KR101810504B1 - 아날로그 신호 통합 처리 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아날로그 신호 통합 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 아날로그 신호 통합 처리 장치는, 다수의 아날로그 센서 신호가 입력되는 센서 입력부, 입력 선택 신호에 따라, 다수의 아날로그 센서 신호 중에서 어느 하나를 선택적으로 출력하는 입력 선택부, 입력 선택부에서 출력되는 신호의 최대 전압 크기가 기설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어하여 출력하는 먹스부, 먹스부에서 출력되는 신호에서 고주파 노이즈를 제거하여 출력하는 필터부, 및 필터부에서 출력되는 신호를 소정 크기의 증폭율로 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 다수의 아날로그 센서 신호를 하나의 모듈에서 입력받아 통합적으로 처리할 수 있다.

Description

아날로그 신호 통합 처리 장치 및 그 방법{Integrated analog signal processing apparatus and method thereof}
본 발명은 아날로그 신호 통합 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 아날로그 신호를 하나의 모듈에서 입력받아 통합적으로 처리할 수 있는 아날로그 신호 통합 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
산업 모니터링 애플리케이션이나 산업용 제어 시스템 등에서 다양한 센서가 사용되고 있다. 센서에서 감지되어 출력되는 센서 신호는 프로세스 내에서 모니터링 영역의 변화를 지속적으로 추적하는 데 사용할 수 있으며, 센서 신호로 디지털 신호와 아날로그 신호 모두가 발생할 수 있다. 그러나, 일반적인 센서 신호는 전압이나 전류 값으로 생성되며, 이러한 센서 신호는 모니터링 중인 물리적 변수에 비례한다.
한편, 아날로그 신호 처리는 자동화 프로세스에서 정의된 조건을 유지하거나, 정의된 조건에 도달해야 하는 제어 과정 등에 필요하며, 이는 프로세스 자동화 애플리케이션에서 특히 중요하다. 자동화 프로세스 엔지니어링에서는 일반적으로 표준화된 전기 신호가 사용되고 있으며, 아날로그 표준화 전류 0(4)~20mA, 아날로그 표준 전압 0~10V 등은 그 자체가 물리적 측정 및 제어변수로 인정받는다.
그런데, 산업현장에서는 다양한 기능과 방대한 설비를 통합 처리하면서, 동시에 일괄적으로 처리하는 것이 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족하기 위해서, 제어장비는 광범위한 기능을 수행할 수 있어야 하는데, 산업현장의 제한된 공간 내에 설치 가능하도록 제어장비의 부피를 제한하면서 광범위한 기능을 확보하기에는 위해서는, 요소기능 부분을 압축하거나 모듈화하여 간략하게 회로를 구성하는 것이 필요하다. 또한, 개별적인 아날로그 신호들이 나열되어 처리되는 경우에는 공간을 많이 차지하게 되므로, 다수의 아날로그 신호들을 통합적으로 처리할 필요가 있다.
따라서, 1-5V, 0-10V, 4-20mA, NTC 온도 데이터 등과 같은 다양한 아날로그 신호들을 하나의 모듈에서 입력받아 통합적으로 처리하여 공간을 확보할 수 있도록 하는 방안을 고려해 볼 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 다양한 아날로그 신호를 하나의 모듈에서 입력받아 통합적으로 처리하여 공간을 확보할 수 있도록 하는 아날로그 신호 통합 처리 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 아날로그 신호 통합 처리 장치는, 다수의 아날로그 센서 신호가 입력되는 센서 입력부, 입력 선택 신호에 따라, 상기 다수의 아날로그 센서 신호 중에서 어느 하나를 선택적으로 출력하는 입력 선택부, 상기 입력 선택부에서 출력되는 신호의 최대 전압 크기가 기설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어하여 출력하는 먹스부, 상기 먹스부에서 출력되는 신호에서 고주파 노이즈를 제거하여 출력하는 필터부, 및 상기 필터부에서 출력되는 신호를 소정 크기의 증폭율로 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 아날로그 신호 통합 처리 장치는, 상기 센서 입력부, 상기 입력 선택부, 상기 먹스부, 상기 필터부, 및 상기 증폭부 중 적어도 하나에 정전류를 공급하는 하울랜드 정전류부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서 입력부, 상기 입력 선택부, 상기 먹스부, 상기 하울랜드 정전류부, 상기 필터부, 및 상기 증폭부는 동일한 기판에 배치되어 하나의 모듈로 구성할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 아날로그 신호 통합 처리 방법은, 다수의 아날로그 센서 신호를 입력받는 단계, 입력 선택 신호에 따라, 상기 다수의 아날로그 센서 신호 중에서 선택된 어느 하나의 센서 신호인 제1 신호를 출력하는 단계, 상기 제1 신호의 최대 전압 크기가 기설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어한 제2 신호를 출력하는 단계, 상기 제2 신호에서 고주파 노이즈를 제거한 제3 신호를 출력하는 단계, 및 상기 제3 신호를 소정 크기의 증폭율로 증폭하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 모듈에서 다양한 아날로그 센서 신호들을 입력받아 통합적으로 처리할 수 있다. 이에 따라, 산업 현장에서 개별적인 아날로그 신호들이 나열되어 처리되는 경우에는 비하여 공간을 확보할 수 있다. 또한, 입력된 아날로그 센서 신호들을 필요에 따라 선택적으로 사용할 수 있으므로, 다양한 기능에 대한 통합적인 제어도 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 신호 통합 처리 장치의 블럭 구성도,
도 3은 도 2에서 NTC 온도센서 신호의 사용을 위한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면,
도 4는 도 2에서 1-5V 센서 신호나 0-10V 센서 신호의 사용을 위한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면,
도 5는 도 1에서 먹스부에 대한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면,
도 6 및 도 7은 도 1에서 필터부에 대한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면,
도 8은 도 1에서 증폭부에 대한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면, 그리고
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 신호 통합 처리 방법에 대한 설명에 제공되는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 신호 통합 처리 장치의 블럭 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 아날로그 신호 통합 처리 장치(100)는 센서 입력부(110), 입력 선택부(120), 먹스부(130), 하울랜드 정전류부(140), 필터부(150), 및 증폭부(160)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성요소들은 실제 응용에서 구현될 때 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다.
센서 입력부(110)에는 다양한 센서로부터 다수의 아날로그 센서 신호가 입력될 수 있다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, NTC 온도센서 신호(10a), 1-5V 센서 신호(10b), 0-10V 센서 신호(10c), 4-20mA 센서 신호(110d) 등이 입력될 수 있다.
입력 선택부(120)는 입력 선택 신호에 따라, 센서 입력부(110)로 입력되는 다수의 아날로그 센서 신호 중 어느 하나를 선택적으로 출력할 수 있다. 입력 선택부(120)는 마이크로컴퓨터(CPU) 등으로부터 입력 선택 신호를 받도록 구성할 수도 있고, 사용 환경에 따라서는 입력 선택 신호를 고정하여, 특정 센서 신호만 입력받게 구성할 수도 있다.
입력 선택부(120)에서 선택되는 아날로그 센서 신호는 미세한 정밀도를 가지기 때문에, 센서 신호의 임피던스 손상이나 센서 신호의 왜곡 등을 방지하기 위하여, 아날로그 무접점 또는 반도체 스위치 등을 사용할 수 있다.
먹스부(130)는 입력 선택부(120)에서 선택되어 출력되는 신호의 최대 전압 크기가 미리 설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어하여 출력한다. 미리 설정된 전압 크기로는 1V가 사용될 수 있다. 따라서, 먹스부(130)는 증폭부(160)의 입력단에 가해지는 최대 전압의 크기를 일정 크기의 이하의 전압으로 제어할 수 있다.
하울랜드 정전류부(140)는 기준전압을 기점으로 입력 센서 신호에 공급하는 전류가 일정하도록 할 수 있다. 센서 신호가 입력되는 케이블은 다양한 임피던스를 가지고 있으므로, 하울랜드 정전류부(140)를 통해 케이블의 임피던스와는 상관없이 일정량의 전류를 공급하여, 먹스부(130)에 평활한 입력 신호가 제공되도록 할 수 있다.
또한, 하울랜드 정전류부(140)는 과다한 전류가 공급되는 것을 방지하여, 센서나 기타 회로의 수명 단축을 방지할 수 있다.
필터부(150)는 먹스부(130)에서 출력되는 신호에서 고주파 노이즈를 제거하여 출력한다. 이를 위해, 필터부(140)는 저역통과를 위한 직병렬 필터를 사용하여 구성할 수 있다.
증폭부(160)는 필터부(150)를 통과한 신호를 일정 크기의 증폭율로 증폭하여 출력한다. 증폭부(160)에서 출력되는 신호는 CPU의 아날로그 입력단이나 기타 다른 장치에 전달되어 제어나 모니터링 등에 사용될 수 있다.
그리고, 센서 입력부(110), 입력 선택부(120), 먹스부(130), 하울랜드 정전류부(140), 필터부(150), 및 증폭부(160)를 하나의 기판에 배치하여 하나로 모듈화함으로써, 각종 아날로그 신호들을 하나의 모듈에서 입력받아, 필요에 따라 선택적으로 사용할 수 있으며, 공간 효율면에서도 유리하다.
또한, 하울랜드 정전류부(140)에서 일정한 전류를 공급함으로써, 신호 입력단(110) 등은 흔들림과 또는 외부환경 변화를 받지 않는 상태에서 센서 신호를 입력 받을 수 있기 때문에 정확성을 유지할 수 있다. ??.
도 3은 도 2에서 NTC 온도센서 신호의 사용을 위한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, NTC 온도센서는 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 서미스터(thermistor)를 이용하여 온도를 측정한다. NTC 서미스터는 온도에 대한 저항 온도계수가 커서, 미소 온도 및 정밀 측정이 가능하며, 무접점이므로 신뢰성이 높고, 양호하며, 구조가 간단하여 소형화가 가능한 특성이 있다.
일반적으로 분압 저항을 이용하여 NTC 서미스터를 사용하는 경우, NTC 서미스터에 가해지는 전류에 의해 NTC 서미스터에서 발열 발생이 나타날 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 아날로그 신호 통합 처리 장치(100)는, 하울랜드 정전류부(140)의 출력을 기준전압(Vref)으로 사용함으로써, 대략 200 uA의 정전류가 NTC 서미스터에 가해짐으로, NTC 서미스터에서 발열 현상이 나타나지 않으며, 온도 측정에도 NTC 서미스터 특성 곡성을 유지할 수 있다. 이와 같은 NTC 온도센서의 특성 곡선을 나타내면 다음과 같다.
Figure 112017010657764-pat00001
도 4는 도 2에서 1-5V 센서 신호나 0-10V 센서 신호의 사용을 위한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 1-5V 센서 신호 또는 0-10V의 센서 신호를 선택하여 사용하는 경우, 센서 전압을 입력받아 디바이드 저항(Dr)에 의해 산출된 전압(Vo)을 이용할 수 있다. 이와 같은 디바이드 저항의 이용에 의해, 1-5V 센서 신호 또는 0-10V의 센서 신호와 같은 높은 전압을 선택하여 사용하여도, 증폭부(160)의 입력단에 최대 1.0V가 넘어가지 않도록 설계할 수 있다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112017010657764-pat00002
4-20mA 센서 신호를 사용하는 경우에도, 1-5V 센서 신호 또는 0-10V의 센서 신호를 사용하는 경우와 동일한 방식을 이용하여, 증폭부(160)의 입력단에 1V 이하의 전압이 가해지지 않도록 할 수 있다.
또한, 디바이드 저항의 저항값은 고정되어 사용할 수도 있고, 제어 신호에 따라 가변 가능하도록 구성할 수도 있다.
도 5는 도 1에서 먹스부에 대한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 먹스부(130)는 입력 선택부(120)에서 출력되는 NTC 온도센서 신호, 1-5V 센서 신호, 0-10V 센서 신호, 4-20mA 센서 신호 중에서 어느 하나의 신호를 선택하여 출력할 수 있으며, 출력되는 신호의 최대 전압 크기가 미리 설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어하여 출력할 수 있다. 미리 설정된 전압 크기로는 1V가 사용될 수 있다.
먹스부(130)는 입력 선택부(120)에서의 신호 선택과 별도로 입력되는 신호 중에서 어느 하나를 선택하여 출력할 수 있으며, 먹스부(130)에서 출력되는 신호는 마이크로컴퓨터(CPU) 등으로부터 전달되는 신호에 의해 선택될 수 있다.
먹스부(130)는 출력되는 신호의 최대 전압 크기가 미리 설정된 전압 크기 이하로 출력되는지 여부 등을 모니터링 할 수 있다. 즉, 연산증폭기(OP1)를 이용한 비교기 회로에서 기준전압과 비교하여, 먹스부(130)에서 출력되는 신호가 설정값을 초과했는지 여부 등을 검출할 수 있다. 연산증폭기(OP1)을 이용한 비교기 회로에서 동작 전압(VCC)으로 하울랜드 정전류부(140)의 출력을 사용할 수 있다.
히스테리시스 신호를 발생시키는 신호에 대해서는 R6 가변 저항의 값을 조절하여, 연산증폭기에 입력되는 기준 전압의 크기를 조절할 수 있으며, 비교기 회로에서 출력되는 경보출력 신호는 마이크로컴퓨터(CPU)로 전달되어, 오동작 여부 등을 검출하는데 사용할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 1에서 필터부에 대한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 필터부(150)에서 로우패스 필터회로는 연산증폭기(OP2)를이용한 회로를 사용하여, 불필요한 고주파 노이즈를 차단하고 저역통과를 위해 사용한다. 즉, 연산증폭기(OP2)를 이용한 고주파 노이즈를 제거하기 위한 수단의 회로로 산업설비특성상 10KHz급 이상부터 노이즈를 제거하도록 설계된다.
고주파 노이즈 필터 회로에서 출력되는 신호는, 도 7에 도시한, 고주파 성분의 신호가 통과하도록 설계된 고역 통과 회로를 통하여, 필터부(150)는 저역 노이즈와 고주파 노이즈가 모두 제거된 신호를 출력할 수 있다.
도 8은 도 1에서 증폭부에 대한 회로 구성의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 증폭부(160)는 연산증폭기(OP3)를 이용한 비반전 증폭기(Non-Inverting Amplifier) 회로를 이용하여 구성할 수 있다. 비반전 증폭회로는 1 이상의 전압 이득을 갖고, 원래의 파형과 같은 출력을 얻을 수 있다. 이와 같은 비반전 증폭회로에서, 증폭율의 식은 다음과 같다.
Figure 112017010657764-pat00003
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 신호 통합 처리 방법에 대한 설명에 제공되는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 먼저, 센서 입력부(110)에서 다수의 아날로그 센서 신호를 입력받는다(S200).
다음으로, 입력 선택 신호에 따라, 입력 선택부(120)에서 다수의 아날로그 센서 신호 중에서 어느 하나를 선택한다(S205).
먹스부(130)는 선택된 센서 신호의 최대 전압 크기가 기설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어한다(S210).
필터부(150)는 최대 전압 크기가 제어된 신호에서 고주파 노이즈를 제거한다(S215).
증폭부(160)는 고주파 노이즈가 제거된 신호를 미리 설정된 증폭율로 증폭하여 출력한다(S220).
이와 같은 과정에 의해, 다양한 아날로그 센서 신호를 하나의 모듈에서 입력받아, 필요에 따라 선택된 센서 신호를 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 아날로그 신호 통합 처리 장치 및 그 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성에 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100 : 센서 입력부 120 : 입력 선택부
130 : 먹스부 140 : 하울랜드 정전류부
150 : 필터부 160 : 증폭부

Claims (10)

  1. 다수의 아날로그 센서 신호가 입력되는 센서 입력부;
    입력 선택 신호에 따라, 상기 다수의 아날로그 센서 신호 중에서 어느 하나를 선택적으로 출력하는 입력 선택부;
    상기 입력 선택부에서 출력되는 신호의 최대 전압 크기가 기설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어하여 출력하는 먹스부;
    상기 먹스부에서 출력되는 신호에서 고주파 노이즈를 제거하여 출력하는 필터부; 및
    상기 필터부에서 출력되는 신호를 소정 크기의 증폭율로 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함하며,
    상기 다수의 아날로그 센서 신호는, 디바이드 저항을 사용하여 전압 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 입력부, 상기 입력 선택부, 상기 먹스부, 상기 필터부, 및 상기 증폭부 중 적어도 하나에 정전류를 공급하는 하울랜드 정전류부를 더 포함하는 아날로그 신호 통합 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서 입력부, 상기 입력 선택부, 상기 먹스부, 상기 하울랜드 정전류부, 상기 필터부, 및 상기 증폭부는 동일한 기판에 배치되어 하나의 모듈로 구성하는 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 아날로그 센서 신호는, NTC 온도센서 신호, 1-5V 센서 신호, 0-10V 센서 신호, 4-20mA 센서 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디바이드 저항의 저항값은, 제어에 의해 가변가능한 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는, 연산증폭기를 이용한 비반전 증폭기 회로를 이용하여 상기 필터부에서 출력되는 신호를 증폭하는 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 장치.
  8. 다수의 아날로그 센서 신호를 입력받는 단계;
    입력 선택 신호에 따라, 상기 다수의 아날로그 센서 신호 중에서 선택된 어느 하나의 센서 신호인 제1 신호를 출력하는 단계;
    상기 제1 신호의 최대 전압 크기가 기설정된 전압 크기 이하가 되도록 제어한 제2 신호를 출력하는 단계;
    상기 제2 신호에서 고주파 노이즈를 제거한 제3 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 제3 신호를 소정 크기의 증폭율로 증폭하여 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 다수의 아날로그 센서 신호는, 디바이드 저항을 사용하여 전압 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 신호의 처리는, 동일한 기판에 배치된 하나의 모듈에서 처리하는 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 아날로그 센서 신호는, NTC 온도센서 신호, 1-5V 센서 신호, 0-10V 센서 신호, 4-20mA 센서 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그 신호 통합 처리 방법.
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CN108534819A (zh) * 2018-06-04 2018-09-14 西安太世德航空电器有限公司 一种恒流或恒压传感器模拟系统及方法

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