KR101675952B1

KR101675952B1 - 아날로그-디지털 변환 모듈

Info

Publication number: KR101675952B1
Application number: KR1020150175957A
Authority: KR
Inventors: 연영모; 유동석; 이원찬; 서덕규
Original assignee: (주)메티스
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2016-11-14

Abstract

고속의 제어, 정보의 데이터 처리를 동시에 실현할 수 있는 필드 네트워크로서 리얼 타임, 분산 제어, 인텔리젼트 기기와의 통신 오픈 환경을 제공하는 CC-LINK에 연결된 FA시스템에 있어서, 복수의 순수아날로그신호의 연속 파형을 불연속 파형으로 변환시키기 위하여 샘플링과 홀드를 수행하는 샘플/홀드수단; 상기 샘플/홀드수단에서 전송되는 복수의 제1아날로그신호의 전압값을 검출하여 대응하는 적어도 하나 이상의 제1디지털신호로 변환하는 제1변환수단; 상기 샘플/홀드수단에서 전송되는 복수의 제2아날로그신호의 전류값을 검출하여 대응하는 적어도 하나 이상의 제2디지털신호로 변환하는 제2변환수단; 상기 제1변환수단에서 대응하여 출력되는 상기 제1디지털신호와 상기 제2변환수단에서 대응하여 출력되는 상기 제2디지털신호를 각각 스위칭하는 스위칭수단; 상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단의 이상 여부에 따라 공통 접지와 복수개의 개별 접지를 구비하는 접지단을 온/오프시키는 접지온/오프수단; 및 상기 스위칭수단이 상기 제1디지털신호와 상기 제2디지털신호를 각각 스위칭하도록 하거나 상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단의 이상 여부를 판단하는 제어신호를 출력하여 상기 스위칭수단과 상기 접지온/오프수단에 전송하는 제어수단을 포함하는 것으로, 분해능이 뛰어나고 전압 방식과 전류 방식의 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하여 통합 처리함으로써 모듈 설치 비용을 절감할 수 있어서 CC-LINK의 대규모 제어시스템 및 제조라인에 적용할 수 있다.

Description

아날로그-디지털 변환 모듈{Module for analog - digital conversion}

본 발명은 아날로그-디지털 변환 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CC-LINK(Control & Communication- LINK)의 대용량 I/O 데이터, 수치 데이터 통신을 가능하게 하고 대규모 제어시스템 및 제조라인에 적용하기 위하여 전압, 전류 방식을 공용으로 사용하는 아날로그-디지털 변환 모듈에 관한 것이다.

국제 표준의 산업분야 전용의 네트워크 통신망 중 하나인 CC-LINK는 탁월한 고속성, 정시성을 갖고 있어 FA(Factory Automation) 시스템의 다양한 사용자를 위하여 고속의 제어, 정보의 데이터 처리를 동시에 실현할 수 있는 필드 네트워크로서 리얼 타임, 분산 제어, 인텔리젼트 기기와의 통신 오픈 환경을 제공하는바, 대용량 I/O 데이터(각2048점/마스터국), 수치 데이터(512워드/마스터국) 통신이 가능하며, 대규모의 제어시스템, 제조라인에도 적용할 수 있고, 배선 절감과 비용 절감이 가능하다. 특히, 로봇, 서보, 인버터 등의 풍부한 파트너 업체 제품으로 인하여 자유롭게 설비의 설계를 할 수 있는 이점이 있다. 이와 같은 CC-LINK에 채용되는 아날로그-디지털 변환기는 로봇, 서보, 인버터를 구동하기 위하여 아날로그 신호를 컴퓨터에서 처리할 수 있는 디지털 값으로 변환해 주는 장치로서, 입력된 아날로그 신호를 n비트(bit)의 바이너리(binary) 값으로 변환해준다. 아날로그 입력 신호는 자연계의 물리량을 센서를 통하여 그 크기나 세기, 밝기를 전압값 또는 전류값으로 나타낸다. 이와 같은 아날로그-디지털 변환기는 종류에 따라 입력 전압의 범위와 출력 비트수, 그리고 아날로그 입력이 디지털 출력으로 변환하는데 소요되는 시간이 다르며, 출력 비트수에 따라 분해능(resolution)이 결정되는데 전압범위가 0V~5V이고 출력 비트수가 8비트라면 5V/

=0.0195V가 구별할 수 있는 전압의 최소 단위가 되며

을 분해능이라 하고 출력 비트수가 클수록 분해능은 커지며 0.0195V가 디지털 값으로 1에 해당한다.

이와 같은 아날로그-디지털 변환기는 대한민국 등록특허(등록번호 : 10-1336373, 등록일자 : 2013년11월27일)에 언급되어 있는바, PLC(Programmable Logic Controller)의 구성으로서 아날로그-디지털 변환기가 아날로그 마스터 유닛과 슬레이브 유닛에 각각 연결되어 아날로그신호를 처리하고 있으나, 각각의 아날로그-디지털변환기에 기억장치, 연산부, 버스제어부가 연결되어 CC-LINK의 대용량 I/O 데이터, 수치 데이터 통신을 가능하게 하는 대규모 제어시스템에는 적합하지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 CC-LINK의 대용량 I/O 데이터, 수치 데이터 통신을 가능하게 하고 대규모 제어시스템 및 제조라인에 적용하기 위하여 분해능이 뛰어난 아날로그-디지털 변환 모듈 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 다른 해결과제는 CC-LINK의 대용량 I/O 데이터, 수치 데이터 통신을 가능하게 하고 대규모 제어시스템 및 제조라인에 적용하기 위하여 전압 방식과 전류 방식의 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 모듈을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 CC-LINK의 대용량 I/O 데이터, 수치 데이터 통신을 가능하게 하고 대규모 제어시스템 및 제조라인에 적용하기 위하여 접지(GND)단의 선택 적용이 가능하도록 함으로써 개별 아날로그-디지털 변환기의 이상 작동에 대비하는 아날로그-디지털 변환 모듈을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 사용자를 위하여 고속의 제어, 정보의 데이터 처리를 동시에 실현할 수 있는 필드 네트워크로서 리얼 타임, 분산 제어, 인텔리젼트 기기와의 통신 오픈 환경을 제공하는 CC-LINK에 연결된 FA시스템에 있어서, 복수의 순수아날로그신호의 연속 파형을 불연속 파형으로 변환시키기 위하여 샘플링과 홀드를 수행하는 샘플/홀드수단; 상기 샘플/홀드수단에서 전송되는 복수의 제1아날로그신호의 전압값을 검출하여 대응하는 적어도 하나 이상의 제1디지털신호로 변환하여 16비트 이상의 분해능과 응답속도를 갖는 제1변환수단; 상기 샘플/홀드수단에서 전송되는 복수의 제2아날로그신호의 전류값을 검출하여 대응하는 적어도 하나 이상의 제2디지털신호로 변환하여 16비트 이상의 분해능과 응답속도를 갖는 제2변환수단; 상기 제1변환수단에서 대응하여 출력되는 상기 제1디지털신호와 상기 제2변환수단에서 대응하여 출력되는 상기 제2디지털신호를 각각 스위칭하는 스위칭수단; 상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단의 이상 여부에 따라 공통 접지와 복수개의 개별 접지를 구비하는 접지단을 온/오프시키는 접지온/오프수단; 및 상기 스위칭수단이 상기 제1디지털신호와 상기 제2디지털신호를 각각 스위칭하도록 하거나 상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단의 이상 여부를 판단하는 제어신호를 출력하여 상기 스위칭수단과 상기 접지온/오프수단에 전송하는 제어수단을 포함하는 것이다.

또한 본 발명에서 상기 샘플/홀드수단은 상기 순수아날로그신호의 광대역 신호변환이 가능하게 하고 왜곡 없이 저전력으로 샘플링과 홀드가 가능하도록 적어도 하나 이상의 증폭기를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단이 각각 1국점유로 8채널 이상을 사용하기 위하여 각각 적어도 8개 이상의 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 접지온/오프수단은 상기 제어수단의 제어신호에 따라 전위차 발생을 방지하고 뇌전류와 고장전류를 여러 접지 전극에서 동시에 대지에 방전하며, 통신, 보안, 피뢰 등의 기준 접지 저항을 달리하여 각각 분리된 접지간의 충분한 이격 거리를 두고 설치한 후 개별적으로 연결하는 복수개의 개별 접지와, 상기 뇌전류 및 외부 서지전압에 의해 발생하는 제1선택수단과 제2선택수단을 구성하는 아날로그-디지털 변환기간의 전위차를 방지하는 공통 접지로 접지단을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 과제와 해결수단은 갖는 본 발명에 따르면 분해능이 뛰어나고 전압 방식과 전류 방식의 아날로그 입력 신호를 통합 처리하여 디지털 신호로 변환함으로써 모듈 설치 비용을 절감할 수 있어서 CC-LINK의 대규모 제어시스템 및 제조라인에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 모듈의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 아날로그-디지털 변환 모듈은 샘플/홀드수단(10), 제1변환수단(20), 제2변환수단(30), 스위칭수단(40), 접지온/오프수단(50) 및 제어수단(60)으로 구성된다.

샘플/홀드수단(10)은 복수의 순수아날로그신호의 연속 파형을 불연속 파형으로 변환시켜 샘플링과 홀드를 수행하며, 광대역 신호변환이 가능하게 하고 왜곡 없이 저전력으로 샘플링과 홀드가 가능하도록 적어도 하나 이상의 증폭기(도시되지 않음)를 포함한다.

샘플/홀드수단(10)을 통해 샘플링과 홀드된 제1아날로그신호(a1, a2, ... , an)가 입력되는 제1변환수단(20)은 적어도 8개 이상의 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음)로 구성하여 CC-LINK에 연결된 FA시스템(도시되지 않음)의 사용자를 위하여 고속의 제어, 정보의 데이터 처리를 동시에 실현할 수 있는 필드 네트워크로서 리얼 타임, 분산 제어, 인텔리젼트 기기와의 통신 오픈 환경을 제공한다.

제1변환수단(20)은 아날로그 입력 전압값이 DC 0~+10V인 제1아날로그신호(a1, a2, ... , an)를 대응하는 16비트 부호 바이너리(-65536~+65536)의 제1디지털신호(d1, d2, ... , dn)로 변환이 가능하여 아날로그 입력 범위를 변환할 수 있어 입출력변환 특성을 변경하는 것이 가능하여 고분해능과 고속의 응답속도를 갖고 있다. 이와 같은 제1변환수단(20)의 아날로그-디지털 변환기는 CC-LINK에 연결된 FA시스템을 제어하기 위하여 1시스템에 1국이 필요한 1국점유로 8채널 이상을 사용할 수 있으며, 사용주위온도가 0~55℃일때 제1디지털신호(d1, d2, ... , dn)의 디지털 출력 최대값에 대해 ±0.3%, 사용주위온도가 25±5℃일 때 디지털 출력치의 최대값에 대해 ±0.2%로 아날로그-디지털 변환을 실행한다.

또한, 제1변환수단(20)은 변환 방법으로 샘플링처리, 평균처리 중 선택하여 아날로그-디지털 변환기마다 지정할 수 있고 CC-LINK 시스템을 정지시키지 않고 유닛 교환을 할 수 있다.

한편, 제2변환수단(30)은 아날로그 입력 전류값이 DC 0~20㎃ 전류를 갖는 제2아날로그신호(A1, A2, ... , An)를 16비트 부호 바이너리(-65536~+65536)로 디지털 처리가 가능한 16비트 이상의 분해능과 응답속도를 갖는 제2디지털신호(D1, D2, ... , Dn)로 변환하기 위하여 적어도 8개 이상의 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음)로 구성한다. 이와 같은 제2변환수단(30)은 변환 방법으로 샘플링처리, 평균처리 중 선택하여 아날로그-디지털 변환기마다 지정할 수 있고 CC-LINK 시스템을 정지시키지 않고 유닛 교환을 할 수 있으며, CC-LINK에 연결된 FA시스템의 사용자를 위하여 고속의 제어, 정보의 데이터 처리를 동시에 실현할 수 있는 필드 네트워크로서 리얼 타임, 분산 제어, 인텔리젼트 기기와의 통신 오픈 환경을 제공하기 위하여, 1국점유로 8채널 이상을 사용한다.

또한, 제2변환수단(30)의 아날로그-디지털 변환기는 채널마다 제2아날로그신호(A1, A2, ... , An)의 입력 범위 전환이 가능하고, 사용주위온도가 0~55℃일때 제2디지털신호(D1, D2, ... , Dn)의 디지털 출력 최대값에 대해 ±0.3%, 사용주위온도가 25±5℃일 때 디지털 출력값의 최대값에 대해 ±0.2%로 아날로그-디지털 변환을 실행한다.

스위칭수단(40)은 제1디지털신호(d1, d2, ... , dn)와 제2디지털신호(D1, D2, ... , Dn)를 각각 스위칭하도록 제어수단(60)의 제어신호에 따라 제1변환수단(20)에서 출력되는 제1디지털신호(d1, d2, ... , dn)와 제2변환수단(30)에서 출력되는 제2디지털신호(D1, D2, ... , Dn)를 스위칭하여 CC-LINK에 연결된 FA시스템의 다수 장치와 연결되어 있는 출력단(out)으로 전송하며, 접지온/오프수단(50)은 제1변환수단(20)과 제2변환수단(30)의 이상 여부에 따른 제어수단(60)의 제어신호에 따라 공통 접지와 복수개의 개별 접지로 구비되는 접지단을 온/오프시킨다.

이와 같은 접지온/오프수단(50)은 내장된 접지단의 하나의 접지에 통신, 보안, 피뢰 등의 접지를 공통으로 연결하는 공통 접지는 뇌 전류로 인한 제1변환수단(20)과 제2변환수단(30)의 각각 적어도 8개 이상의 아날로그-디지털 변환기간의 전위차 발생을 방지하고 등전위 구성 뇌 전류와 고장전류를 여러 접지 전극에서 동시에 대지에 방전하며, 통신, 보안, 피뢰 등의 기준 접지 저항을 달리하여 각각 분리된 접지간의 충분한 이격 거리를 두고 설치한 후 개별적으로 연결하는 개별 접지는 뇌 전류로 인한 제1변환수단(20)과 제2변환수단(30)의 각각 적어도 8개 이상의 아날로그-디지털 변환기의 손상시 다른 아날로그-디지털 변환기를 보호할 수 있다.

이때, 공통 접지는 접지의 한계를 초과하는 문제 발생 시 연결된 모든 아날로그-디지털 변환기에 손상을 가져올 수 있고, 단독 접지는 아날로그-디지털 변환기간의 충분한 이격 거리를 확보해야만 하고 완전한 전기적 절연이 필수적으로 요구되고 뇌 전류 및 강한 서지(Surge) 전압 유입시 아날로그-디지털 변환기간의 전위차가 발생한다. 이와 같은 접지온/오프수단(40)의 공통 접지는 뇌 전류 및 외부 서지전압에 의해 발생하는 아날로그-디지털 변환기간의 전위차를 방지하여 안정된 기기 운용하기 위하여 접지저항이 변환기 모듈의 특성 및 외부 환경을 고려하여 가능한 한 낮게 하고, 변환기 모듈 스펙에서 분리 요구 시 운용상 잡음에 매우 민감하여 오작동 발생 예상시에 개별 접지는 각각의 아날로그-디지털 변환기간의 완전한 절연 분리가 필수이며 접지저항은 각각의 아날로그-디지털 변환기에 맞게 처리된다. 상술한 바와 같은 공통 접지의 접지저항은 등전위 효과를 고려하여 2Ω 이하로 채용하고, 개별 접지는 보통 1종 10Ω 이하가 원칙이지만 통신의 경우 잡음 문제로 인해 5Ω 이하로 맞추며 별도의 기기 접지를 해야하는바, 병원에서 사용하는 경우 수술실, 집중치료실, 심장관련 치료실 등은 마이크로 쇼크 등의 문제로 1Ω 이하가 안전하다.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 샘플/홀드수단 20 : 제1변환수단
30 : 제2변환수단 40 : 스위칭수단
50 : 접지온/오프수단 60 : 제어수단

Claims

고속의 제어, 정보의 데이터 처리를 동시에 실현할 수 있는 필드 네트워크로서 리얼 타임, 분산 제어, 인텔리젼트 기기와의 통신 오픈 환경을 제공하는 CC-LINK에 연결된 FA시스템에 있어서,
복수의 순수아날로그신호의 연속 파형을 불연속 파형으로 변환시키기 위하여 샘플링과 홀드를 수행하는 샘플/홀드수단;
상기 샘플/홀드수단에서 전송되는 복수의 제1아날로그신호의 전압값을 검출하여 대응하는 적어도 하나 이상의 제1디지털신호로 변환하여 16비트 이상의 분해능과 응답속도를 갖는 제1변환수단;
상기 샘플/홀드수단에서 전송되는 복수의 제2아날로그신호의 전류값을 검출하여 대응하는 적어도 하나 이상의 제2디지털신호로 변환하여 16비트 이상의 분해능과 응답속도를 갖는 제2변환수단;
상기 제1변환수단에서 대응하여 출력되는 상기 제1디지털신호와 상기 제2변환수단에서 대응하여 출력되는 상기 제2디지털신호를 각각 스위칭하는 스위칭수단;
상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단의 이상 여부에 따라 공통 접지와 복수개의 개별 접지를 구비하는 접지단을 온/오프시키는 접지온/오프수단; 및
상기 스위칭수단이 상기 제1디지털신호와 상기 제2디지털신호를 각각 스위칭하도록 하거나 상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단의 이상 여부를 판단하는 제어신호를 출력하여 상기 스위칭수단과 상기 접지온/오프수단에 전송하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 샘플/홀드수단은 상기 순수아날로그신호의 광대역 신호변환이 가능하게하고 왜곡없이 저전력으로 샘플링과 홀드가 가능하도록 적어도 하나 이상의 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1변환수단과 상기 제2변환수단이 각각 1국점유로 8채널 이상을 사용하기 위하여 각각 적어도 8개 이상의 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 접지온/오프수단은 상기 제어수단의 제어신호에 따라 전위차 발생을 방지하고 뇌전류와 고장전류를 여러 접지 전극에서 동시에 대지에 방전하며, 통신, 보안, 피뢰 등의 기준 접지 저항을 달리하여 각각 분리된 접지간의 충분한 이격 거리를 두고 설치한 후 개별적으로 연결하는 복수개의 개별 접지와, 상기 뇌전류 및 외부 서지전압에 의해 발생하는 제1선택수단과 제2선택수단을 구성하는 아날로그-디지털 변환기간의 전위차를 방지하는 공통 접지로 접지단을 구비하는 것을 특징으로 하는 아날로그-디지털 변환 모듈.