 전위차계(400)의 영점을 조절할 수 있게 된다.
상기 전위차계(400)의 이득은 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 입력전류(Is)의 변화량에 따라서, 결정될 수 있다. 이 때, 입력전류(Is)가 변화되는 범위는 1㎃ ~ 18.5㎃가 될 수 있으며, 최대 변화폭은 17.5㎃가 되고 이 때 상기 전위차계(400)의 이득이 최소가 된다. 이 때의 상기 전위차계(400) 출력의 변화는 0V ~ 5V로 나타나야 하므로, 제3 저항(450)의 저항값은 R3=5V/17.5mA=286Ω과 같이 나타날 수 있다. 입력전류(Is)의 변화폭이 매우 작아 1㎃가 되었을 경우 이 때 상기 전위차계(400)의 이득이 최대가 되며, 제3 저항(450)의 저항값은 R3=5V/1mA=5KΩ과 같이 나타날 수 있다. 따라서, 상기 전위차계(400)의 이득을 결정할 수 있는 저항인 상기 제3 저항(450)은 270Ω의 고정저항과 4.7㏀의 가변저항의 직렬연결로 이루어 질 수 있다.
따라서, 상기 전위차계(400)의 상기 제2 저항(440)의 저항값을 조절하여 상기 전위차계(400)의 영점을 조절할 수 있으며, 상기 제3 저항(450)을 조절하여 상기 전위차계(400)의 출력전압(Vo)의 이득을 조절할 수 있다.
또한, 상기 전위차계(400)의 출력전압의 이득을 조절할 수 있게 되므로 상기 전위차계(400)의 분해능을 높일 수 있다. 또한, 상기 전류 입력형 연산증폭기(420)의 사용으로 인하여 잡음신호에 대한 강인성을 높일 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100, 200, 400 : 전위차계 110, 210, 410 : 제1 가변저항
120, 220 : 전압 팔로워 130, 230, 420 : 전류 입력형 연산증폭기
240 : 제1 저항단 250 : 제2 저항단
260 : 제1 저항 300 : 10비트 A/D변환 그래프

Claims (14)

  1. 제1 가변저항; 및
    상기 제1 가변저항과 전기적으로 접속되며, 영점을 조절할 수 있고 출력전압의 이득을 조절할 수 있는 전류 입력형 연산증폭기; 및
    상기 제1 가변저항의 저항값과 상기 전류 입력형 연산증폭기의 출력전압값이 비례관계가 되도록 상기 제1 가변저항에 입력단이 전기적으로 연결되고 출력단이 상기 전류 입력형 연산증폭기에 전기적으로 연결되는 전압 팔로워(Voltage Follower);를 더 포함하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가변저항의 한쪽 단에 전기적으로 연결되는 저항을 더 포함하며,
    상기 제1 가변저항의 나머지 한쪽 단은 상기 전류 입력형 연산증폭기의 반전 입력단과 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 팔로워는 반전 입력단, 비반전 입력단 및 출력단을 갖는 연산증폭기(Operational Amplifier)로 이루어지며, 상기 연산증폭기의 반전 입력단과 출력단은 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전위차계는 제1 저항을 더 포함하고,
    상기 제1 저항은 상기 전압 팔로워와 상기 전류 입력형 연산증폭기를 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가변저항은 상기 전압 팔로워의 입력단에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전류 입력형 연산증폭기는 노튼증폭기(Norton Amplifier)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 노튼증폭기는 제2 저항과 제2 가변저항을 더 포함하고,
    상기 제2 저항과 제2 가변저항은 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 저항 또는 상기 제2 가변저항은 상기 노튼증폭기의 비반전 입력단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 가변저항은 상기 제2 가변저항의 저항값을 조절함으로써 상기 전위차계의 출력전압의 영점을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 노튼증폭기는 제3 저항과 제3 가변저항을 더 포함하고,
    상기 제3 저항과 상기 제3 가변저항은 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 저항 또는 상기 제3 가변저항은 상기 노튼증폭기의 출력단 또는 반전 입력단에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제3 가변저항은 상기 제3 가변저항의 저항값을 조절함으로써 상기 제1 가변저항의 영점을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류 전송 방식을 이용한 전위차계.
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