KR101994363B1 - 가스 센싱용 계측 장치 - Google Patents

가스 센싱용 계측 장치 Download PDF

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KR101994363B1
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김재준
박경환
최수빈
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 가스 센싱용 계측 장치에 관한 것으로, 일 단이 전원 전압원 및 접지 중 어느 하나와 연결되며, 타 단이 제1 가변 전류원과 연결되는 가변 저항; 일 단이 상기 접지와 연결되며, 타 단이 제2 가변 전류원과 연결되는 센서 저항; 상기 가변 저항의 저항 값을 상기 센서 저항의 저항 값에 근사하도록 설정하고, 상기 제2 가변 전류원의 전류 값을 상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 근사하도록 설정하는 저항-전류 설정부; 및 상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 의해 상기 가변 저항에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제1 전압과, 상기 제2 가변 전류원의 전류 값에 의해 상기 센서 저항에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제2 전압의 차 값을 기초로 상기 센서 저항의 저항 값을 결정하는 계측부를 포함할 수 있다.

Description

가스 센싱용 계측 장치 {MEASUREMENT APPARATUS FOR GAS SENSING}
본 발명은 계측 장치에 관한 것으로, 특히 저항 측정을 통해 가스(gas) 등을 검출하는데 적합한 가스 센싱용 계측 장치에 관한 것이다.
가스 센서는 대기 중의 가스 성분을 검출하기 위한 것으로, 각종 가스가 에너지원으로 이용되기 시작하면서 공업 분야는 물론 가정용으로도 수요가 높아진 계측 장치 중 하나이다.
가스 센서의 계측 방식으로는 전기적 방식, 전기 화학적 방식, 광학적 방식 등이 있으며, 이중 전기저항의 변화율을 이용한 전기적 방식이 주로 사용되고 있다.
저항 변화율을 ADC(Analog to Digital Convertor)를 통해 디지털 값으로 변환하는 가스 센서의 경우, 계측되는 저항의 절대적인 값의 크기에 따라 센싱 가능한 최소 저항 변화 값(해상도, resolution)이 줄어들게 되는데, 가스 센서의 저항 값이 너무 클 경우, 제한된 해상도의 ADC로 저항 값을 정밀하게 측정하는 데는 한계가 있다.
한국공개특허 2011-0117008호, 2011.10.26 공개
본 발명의 실시예에서는, 센서 저항과 비슷한 저항 값을 갖는 가변 저항에 걸리는 전압과의 차를 이용하여 센서 저항의 저항 값을 계측함으로써, 제한된 해상도의 ADC로도 고 해상도의 계측 결과를 얻을 수 있는 계측 장치를 제안하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 일 단이 전원 전압원 및 접지 중 어느 하나와 연결되며, 타 단이 제1 가변 전류원과 연결되는 가변 저항; 일 단이 상기 접지와 연결되며, 타 단이 제2 가변 전류원과 연결되는 센서 저항; 상기 가변 저항의 저항 값을 상기 센서 저항의 저항 값에 근사하도록 설정하고, 상기 제2 가변 전류원의 전류 값을 상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 근사하도록 설정하는 저항-전류 설정부; 및 상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 의해 상기 가변 저항에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제1 전압과, 상기 제2 가변 전류원의 전류 값에 의해 상기 센서 저항에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제2 전압의 차 값을 기초로 상기 센서 저항의 저항 값을 결정하는 계측부를 포함하는 계측 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 계측 장치는, 상기 전원 전압원과 상기 가변 저항 사이에 연결되는 제1 스위치; 일 단이 상기 가변 저항과 상기 제1 가변 전류원 사이의 노드(node)에, 타 단이 상기 센서 저항과 상기 제2 가변 전류원 사이의 노드에 각각 연결되는 제2 스위치; 상기 접지와 상기 가변 저항 사이에 연결되는 제3 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 저항-전류 설정부는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온될 때 상기 가변 저항의 저항 값을 상기 센서 저항의 저항 값에 근사하도록 설정하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-오프되고, 상기 제3 스위치가 턴-온될 때 상기 제2 가변 전류원의 전류 값을 상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 근사하도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온될 때의 입력 전압과 공통모드 전압의 크기를 비교하고, 상기 입력 전압과 상기 공통 모드 전압의 크기를 비교한 결과를 상기 저항-전류 설정부로 제공하는 제1 증폭기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 저항-전류 설정부는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온된 상태에서 상기 입력 전압이 상기 공통 모드 전압에 근사하게 될 때, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-오프시키고 상기 제3 스위치를 턴-온 시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 가변 전류원과 상기 제2 가변 전류원이 턴-오프된 상태에서 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온될 수 있다.
또한, 상기 계측 장치는, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차 값을 입력 받아 디지털 값으로 변환하여 상기 계측부로 제공하는 아날로그-디지털 변환부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 계측 장치는, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차 값을 출력하는 제2 증폭기; 및 상기 제1 가변 전류원 또는 상기 제2 가변 전류원의 전류 값에 반비례하도록 상기 제2 증폭기의 출력 이득을 제어하는 이득 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 증폭기는, CDS(Correlated Double Sampling) 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 저항-전류 설정부는, 상기 제1 가변 전류원의 전류 값이 상기 가변 저항의 저항 값에 반비례하도록 설정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 센서 저항과 비슷한 저항 값을 갖는 가변 저항에 걸리는 전압과의 차를 이용하여 센서 저항의 저항 값을 계측함으로써, 제한된 해상도의 ADC로도 고 해상도의 계측 결과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 계측 장치의 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 저항 설정을 위한 계측 장치의 스위칭 동작을 예시한 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전류 설정을 위한 계측 장치의 스위칭 동작을 예시한 회로 구성도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에서는, 센서 저항과 비슷한 저항 값을 갖는 가변 저항에 걸리는 전압과의 차를 이용하여 센서 저항의 저항 값을 계측함으로써, 제한된 해상도의 ADC로도 고 해상도의 계측 결과를 얻을 수 있는 계측 장치를 제공하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 계측 장치(10)의 회로 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 계측 장치(10)는 센서 저항(RSENS), 가변 저항(RDAC), 제1 및 제2 가변 전류원(I1, I2), 제1 내지 제3 스위치(SW1~SW3), 제1 증폭기(100), 저항-전류 설정부(110), 이득 제어부(120), 제2 증폭기(130), 아날로그-디지털 변환부(140) 및 계측부(150)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 센서 저항(RSENS)은 저항 값을 측정하기 위한 저항 소자로서, 일 단이 접지(GND)와 연결되고, 타 단이 제2 가변 전류원(I2)과 연결될 수 있다.
가변 저항(RDAC)은 저항 값을 가변시킬 수 있는 저항 소자로서, 일 단이 전원 전압원(VDD) 및 접지(GND) 중 어느 하나와 연결되고, 타 단이 제1 가변 전류원(I1)과 연결될 수 있다.
제1 가변 전류원(I1)은 일 단이 전원 전압원(VDD)에 연결되고, 타 단이 가변 저항(RDAC)에 연결될 수 있다. 이러한 제1 가변 전류원(I1)의 전류 값에 의해 가변 저항(RDAC)에 전류가 인가됨에 따라 제1 전압(예컨대, 기준 전압, VREF)이 발생될 수 있다. 이러한 제1 가변 전류원(I1)의 전류 값은 가변 저항(RDAC)의 저항 값에 반비례하도록 설정될 수 있다.
제2 가변 전류원(I2)은 일 단이 전원 전압원(VDD)에 연결되고, 타 단이 센서 저항(RSENS)에 연결될 수 있다. 이러한 제2 가변 전류원(I2)의 전류 값에 의해 센서 저항(RSENS)에 전류가 인가됨에 따라 제2 전압(예컨대, 입력 전압, VIN2)이 발생될 수 있다.
제1 스위치(SW1)는 전원 전압원(VDD)과 가변 저항(RDAC) 사이에 연결되고, 제2 스위치(SW2)는 일 단이 가변 저항(RDAC)과 제1 가변 전류원(I1) 사이의 노드(node)에, 타 단이 센서 저항(RSENS)과 제2 가변 전류원(I2) 사이의 노드에 각각 연결될 수 있다. 이러한 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 동일한 타이밍으로 온/오프 동작될 수 있다.
또한, 제3 스위치(SW3)는 접지(GND)와 가변 저항(RDAC) 사이에 연결될 수 있다.
제1 증폭기(100)는 측정하고자 하는 센서 저항(RSENS)을 지나 입력 전압(VIN1)이 인가되는 제1 입력단, 공통모드 전압(VCM)이 입력되는 제2 입력단 및 제1 차동 전압(Vamp1)을 출력하는 제1 출력단으로 구성될 수 있으며, 제1 입력단의 입력 전압(VIN1)과 제2 입력단의 공통모드 전압(VCM)의 크기를 비교하고, 제1 입력단의 입력 전압(VIN1)과 제2 입력단의 공통모드 전압(VCM)의 크기를 비교한 결과를 후술하는 저항-전류 설정부(110)로 제공할 수 있다. 여기서, 공통모드 전압(VCM)은 전원 전압(VDD)과 접지(GND)의 평균 전압일 수 있다. 예를 들어, VCM=VDD/2일 수 있다.
이러한 제1 증폭기(100)는, 예를 들어 두 개의 입력 단과 한 개의 출력 단을 갖는 연산 증폭기(Operational Amplifier), 구체적으로 고정된 제2 입력단의 공통모드 전압(VCM)과 다른 한쪽의 제1 입력단에 입력되는 전압의 차를 증폭하여 출력하는 비교기(comparator)를 포함할 수 있다.
저항-전류 설정부(110)는 가변 저항(RDAC)의 저항 값을 센서 저항(RSENS)의 저항 값에 근사하도록 설정하고, 제2 가변 전류원(I2)의 전류 값을 제1 가변 전류원(I1)의 전류 값에 근사하도록 설정할 수 있다. 이와 같이, 저항-전류 설정부에 의해 제2 가변 전류원(I2)의 전류 값이 제1 가변 전류원(I1)의 전류 값에 근사하도록 설정하는 경우, 저항 값에 비해 전류 값은 실질적으로 동일하게 설정될 수 있다.
이득 제어부(120)는 제1 가변 전류원(I1) 또는 제2 가변 전류원(I2)의 전류 값에 반비례하도록 후술하는 제2 증폭기(130)의 출력 이득을 제어할 수 있다.
제2 증폭기(130)는 기준 전압(VREF)인 제1 전압이 입력되는 제3 입력단, 입력 전압(VIN2)인 제2 전압이 입력되는 제4 입력단 및 제2 차동 전압(Vamp2)을 출력하는 제2 출력단으로 구성될 수 있으며, 제1 전압과 제2 전압의 차 값을 출력하여 후술하는 아날로그-디지털 변환부(140)로 제공할 수 있다.
이러한 제2 증폭기(130)는, 예를 들어 두 개의 입력 단과 한 개의 출력 단을 갖는 연산 증폭기, 구체적으로 고정된 제3 입력단의 기준 전압(VREF)과 다른 한쪽의 제4 입력단에 입력되는 전압의 차를 증폭하여 출력하는 CDS(correlated Double Sampling) 회로를 포함할 수 있다.
아날로그-디지털 변환부(140)는 제2 증폭기(130)에서 출력되는 제1 전압과 제2 전압의 차 값을 입력 받아 디지털 값으로 변환하여 계측부(150)로 제공할 수 있다. 이러한 아날로그-디지털 변환부(140)는, 예를 들어 SAR ADC(Successive Approximation Resister Analog-Digital Converter)를 포함할 수 있다.
계측부(150)는 제1 가변 전류원(I1)의 전류 값에 의해 가변 저항(RDAC)에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제1 전압(VREF)과, 제2 가변 전류원(I2)의 전류 값에 의해 센서 저항(RSENS)에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제2 전압(VIN)의 차 값을 기초로 센서 저항(RSENS)의 저항 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 계측부(150)는 아날로그-디지털 변환부(140)에서 디지털 변환된 제1 전압과 제2 전압의 차 값을 기초로 센서 저항(RSENS)에서 감지되는 저항 값을 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 저항 설정을 위한 계측 장치(10)의 스위칭 동작을 예시한 회로 구성도이다.
상술한 바와 같이, 저항-전류 설정부(110)는 1차적으로 가변 저항(RDAC)의 저항 값을 센서 저항(RSENS)의 저항 값에 근사하도록 설정한다. 이를 위해, 저항-전류 설정부(110)는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 턴-온 동작되도록 제어할 수 있다. 이때, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 제1 가변 전류원(I1) 또는 제2 가변 전류원(I2)이 턴-오프된 상태에서 턴-온 동작될 수 있다.
제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 턴-온 동작에 대응하여 저항-전류 설정부(110)는 가변 저항(RDAC)의 저항 값을 센서 저항(RSENS)의 저항 값에 근사하도록(유사해지도록) 설정할 수 있다. 예를 들어, 저항-전류 설정부(110)는 제1 증폭기(100)를 통해 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 턴-온될 때의 입력 전압(VIN1)과 공통모드 전압(VCM)의 크기 차(Vamp1)를 입력 받고, 입력 전압과 공통모드 전압의 크기 차(Vamp1)가 기 설정된 값에 도달하기 전까지 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 턴-온 상태로 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 기준 전압(VREF)을 1V라고 가정했을 때, 크기 차(Vamp1)가 0.1V에 도달하기 전까지 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 턴-온 상태로 유지시킬 수 있다.
이러한 가변 저항(RDAC)의 저항 값을 설정하기 위해서는, 예를 들어 이진 탐색(binary research) 기법이 적용될 수 있으며, 이러한 이진 탐색 기법은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있는 바, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전류 설정을 위한 계측 장치(10)의 스위칭 동작을 예시한 회로 구성도이다.
상술한 바와 같이, 저항-전류 설정부(110)는 2차적으로 제2 가변 전류원(I2)의 전류 값을 제1 가변 전류원(I1)의 전류 값에 근사하도록 설정할 수 있다. 이를 위해, 저항-전류 설정부(110)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 턴-온된 상태에서 입력 전압(VIN1)이 공통모드 전압(VCM)에 근사하게 될 때, 즉 입력 전압(VIN1)과 공통모드 전압(VCM)의 크기 차가 기 설정된 값에 도달하게 될 때, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 턴-오프시키고, 제3 스위치(SW3)를 턴-온시킬 수 있다.
제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 턴-오프 동작되고, 제3 스위치(SW3)가 턴-온 동작됨에 따라, 제2 가변 전류원(I2)의 전류 값은 제1 가변 전류원(I1)의 전류 값에 근사하게 설정될 수 있으며, 이 경우 저항 값에 비해 전류 값은 실질적으로 동일하게 설정될 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 센서 저항과 비슷한 저항 값을 갖는 가변 저항에 걸리는 전압과의 차를 이용하여 센서 저항의 저항 값을 계측함으로써, 제한된 해상도의 ADC로도 고 해상도의 계측 결과를 얻을 수 있도록 구현하였다.
한편, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 적어도 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
VDD: 전원 전압원
RSENS: 센서 저항
RDAC: 가변 저항
I1, I2: 가변 전류원
SW1~SW3: 스위치
100: 제1 증폭기(비교기)
110: 저항-전류 설정부
120: 이득 제어부
130: 제2 증폭기(CDS 회로)
140: 아날로그-디지털 변환부
150: 계측부

Claims (10)

  1. 일 단이 전원 전압원 및 접지 중 어느 하나와 연결되며, 타 단이 제1 가변 전류원과 연결되는 가변 저항;
    일 단이 상기 접지와 연결되며, 타 단이 제2 가변 전류원과 연결되는 센서 저항;
    상기 가변 저항의 저항 값을 상기 센서 저항의 저항 값에 근사하도록 설정하고, 상기 제2 가변 전류원의 전류 값을 상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 근사하도록 설정하는 저항-전류 설정부; 및
    상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 의해 상기 가변 저항에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제1 전압과, 상기 제2 가변 전류원의 전류 값에 의해 상기 센서 저항에 전류가 인가됨에 따라 발생하는 제2 전압의 차 값을 기초로 상기 센서 저항의 저항 값을 결정하는 계측부를 포함하는
    계측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 전압원과 상기 가변 저항 사이에 연결되는 제1 스위치;
    일 단이 상기 가변 저항과 상기 제1 가변 전류원 사이의 노드(node)에, 타 단이 상기 센서 저항과 상기 제2 가변 전류원 사이의 노드에 각각 연결되는 제2 스위치;
    상기 접지와 상기 가변 저항 사이에 연결되는 제3 스위치를 더 포함하는
    계측 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항-전류 설정부는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온될 때 상기 가변 저항의 저항 값을 상기 센서 저항의 저항 값에 근사하도록 설정하고,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-오프되고, 상기 제3 스위치가 턴-온될 때 상기 제2 가변 전류원의 전류 값을 상기 제1 가변 전류원의 전류 값에 근사하도록 설정하는
    계측 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온될 때의 입력 전압과 공통모드 전압의 크기를 비교하고, 상기 입력 전압과 상기 공통 모드 전압의 크기를 비교한 결과를 상기 저항-전류 설정부로 제공하는 제1 증폭기를 더 포함하는
    계측 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저항-전류 설정부는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온된 상태에서 상기 입력 전압이 상기 공통 모드 전압에 근사하게 될 때, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴-오프시키고 상기 제3 스위치를 턴-온 시키는
    계측 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 가변 전류원과 상기 제2 가변 전류원이 턴-오프된 상태에서 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-온되는
    계측 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차 값을 입력 받아 디지털 값으로 변환하여 상기 계측부로 제공하는 아날로그-디지털 변환부를 더 포함하는
    계측 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차 값을 출력하는 제2 증폭기; 및
    상기 제1 가변 전류원 또는 상기 제2 가변 전류원의 전류 값에 반비례하도록 상기 제2 증폭기의 출력 이득을 제어하는 이득 제어부를 더 포함하는
    계측 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 증폭기는,
    CDS(Correlated Double Sampling) 회로를 포함하는
    계측 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항-전류 설정부는,
    상기 제1 가변 전류원의 전류 값이 상기 가변 저항의 저항 값에 반비례하도록 설정하는
    계측 장치.
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