KR102052728B1

KR102052728B1 - Adc 측정범위의 확장방법 및 장치

Info

Publication number: KR102052728B1
Application number: KR1020170175757A
Authority: KR
Inventors: 신건우
Original assignee: 신건우
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2020-01-08
Also published as: KR20190084153A

Abstract

본 발명은 ADC의 측정범위를 확장하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는, 마이컴(100)에 내장된 10비트 ADC(120)를 20비트로 확장하기 위한 ADC 측정범위의 확장장치에 있어서, 상기 마이컴(100)에 20비트 DAC(130)가 연결되고 상기 DAC(130)의 출력은 비교기(140)의 입력 B에 연결되고 상기 비교기(140)의 다른 입력 A는 상기 ADC(120)의 아날로그 입력 Vin(110)과 공통으로 연결되며, 피측정 전압이 상기 아나로그 입력 Vin(110)에 연결되어 상기 ADC(120)에서 AD변환을 통해 10비트 측정값을 먼저 얻고, 상기 10비트 측정값에서 (측정값 - 1) 내지 (측정값 +1)의 구간을 20비트로 확장하여 정의구간을 설정하고 상기 정의구간을 20비트 전체의 LSB값으로 상기 정의구간 사이의 최소값에서 최대값까지 순차적으로 DAC(130)에 전압으로 출력하고 상기 출력전압을 상기 비교기(140)의 입력 B로 하고 상기 아날로그 입력 Vin(110)의 전압을 상기 비교기(140)의 입력 A로 하여 상기 입력 A,B의 두 전압을 비교하여 교차점을 찾아 AD변환을 수행하도록 한다.

Description

ADC 측정범위의 확장방법 및 장치{An apparatus and method of ADC range expansion}

본 발명은 통상적인 마이컴에 내장되어 있는 저해상도 ADC를 이용하여 고해상도 측정이 가능하도록 ADC의 측정범위를 확장하는 구성과 방법에 관한 것으로, 보다 상세히 설명하면 마이컴에 내장되어 있는 n 비트의 ADC를 m 비트의 해상도로 확장하여 m 비트의 고해상도의 ADC 측정결과를 얻을 수 있는 ADC 측정범위의 확장방법 및 장치에 관한 것이다.

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온도, 압력, 습도, 전압, 전류 등의 측정장치는 일반적으로 소형 및 저가형 계측기를 사용한다. 해당 분야의 제품들은 대부분 저가이고 소형이다 보니 저해상도 ADC가 오래전부터 사용되어 왔으나 해상도를 결정짓는 비트의 수가 부족하여 고해상도 ADC를 추가로 설치하거나 고해상도 ADC를 사용하지 않고도 동일한 효과를 얻는 방법이 필요로 하였다.
ADC를 구현하는 방법은 Single Slope, Flash type, SAR, Sigma Delta 등 여러 방법이 있으며, 마이컴은 상기 방법 중의 한 가지 방법의 ADC를 내장하고 있다. 그런데, 내장되어 있는 ADC는 통상 8 내지 12비트의 저해상도 ADC로서 출력 비트수가 적어서 보다 정밀한 측정을 수행하기 위해서는 별도로 고해상도 ADC를 설치해야 했으며, 부품의 설치 공간과 비용이 추가로 필요하게 되어 불편하였다.
한편, 고해상도 ADC를 추가로 설치하지 않기 위한 방법으로는 Single Slope ADC를 마이컴 외부에 구현하거나, ADC의 Voltage Reference를 다단 확장하여 측정구간을 확장하거나, V/F 컨버터 등을 사용하기도 하였다. 최근에는 고해상도 ADC의 가격이 저렴하게 공급되고 있으나 마이컴의 변경없이, 그리고 고해상도의 ADC의 추가설치 없이도 고해상도 ADC 측정결과를 수행하는 방법의 필요성이 요구되고 있다.
한국 등록특허 제10-1783745호는 Vref H 와 Vref L 의 기준전압을 다중으로 구비하여 ADC의 측정구간을 확장하는 방법으로 참고할 수 있으며, 한국 등록특허 제10-0441398호는 측정값의 합과 분할, 그리고 그 차에 의한 방법으로 측정구간을 확장하는 방법으로 참고할 수 있다.

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KR

101783745

A

KR

100441398

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본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 저해상도 ADC를 고해상도 ADC로 측정범위를 확장하기 위한 방법과 장치를 제공하여 ADC의 해상도를 높일 수 있으며, 측정결과의 오차가 내장된 ADC 오차의 LSB에 해당하는 값의 +1 내지 -1 혹은 상기 ADC의 측정오차와 동등하거나 더 정밀한 결과를 제공하고, 최소의 부품추가로 원하는 고해상도의 m 비트 ADC 결과 값을 제공하도록 하는 ADC 측정범위의 확장장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 마이컴에 내장된 ADC (120) 를 이용하여 측정을 하고, ADC 측정값의 LSB - 1에서 LSB + 1 까지의 구간을 본 발명의 방법으로 구간을 설정하여, 2^(m-n)을 곱하여 m 비트 영역으로 확장하고, 고해상도 m 비트의 DAC를 이용해서 본 발명의 방법으로 DAC (130)에 전압을 출력하여 아날로그 입력전압과 비교하며, 상기과정으로 m 비트 DAC가 가지는 분해능으로 ADC 변환을 하고, Sample and Hold 회로를 사용하지 않고도 0~ Vref 까지 전체구간을 비교 및 측정하는 Single Slope ADC보다 빠른 특징을 가지게 하는 ADC 측정범위 확장방법을 제공한다.

본 발명에 따른 저해상도 ADC의 확장방법 및 장치로 하여, 마이컴에 내장되어 있는 n 비트 ADC의 해상도를 m 비트로 확장함에 있어서 m 비트의 DAC와 비교기를 사용하고 ADC 측정값의 LSB에 해당하는 +1 내지 -1 의 구간을 상세히 측정하여 n 비트 ADC를 이용하여 m 비트의 ADC 측정결과를 정확하고 빠르게 수행 하므로 ADC의 측정범위를 확장하는 결과를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 비교적 간단하고 저렴하게 상기 목적을 달성할 수 있는 이점이 있으며, 만약 본 발명의 장치와 방법으로 측정할 수 없을 정도의 빠른 변화값을 가지는 전압입력의 경우에 대해 측정할 수 없다 하더라도 측정오차는 ADC 측정치의 (LSB - 1) 내지 (LSB + 1) 또는 ADC 자체의 성능에서 벗어나지 않는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시에 따른 마이컴 회로도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 10 비트 내장형 ADC로 측정하는 과정.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 10 비트가 20 비트로 확장되는 원리.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플로우 차트.

본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명하며, 상기 설명은 실시의 예에 한하며, 본 발명의 권리범위가 설명하는 실시예로 제한되는 것은 아니다. 또한, 통상 공지되어 적용되는 기술구성 및 기능은 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시의 예와 비교하여 설명하기 위한 내용으로, 통상 마이컴에 내장된 ADC는 0 내지 Vref까지의 구간의 전압을 입력으로 하며, 입력전압은 n 비트 ADC의 경우 2^n의 해상도를 가지고, 출력값은 0 내지 (2^n - 1)의 범위를 가진다.
10 bit ADC의 경우에는 0~1023까지의 ADC 출력값을 가지며, 이 값은 저해상도의 값이라 정밀한 측정을 위해서는 정밀한 ADC의 추가적인 설치가 필요하지만, 추가적인 설치없이도 본 발명의 장치 및 방법으로 기존 ADC의 측정범위를 확장할 수 있게 된다.
도 1 에 도시된 바와 같이 마이컴(100)에 내장되어 있는 10 Bit ADC(120)를 확장하기 위하여 DAC(130)를 설치하고, 그 출력을 비교기(140)의 입력 B에 연결하고, 아날로그 입력 Vin(110)을 비교기(140)의 입력 A에 연결하여 두 입력을 비교한 결과를 마이컴(100)에 전달하는 장치로 구성된다.
마이컴에 내장되어 있는 n 비트 ADC의 측정값을 ADC라고 할 때, 구간설정을 위한 Level_A와 Level_B의 수치상의 값은 다음과 같이 정의 할수 있고,
[수학식1] Level_A = ( ADC-1 );
[수학식2] Level_B = ( ADC+1 );
이 값을 m 비트로 환산할 때에는 다음과 같이 정의할 수 있으며 하기 표 1을 참고할 수 있다.
[수학식3] Level_A = ( ADC-1 ) * 2 ^ (m-n);
[수학식4] Level_B = ( ADC+1 ) * 2 ^ (m-n);

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내장된 10 비트 ADC			10 비트를 확장한 20비트의 경우
SV=1	10진수	2진수	기존 10비트	확장될 10비트	확장된 20비트
측정값+1	514	10 0000 0010	0 0000 0010	00 0000 0000	1000 0000 1000 0000 0000
측정값	513	10 0000 0001	10 0000 0001	00 0000 0000	1000 0000 0100 0000 0000
측정값-1	512	10 0000 0000	10 0000 0000	00 0000 0000	1000 0000 0000 0000 0000

표 1에서와 같이 마이컴에 내장된 10비트 ADC의 측정된 측정값이 513 이라고 가정할 때, (측정값 -1) 값인 512와 (측정값 + 1) 값인 514를 구하고, 측정된 각각의 10비트 수를 2진수로 보고, 상기 2진수의 LSB 아랫단에 10비트를 끼워넣어 확장한다.

확장된 값은 (10 비트 ADC 측정값) * 2^10, 즉 (측정값 * 1024)가 되고, 상기 수치들은 표 1의 2진수로 각각 표현이 되고, 10진수로 각각 표현하면 하기 표 2 와 같이 표현이 된다.

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	10비트값	20비트에서의 값	전압값 [V]	구간정의
측정값 +1	514	526,336	2.509	Level_B
측정값	513	525,312	2.504
측정값 -1	512	524,288	2.500	Level_A

도 2에 도시된 바와 같이 각각의 수치는 수직축(200)인 ADC 결과값으로, 0 내지 1023의 구간값을 가질 수 있고, 0 ~ Vref 전압에 1:1 대응하게 되므로, Vref 가 5 [V]라고 할 때, 1의 값의 의미는 5/(2^10)[V], 약 48[mV]에 해당하고, 측정값과 곱하면 아날로그 입력전압 Vin(110)과 동일한 전압이 되며, 이것을 20비트로 확장해도 전압은 동일한 전압이 되지만, 10비트 경우에는 각각의 차이가 1 이었으나, 20비트로 확장한 후에 차이는 2^10, 즉 1024가 되어 그 사이에 많은 값들이 존재함을 알 수 있다.
이점에 착안하여 Level_A와 Level_B로 정의하고 본 발명에 따라 아날로그 입력전압을 2회 더 측정을 수행한다. 상세히 설명하면, 10비트 ADC의 측정값이 513 이므로, (측정값 - 1)인 512를 Level_A로, (측정값 + 1)인 514를 Level_B로 구간을 정의하고, 상기 정의구간을 20비트로 확장한 후에 Level_A에서 Level_B까지 LSB부터 증가하며 DAC 전압을 출력하여 비교측정하는 1차 측정구간(340)과 측정값을 기준으로 확장된 비트의 MSB 부터 LSB까지 전압을 출력하여 비교하며 찾아가는 2차측정구간(350)으로 측정을 수행하여 측정한다.

본 발명에 따른 방법을 다시 설명하면 도 3의 도시를 참고할 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 측정은 2개 구간에 걸쳐서 측정한 후에 그 합계의 평균을 구한다.
먼저 1차 측정구간(340)은 아날로그 입력전압에 해당하는 Vin(110)을 10비트 ADC(120)로 측정하고 계산된 Level_A와 Level_B 사이의 구간을 20 비트에 대한 LSB 값인 1의 값으로 증분시키며 이 값을 DAC (130)에 1차 측정구간(340) 형태로 순차 출력하여 비교기(140)의 입력단 B에 입력으로 연결하고, 아날로그 입력 Vin(110)을 비교기(140)의 입력단 A에 연결하여, 두 전압의 교차점을 알아내고, 교차점의 DAC 출력값으로 현재 아날로그 입력전압의 ADC 출력값을 구한다. 이과정은 20비트 확장의 경우 결과값을 찾기까지 가변적이나 최대 2048 번의 구간전압 상승 과정을 거치게 된다.

한편, 2차 측정구간(350)는 1차 측정구간(340)과 유사하나 DAC(130)의 출력전압을 순차적으로 상승시키지 않고, 확장된 비트의 MSB부터 LSB까지 순차적으로 출력하며, 10비트에 해당하는 10번의 과정으로 ADC 출력값을 얻을 수 있다.
도 3을 참고하여 상세히 설명하면, 상기 20비트 전체 구간 중의 확장된 하위 10비트 범위를 전압으로 환산하여 MSB부터 LSB순으로 아래로 순차적으로 1/2에 해당하는 전압을 Level_A와 더하여 먼저 출력하고, 아날로그 입력 Vin(110)과 비교하여 Level_A를 초과하면 1/2에 해당하는 전압을 빼고, 초과하지 않으면 1/2전압을 그대로 유지하여 다시 출력하는 과정으로 2번 출력하고, 이어서 1/(2^2) 내지 1/(2^10)까지의 값으로 상기 과정을 m번 반복 수행하므로, 10회 반복하여 총 20번 DAC를 출력한다. 상기 1차 측정구간(340)과 2차 측정구간(350)의 측정결과로 그 평균을 취하여 빠르고 정확하게 측정한다.

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본 발명은 마이컴이 내장하고 있는 저해상도 ADC의 확장방법에 관한 것으로서, 상기 마이컴에 별도의 고해상도 ADC를 추가하지 않고도 ADC의 범위를 확장시켜 고해상도의 정밀한 측정을 할 수 있으며, 본 발명이 산업에 이용되는 분야는 비교적 빠르지 않은 전압변화를 측정하는 온도, 습도, 전압, 전류 등의 소형측정기에 유용하게 이용 가능하다.

100: 마이컴 110: 아날로그 입력전압
120: ADC 130: DAC
140: 비교기

Claims

마이컴(100)에 내장된 10비트 ADC(120)를 20비트로 확장하기 위한 ADC 측정범위의 확장장치에 있어서,
상기 마이컴(100)에 20비트 DAC(130)가 연결되고 상기 DAC(130)의 출력은 비교기(140)의 입력 B에 연결되고 상기 비교기(140)의 다른 입력 A는 상기 ADC(120)의 아날로그 입력 Vin(110)과 공통으로 연결되며,
피측정 전압이 상기 아날로그 입력 Vin(110)에 연결되어 상기 ADC(120)에서 AD변환을 통해 10비트 측정값을 먼저 얻고, 상기 10비트 측정값에서 (측정값 - 1) 내지 (측정값 +1)의 구간을 20비트로 확장하여 정의구간을 설정하고 상기 정의구간을 20비트 전체의 LSB값으로 상기 정의구간 사이의 최소값에서 최대값까지 순차적으로 DAC(130)에 전압으로 출력하고 상기 출력전압을 상기 비교기(140)의 입력 B로 하고 상기 아날로그 입력 Vin(110)의 전압을 상기 비교기(140)의 입력 A로 하여 상기 입력 A,B의 두 전압을 비교하여 교차점을 찾아 AD변환을 수행하도록 하는 ADC 측정범위의 확장장치.
제1항에 있어서, 상기 ADC(120)로 측정된 10비트 측정값의 (측정값-1) 내지 (측정값 +1)의 구간을 20비트로 확장하고, 상기 정의구간의 사이를 순차적으로 최소값에서 최대값으로 증가시키며 상기 DAC(130)에 출력하여 상기 비교기(140)의 입력 B에 연결하고 상기 아날로그 입력 Vin(110)을 상기 비교기(140)의 입력 A로 연결하여 상기 비교기(140)에서 상기 입력 A,B의 두 전압을 비교하여 교차점을 찾아 ADC 변환을 수행하여 20비트로 확장하는 ADC 측정범위의 확장장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비교기(140)는 상기 마이컴(100)의 내부에 내장되거나 또는 외부에 연결되는 ADC 측정범위의 확장장치.
마이컴(100)에 내장된 n 비트 ADC(120)를 m 비트로 확장하기 위한 ADC 측정범위의 확장방법에 있어서,
상기 n 비트 ADC(120)로 측정된 n비트의 측정값에서 (측정값 - 1) 내지 (측정값 + 1)의 구간을 20비트 확장하여 정의구간을 설정하고 상기 정의구간 사이를 m 비트의 LSB 값으로 증가시키거나 또는 MSB 값으로 1/2씩 감소시키면서 DAC(130)에 출력하여 비교기(140)의 입력 B로 입력하고 피측정 전압이 연결된 아날로그 입력 Vin(110)은 상기 비교기(140)의 A로 입력되어 상기 비교기(140)에서 상기 입력 A,B의 두 전압을 비교하여 교차점을 찾아 AD변환을 통해 m 비트로 확장하는 ADC 측정범위의 확장방법.