KR20020035805A - 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치 및 그 방법 - Google Patents

디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치 및 그 방법 Download PDF

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KR20020035805A
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Abstract

본 발명에 따른 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치는 저항, 코일, 콘덴서등의 소자 측정장치에 있어서, 측정할 소자에 인가할 사인파를 발생하는 신호 발생부와, 신호 발생부에 의해 발생된 사인파가 인가된 소자에 걸리는 전압을 감지하는 전압 감지부와, 신호 발생부에 의해 발생된 사인파가 인가된 소자에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와, 전압 감지부 및 전류 감지부의 전압 및 전류신호를 샘플링하고, 그 샘플링 데이터를 고속 프리에 변환을 수행하여 소자의 값을 계산하는 디지탈 샘플링 측정부를 포함하여 구성됨으로써, 사인파형의 데이터를 디지탈 샘플링하고 수학적인 계산을 통하여 저항, 콘덴서, 코일의 값을 구함에 따라 아날로그 계측 방식에 비하여 빠른 측정속도를 제공할 수 있다.

Description

디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치 및 그 방법{apparatus and method for device measure using digital sampling}
본 발명은 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 상세하게는 여러 가지 전자부품이 조립되어 있는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: 이하 PCB 라 함)의 양, 불량을 검사하는 PCB 검사장비로 사용할 수 있는 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 PCB에 저항, 콘덴서, 코일 및 집적회로(Integrated Circuit: 이하, IC라 함)와 같은 전자부품을 조립한 후 조립한 상태가 올바른지 그 여부를 판단하기 위해 PCB 검사장비를 이용하게 된다.
이러한 PCB 검사 장비는 수많은 부품에 대한 정보를 가지고 있다가, 검사과정을 통하여 각각의 부품에 대한 오삽, 이삽 여부를 검사하게 된다.
또한 납땜 공정과정에서 발생한 쇼트(short), 오픈(often)의 불량을 검사한다. 이러한 장비를 흔히, "In-Circuit Tester"(이하, ICT라 칭함)라고 부른다. ICT는 PCB 조립공정에서는 필수적으로 요구되는 장비이며, 이 장비의 성능에 따라 PCB 조립 공정의 생산시간 및 품질이 좌우되게 된다.
기본적으로 ICT가 고성능을 발휘하기 위해서는 저항(R), 코일(L), 콘덴서(C)를 정확하고 빠르게 측정할 수 있어야 한다. 현재까지의 대부분의 ICT는 아날로그 계측회로에 기반을 두고 있었기 때문에 측정 속도를 빠르게 하는데 한계가 있었다. 또한 측정 정밀도를 올리는 데에도 한계를 가지고 있었다.
도 1은 종래의 아날로그 방식에 의해 저항, 코일, 콘덴서를 계측하는 소자 측정장치의 구성 블록도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 아날로그 방식의 소자 측정장치는, 측정할 소자(2)에 인가할 사인파를 발생시키는 사인파 발생기(1)와, 소자(2)의 양단에 걸리는 전압을 감지하는 전압 감지부(3)와, 소자(2)에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부(4)와, 전압 감지부(3)를 통해 감지된 전압의 세기를 측정하는 전압측정부(5)와, 전류 감지부(4)를 통해 감지된 전류의 세기를 측정하는 전류 측정부(7)와, 전압 감지부(3) 및 전류 감지부(4)의 출력으로부터 전압 및 전류의 위상을 측정하는 위상 측정부(6)로 이루어져 있다.
사인파 발생기(1)는 측정할 소자(2)에 인가할 사인파를 발생시키며, 전압 감지부(2)는 측정할 소자(2)의 양단에 OP 앰프를 연결하여 측정할 소자(2)의 양단에 걸리는 전압을 감지한다. 전류 감지부(4)는 저항 및 OP 앰프를 사용하여 측정할 소자에 흐르는 전류를 감지하는 기능을 수행한다.
전압 측정부(5)는 도 2a에 도시된 바와 같이 정류부(5a)와, 저대역 통과 필터부(Low Pass Filter)(5b)와, A/D 변환부(5c)로 이루어진다. 전압 감지부(3)에 감지된 전압신호를 정류부(5a)에서 정류하여 DC 신호로 변환하고, 저대역 통과 필터(5b)에서 잡음성분을 제거하고, A/D 변환부(5c)를 통해 아날로그 전압값을 디지탈 전압값으로 변환한다.
전류 측정부(7)는 도 2b에 도시된 바와 같이 정류부(7a)와, 저대역 통과 필터부(76b)와 A/D 변환부(7c)로 이루어진다. 정류부(7a)는 전류 감지부(4)에서 감지된 전류신호를 정류하여 DC로 변환하고, 저대역 통과 필터(7b)에서는 잡음성분을 제거하며, A/D 변환부(7c)에서 아날로그값을 디지탈 전류값으로 변환한다.
위상측정부(6)는 도 2c에 도시된 바와 같이 제 1 비교부(6a)와 제 2 비교부(6b)와, X-OR부(6c)와, 저대역 통과 필터부(6d)와, A/D 변환부(6e)로 이루어진다. 제 1 비교부(6a)는 전압 감지부(3)로부터 감지된 전압신호를 입력받아 설정되어 있는 기준치와 비교하고, 제 2 비교부(6b)는 전류 감지부(4)로부터 감지된 전류신호를 입력받아 설정되어 있는 기준치와 비교한다. 배타적 논리합부(6c)는 제 1 비교부(6a) 및 제 2 비교부(6b)의 각 출력을 배타적 논리합 연산을 수행하여 위상값을 출력한다. 저대역 통과 필터부(6d)는 위상 신호값에서 잡음성분을 제거하고 A/D 변환부(6e)는 해당 아날로그 신호를 디지탈값으로 변환한다.
이와 같이 구성된 아날로그 방식의 소자 측정장치의 동작을 살펴보면, 신호 발생기(1)에서 발생된 사인파가 소자(2)에 인가되면 소자(2) 양단에 걸리는 전압은 전압 감지부(3)에 의해 감지되고, 소자(2)에 흐르는 전류는 전류 감지부(4)에 의해감지된다. 전압 감지부(3)에 감지된 전압신호는 정류부(5a)에 의해 DC로 변환되고, 저대역 통과 필터(5b)를 통해 잡음성분이 제거되고 A/D 변환부(5c)를 통해 디지탈 전압값으로 변환되어 전압값을 나타낸다.
아울러, 전류 감지부(4)에 의해 감지된 전류신호는 정류부(7a)에 의해 DC로 변환되고, 저대역 통과 필터(7b)를 통해 잡음성분이 제거되고 A/D 변환부(7c)를 통해 디지탈 전류값으로 변환되어 전류값을 나타낸다.
한편, 전압 감지부(3)로부터 감지된 전압신호가 제 1 비교부(6a)에 입력되어 기준치와 비교되고, 전류 감지부(4)로부터 감지된 전류신호가 제 2 비교부(6b)에 입력되어 기준치와 비교된다. 제 1 비교부(6a) 및 제 2 비교부(6b)의 각 출력은 배타적 논리합부(6c)에서 연산되어 위상 값이 산출되고 저대역 통과 필터부(6d)에 의해 잡음성분이 제거되고 A/D 변환부(6e)를 통해 디지탈 값으로 변환되어 위상값을 나타낸다.
그러나, 이러한 아날로그 계측기의 경우 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째로, 전압, 전류, 위상을 측정하기 위해서 각각의 측정회로가 존재하기 때문에 회로의 중복이 많고 매우 복잡해진다는 점이다. 물론, 일부 회로를 공통으로 사용할 수는 있지만, 여기에도 한계는 있으며, 공통회로가 많으면 측정속도가 더욱 떨어질 수 있다.
둘째로, 측정속도를 개선하는데 한계를 가진다. 한개의 소자를 측정하기 위해서는 최소한 3-4주기의 파형을 인가하여야 한다.
만일 100Hz의 주파수를 가진 신호로 어떤 소자를 측정한다면 약 30 - 40㎳의시간이 소요됨을 의미한다. 이에 따라 아날로그 계측방식으로 시간을 단축하기는 매우 어렵다.
세째로, 노이즈에 취약한 구조를 가지고 있다. 만일 측정 도중에 노이즈가 유입된다면 이를 막기가 매우 어려워진다. 물론 여러 가지의 필터회로를 사용한다면 노이즈를 상당 부분 막을 수 있지만 측정회로가 복잡해지고, 측정속도 또한 느려지는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 디지탈 샘플링을 이용하여 측정회로를 훨씬 간단히 하고, 더욱 빠르게 측정할 수 있는 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 아날로그 방식에 의해 저항, 코일, 콘덴서를 계측하는 소자 측정장치의 구성 블록도.
도 2a는 도 1의 전압 측정부의 내부 구성 블록도.
도 2b는 도 1의 전류 측정부의 내부 구성 블록도.
도 2c는 도 1의 위상 측정부의 내부 구성 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치의 구성 블록도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 저항과 콘덴서가 병렬로 이루어진 소자에 대하여 측정을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 사인파 발생기2 : 소자
3 : 전압 감지부4 : 전류 감지부
5 : 전압 측정부6 : 위상 측정부
7 : 전류 측정부10 : 사인파 발생기
20 : 소자30 : 전압 감지부
40 : 전류 감지부50 : 디지탈 샘플링 측정부
51 : 제 1 A/D 변환부52 : 제 1 저장부
53 : 제 2 A/D 변환부54 : 제 2 저장부
55 : 고속 프리에 변환부56 : 임피던스 벡터부
57 : RLC 계산부
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치는 저항, 코일, 콘덴서등의 소자 측정장치에 있어서, 측정할 소자에 인가할 사인파를 발생하는 신호 발생부와, 신호 발생부에 의해 발생된 사인파가 인가된 상기 소자에 걸리는 전압을 계측하는 전압 계측부와, 신호 발생부에 의해 발생된 사인파가 인가된 상기 소자에 흐르는 전류를 계측하는 전류 계측부와, 전압 계측부 및 전류 계측부의 전압 및 전류신호를 샘플링하고, 그 샘플링 데이터를 고속 프리에 변환을 수행하여 소자의 값을 계산하는 디지탈 샘플링 측정부를 포함하여 구성된다.
이때, 디지탈 샘플링 측정부는, 전압 계측부 및 전류 계측부의 전압 및 전류신호를 샘플링하여 디지탈 데이터로 변환하는 A/D 변환부와, A/D 변환부에 샘플링된 데이터로 임시로 저장하는 저장부와, 저장부에 저장된 샘플링 데이터를 읽어들여 고속 프리에 변환을 수행하여 전압 및 전류신호의 크기 및 위상을 산출하는 고속 프리에 변환부와, 고속 프리에 변환부로부터 산출된 전압 및 전류신호의 크기 및 위상으로부터 임피던스의 크기 및 위상을 계산하여 임피던스 벡터를 산출하는 임피던스 벡터부와, 임피던스 벡터부에 의해 산출된 임피던스 벡터로부터 소자의 값을 계산하는 RLC 계산부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정 방법은 저항, 코일, 콘덴서등의 소자를 측정하는 방법에 있어서, 측정할 소자에 사인파를 인가하는 단계와, 사인파가 인가된 소자에 걸리는 전압 및 상기 소자에 흐르는 전류를 감지하는 단계와, 소자로부터 감지된 전압 및 전류신호를 일정한 샘플링 주기로 샘플링하는 단계와, 샘플링된 데이터에 대하여 고속 프리에 변환을 수행하여 전압 및 전류신호의 크기 및 위상을 산출하는 단계와, 산출된 전압 및 전류신호의 크기 및 위상으로부터 임피던스의 크기 및 위상을 계산하여 임피던스 벡터를 산출하는 단계와, 산출된 임피던스 벡터로부터 상기 소자의 값을 계산하는 단계를 수행한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명해 보자.
도 3은 본 발명에 따른 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치의 구성 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치는 측정할 소자(20)에 인가할 사인파를 발생하는 신호 발생부(10)와, 신호 발생부(10)에 의해 발생된 사인파가 인가된 소자(20)에 걸리는 전압을 감지하는 전압 감지부(30)와, 신호 발생부(10)에 의해 발생된 사인파가 인가된 소자(20)에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부(40)와, 전압 감지부(30) 및 전류 감지부(40)의 전압 및 전류신호를 샘플링하고, 그 샘플링 데이터를 고속 프리에 변환을 수행하여 상기 소자의 값을 계산하는 디지탈 샘플링 측정부(50)로 이루어진다.
이와 같이 본 발명의 구성을 살펴보면, 전압과 전류신호를 추출하는 전압 감지부(30)와 전류 감지부(40)는 종래의 아날로그 계측장치와 동일하지만, 본 발명에서는 별도의 측정회로가 있지 않고 디지탈 샘플링을 이용하여 RLC를 계산하는 디지탈 샘플링 측정부(50)를 두고 있다.
사인파 발생기(10)는 측정할 소자(20)에 인가할 사인파를 발생시키며, 전압 감지부(2)는 측정할 소자(20)의 양단에 OP 앰프를 연결하여 측정할 소자(20)의 양단에 걸리는 전압을 감지한다. 전류 감지부(40)는 저항 및 OP 앰프를 사용하여 측정할 소자에 흐르는 전류를 감지하는 기능을 수행한다.
디지탈 샘플링 측정부(50)는 전압 감지부(30)의 전압신호를 샘플링하여 디지탈 데이터로 변환하는 제 1 A/D 변환부(51)와, 제 1 A/D 변환부(51)에 의해 샘플링된 데이터를 임시로 저장하는 제 1 저장부(52)와, 전류 감지부(40)의 전류신호를 샘플링하여 디지탈 데이터로 변환하는 제 2 A/D 변환부(53)와, 제 2 A/D 변환부(53)에 샘플링된 데이터로 임시로 저장하는 제 2 저장부(54)와, 제 1, 제 2저장부(52, 54)에 저장된 샘플링 데이터를 읽어들여 고속 프리에 변환을 수행하여 전압 및 전류신호의 크기 및 위상을 산출하는 고속 프리에 변환부(55)와, 고속 프리에 변환부(55)로부터 산출된 전압 및 전류신호의 크기 및 위상으로부터 임피던스의 크기 및 위상을 계산하여 임피던스 벡터를 산출하는 임피던스 벡터부(56)와, 임피던스 벡터부(56)에 의해 산출된 임피던스 벡터로부터 소자의 값을 계산하는 RLC 계산부(57)로 이루어진다.
제 1, 제 2 저장부(52, 54)는 RAM(Random Access Memory)을 사용할 수 있으며, 고속 프리에 변환부(55), 임피던스 벡터부(56), RLC 계산부(57)는 CPU에서 소프트웨어적으로 구현할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치의 동작을 살펴보자.
신호 발생기(10)에서 발생된 사인파가 소자(20)에 인가되면 소자(20) 양단에 걸리는 전압은 전압 감지부(30)에 의해 감지되고, 소자(20)에 흐르는 전류는 전류 감지부(40)에 의해 감지된다. 전압 감지부(30)에 감지된 전압신호는 제 1 A/D 변환부(51)를 통하여 고속으로 샘플링되어 제 1 저장부(52)에 저장된다. 한편, 전류 감지부(40)에 의해 감지된 전류신호는 제 2 A/D 변환부(53)에 의해 고속으로 샘플링되어 제 2 저장부(54)에 저장된다.
제 1 저장부(52)에 저장된 전압 신호의 샘플링 파형과 제 2 저장부(53)에 저장된 전류 신호의 샘플링 파형은 고속 프리에 변환부(55)에서 고속 프리에 변환(Fast Fourier Transform : 이하 FFT라 함)을 한 후 이 FFT 데이터를 이용하여임피던스 벡터부(56)에서 임피던스벡터를 구할 수 있게 된다. 임피던스 벡터를 구한 후에는 RLC 계산부(57)수학적인 계산을 통하여 바로 저항, 콘덴서, 코일의 값을 구할 수 있다.
먼저, FFT 변환을 이용하면, 전압과 전류 신호의 크기 및 위상을 구할 수 있다. FFT 변환을 하면 샘플링한 시간축의 데이터를 각 주파수 축의 데이터로 변환할 수 있다. FFT 변환을 이용하기 위해서는 샘플링한 데이터의 수는이 되어야 한다. 이를 수학식1로 나타낼 수 있다.
FFT로 변환한 데이터 중에서 DC와 고조파 성분은 모두 제거하고, 기본파 성분만을 취하면 전압과 전류의 크기 및 위상을 구할 수 있다. 기본파 이외의 나머지 성분은 노이즈로 볼 수 있기 때문에 이 과정을 통하여 노이즈를 제거할 수 있다.
이를 수학식2로 나타낼 수 있다.
또한, 이것으로부터 임피던스의 크기 및 위상을 계산할 수 있다. 이를 수학식3으로 나타낼 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 저항과 콘덴서가 병렬로 이루어진 소자에 대하여 측정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하여 저항과 콘덴서가 병렬로 이루어진 소자의 R, L, C를 측정해 보자.
도 4a에 도시된 바와 같이 저항과 콘덴서가 병렬로 구성되어 있는 경우, 수학식 4에 나타낸 바와 같은 계산을 통하여 저항과 콘덴서 값을 구할 수 있다.
여기서, 위에서 설명한 바와 같이 Z와 θ는 FFT 변환에 의하여 구할 수 있는 값이다.
위 식을 변환하면, 각각 저항과 콘덴서의 값을 구할 수 있다.
저항과 코일이 병렬인 회로인 경우에도 같은 방법으로 저항과 코일의 값을 각각 구할 수 있다.
본 발명에서는 FFT 변환후 측성신호의 기본파만을 이용하고 고조파 성분을 제거하기 때문에 다른 노이즈 성분도 같이 제거될 수 있다.
본 발명은 In-Circuit Tester 뿐만 아니라 Function Tester, LCR Meter 등과 같은 저항, 콘덴서, 코일을 측정하는 장비나 계측기 등에 응용되어 사용될 수 있다.
또한, 여러 가지 복합으로 이루어진 물질이나 센서들의 임피던스 특성을 파악하기 위하여 사용되어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 보여주고 설명했지만, 전술한 것은 이에 한정되는 것이 아니라 당업자에게 알려진 바와 같은 다양한 변경 및 변형들을 할 수 있으므로 여기에서 보여주고 설명된 내용들에 한정되기를 원하지 않고 통상의 지식인들에게 자명한 것과 같은 그러한 모든 변경 및 변형들을 포함하기를 원한다.
이상과 같이 본 발명에 따라 디지탈 샘플링을 이용하여 저항, 콘덴서, 코일의 값을 측정하면 종래의 아날로그 방식에 비하여 회로가 매우 간단해진다.
또한, 신호를 인가한 후 소자의 값을 측정하는데 1주기의 신호면 충분하기 때문에 아날로그 계측 방식에 비하여 빠른 측정속도를 갖는다.
즉, 종래의 아날로그 계측방식에 의해 계측하는 경우, 사인파 신호의 크기를 DC로 변환하고, 이 변환된 신호를 A/D로 읽는다. 이 과정에서 정류회로와 LPF 회로가 반드시 들어가야 하는데, 이 회로들이 전압, 전류, 위상 측정회로에 모두 포함되어야 하기 때문에 회로가 상당히 복잡해진다. 또한 사인파를 DC로 변환하는 과정에서 일정한 시간이 필요하는데, 최소한 신호 3 - 4 주기의 신호가 필요하다.
이에 비하여 본 발명에 따른 디지탈 샘플링 방식은 정류회로와 LPF 회로를 사용하지 않고 사인파 신호를 바로 샘플링하여 사인파 형태의 데이터를 얻는다. 사인파형의 데이터는 1주기만 샘플링하여도 신호의 크기와 위상을 계산하는데 충분한 데이터가 된다. 디지탈 샘플링을 하여 얻은 데이터는 수학적인 계산을 통하여 저항, 콘덴서, 코일의 값을 구할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 저항, 코일, 콘덴서등의 소자 측정장치에 있어서,
    상기 측정할 소자에 인가할 사인파를 발생하는 신호 발생부와,
    상기 신호 발생부에 의해 발생된 사인파가 인가된 상기 소자에 걸리는 전압을 감지하는 전압 감지부와,
    상기 신호 발생부에 의해 발생된 사인파가 인가된 상기 소자에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부와,
    상기 전압 감지부 및 전류 감지부의 전압 및 전류신호를 샘플링하고, 그 샘플링 데이터를 고속 프리에 변환을 수행하여 상기 소자의 값을 계산하는 디지탈 샘플링 측정부를 포함하는 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치.
  2. 제 1 항에서 있어서, 상기 디지탈 샘플링 측정부는,
    상기 전압 감지부 및 전류 감지부의 전압 및 전류신호를 샘플링하여 디지탈 데이터로 변환하는 A/D 변환부와,
    상기 A/D 변환부에 샘플링된 데이터로 임시로 저장하는 저장부와,
    상기 저장부에 저장된 샘플링 데이터를 읽어들여 고속 프리에 변환을 수행하여 전압 및 전류신호의 크기 및 위상을 산출하는 고속 프리에 변환부와,
    상기 고속 프리에 변환부로부터 산출된 전압 및 전류신호의 크기 및 위상으로부터 임피던스의 크기 및 위상을 계산하여 임피던스 벡터를 산출하는 임피던스 벡터부와,
    상기 임피던스 벡터부에 의해 산출된 임피던스 벡터로부터 상기 소자의 값을 계산하는 RLC 계산부를 포함하는 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정장치.
  3. 저항, 코일, 콘덴서등의 소자를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 측정할 소자에 사인파를 인가하는 단계와,
    상기 사인파가 인가된 상기 소자에 걸리는 전압 및 상기 소자에 흐르는 전류를 감지하는 단계와,
    상기 소자로부터 감지된 전압 및 전류신호를 일정한 샘플링 주기로 디지털 샘플링하는 단계와,
    상기 샘플링된 데이터에 대하여 고속 프리에 변환을 수행하여 전압 및 전류신호의 크기 및 위상을 산출하는 단계와,
    상기 산출된 전압 및 전류신호의 크기 및 위상으로부터 임피던스의 크기 및 위상을 계산하여 임피던스 벡터를 산출하는 단계와,
    상기 산출된 임피던스 벡터로부터 상기 소자의 값을 계산하는 단계를 수행하는 디지탈 샘플링을 이용한 소자 측정 방법.
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