KR20030008832A - 가속도센서용 정전형 전하증폭기 - Google Patents

Abstract

가속도센서용 정전형 전하증폭기에 대해 개시한다. 본 발명의 가속도센서용 정전형 전하증폭기는, 가속도센서로부터 전송된 신호에 대해 원하는 대역의 필터링이 이루어지고, 상기 필터링된 신호와 기준신호와의 차를 출력시켜 증폭을 수행하며, 상기 입력신호의 크기 및 주파수를 조절하기 위해 선택적인 스위칭이 이루어지는 전하 인터페이스부; 각 단위별로 다수의 저항을 연결한 피드백 저항모듈을 적어도 하나 이상 OP-AMP의 입출력단 사이에 접속시켜 선택적 스위칭에 의한 센서민감도를 설정하며, 단위 가속도값에 대해 단위 전압값으로 신호변환이 이루어지는 표준화부; 가속도값에 대응하는 해당 전압값을 출력시키기 위해 연속적으로 조합된 적어도 하나 이상의 OP-AMP 각각의 일단자에서 선택적인 스위칭이 이루어져 해당 이득값을 출력시키는 이득조절부; 상기 이득조절부로부터 출력된 신호에서 최대직류값을 출력하기 위해 정류 및 평활화에 의해 직류성분으로 변환이 이루어지는 피크검출부; 및 상기 피크검출부로부터 출력된 최대직류값이 계측동작범위 내에 있는지를 판별하기 위해 상기 최대직류값과 제한전압값과의 비교를 통해 제한전압값 이상에서 경고가 이루어지는 과도입력 검출부로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 가속도계의 용량에 따라 입력범위를 조정하거나 가속도계의 감도에 따라 사용자가 입력하여 사용할 수 있게 함으로써 정전형 전하증폭기의 범용성을 확장시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력에 있어서도 과도입력에 대한 검출부가 마련되므로 출력신호값으로부터 입력값이 과도하게 입력되었는지를 알 수 있는 장점이 있다.

Description

가속도센서용 정전형 전하증폭기{A charge type charging amplifier for acceleration sensor}

본 발명은 가속도센서용 정전형 전하증폭기에 관한 것으로, 특히 가속도계의 용량에 따라 입력범위 및 증폭범위를 설정할 수 있고, 가속도계의 감도(pC/g) 입력기능을 수행할 수 있으며, 센서로부터 출력되는 신호에 대해 잡음 발생을 원천적으로 소거시킴과 아울러 신호 측정범위내에 있는가를 알려주는 가속도센서용 정전형 전하증폭기에 관한 것이다.

센서는 정보기술의 차세대 물결이라 할 정도로 현대인들에게 가장 많이 이용되는 자동차 및 지하철은 센서의 덩어리라고 할만큼 곳곳에 많은 센서가 사용되고 있으며, 보다 안전하고 보다 쾌적한 수송 수단으로서 우리들의 일상생활에 깊숙이 파고들고 있다. 특히 자동차에는 대단히 많은 센서가 사용되고 있으며, 고급차종일수록 사용되는 센서의 수는 많아지게 된다.

특히 최근에 자동차의 안정도에 관한 관심이 높아지면서 정면 충돌시 운전자와 승객을 보호하기 위한 안전장치로 에어백의 설치가 법규화되면서 에어백(airbag)에 들어가는 핵심소자인 자동차용 가속도센서에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 또한 자동차의 안정성, 신뢰성, 안락성, 편의성 향상을 위하여 가속도센서는 전자식엔진제어시스템, ABS(anti-lock braking system), 지능형현가장치(smart suspension system), 조향시스템(steering system), 자동잠금장치(auto-door lock system)등에 핵심부품으로 사용되고 있다.

이와 같이, 시민들의 생활수준이 점점 향상되면서 진동이 없으면서 소리가 나지 않는 제품에 대한 수요가 급증하고 있는 상황에서 이를 감지하는 가속도센서가 많이 이용되고 있다. 이 가속도센서는 현재의 반도체생산기술가 접목되어 소형화, 대량생산, 가격의 저렴화를 가져올 수 있으므로, 그 응용범위는 자동차시장 이외에도 매우 넓다. 이를테면 경사계(inclinometer, tilt meter), 수평계(level),충격기록계(shock recorder), 진동측정기(vibration sensor) 등과 같은 계측장비와 공장자동화를 위한 로봇과 같은 정밀기계, 그리고 가속도센서와 같은 inertial sensor인 캠코더의 손 떨림 방지용 각속도계 등 많은 분야에 사용되고 있다.

그런데 이 가속도센서의 실용도를 높이기 위해서는 센서의 감지특성(sensing characteristics), 신뢰성(reliability), 적용성(applicability), 생산성(productibility)의 4가지가 동시에 고려되어야 제품에 대한 합리적 평가가 될 수 있는데, 실제 고성능 가속도센서에 대한 개발은 IC화, smart화로 진행되고 있기 때문에 센서부만으로 생각할 수 없고, 종합시스템으로 생각하지 않으면 안된다. 즉, 센서부, 증폭회로부, 인터페이스부, 마이크로프로세서부, 액츄에이터부 모두를 최상의 상태로 구성하지 않으면 안된다. 종합시스템에서 신뢰성, 성능, 코스트를 검토하여 어디까지를 온-칩(on-chip)상에 집적화하는가를 현재 기술 수준과의 관계를 고려, 결정하는 것은 대단히 중요한 문제이다.

이와 같이, 진동 및 소음을 센싱한 이후에, 이 센싱된 신호에 대한 신뢰성있는 체크장비가 필수적으로 필요하게 된다. 예를 들어 이러한 기계진동 및 소음, 자동차, 선박, 교량, 항만, 공장, 각종 가전제품 등, 일상생활 및 산업현장에서의 소음 진동 예측 및 측정실험에는 일반적으로 피에조-세라믹을 이용한 정전형센서(charge type sensor)가 사용되는데, 이에 필수적으로 센싱된 신호를 처리하는 전하증폭기(charge amplifier)가 함께 사용되어진다.

그런데, 현재 사용되고 있는 진동측정센서 및 증폭기의 경우 주로 기계적인 진동측정을 목적으로 개발된 것이므로, 저주파특성 및 전송선로 상의 신호감소 등에 대한 신뢰도가 검증되지 않고 있는 상태이다.

따라서, 본 발명의 목적은 저주파특성 및 신호감소 등에 대한 신호특성이 양호한 전하형 가속도센서를 사용함에 따른 신뢰도의 확보를 위해 가속도계의 용량에 따라 입력범위 및 증폭범위를 설정할 수 있고, 가속도계의 감도(pC/g) 입력 기능을 수행할 수 있으며, 센서로부터 출력되는 신호에 대해 잡음 발생을 원천적으로 소거시킴과 아울러 신호 측정범위내에 있는가를 알려주는 가속도센서용 정전형 전하증폭기를 제공하는데 있다.

도 1은 압전소자의 특징을 개략적으로 설명하기 위한 도면,

도 2는 압전형 가속도센서가 전하증폭기에 연결되어 있는 회로를 간단한 등가회로로 나타낸 도면,

도 3은 가속도계가 연결된 전하앰프의 단순화된 등가회로를 나타낸 도면,

도 4는 가속도계가 연결된 전하앰프의 등가회로를 나타낸 도면,

도 5는 커패시터에서의 시정수에 의한 지수적 감소 그래프,

도 6은 등가 커패시터 및 저항에 연결된 가속도계의 등가회로도,

도 7은 위상과 증폭과의 관계를 나타낸 그래프,

도 8은 OP-AMP의 내부 노이즈 공급원을 표현한 모델,

도 9는 입력전원 커패시턴스에 대한 잡음 특성을 나타낸 그래프,

도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 전하증폭기 전체 구성을 개략적으로 나타낸 제어회로블록도,

도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 전하증폭기의 구체적인 회로도,

도 12는 전하증폭기의 전하 인터페이스부를 구체적으로 도시한 회로도,

도 13은 전하증폭기의 표준화부를 구체적으로 도시한 회로도,

도 14는 전하증폭기의 이득조절부를 구체적으로 도시한 회로도,

도 15는 전하증폭기의 피크검출부를 구체적으로 도시한 회로도,

도 16은 전하증폭기의 과도입력 검출부를 구체적으로 도시한 회로도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 압전소자 20 : 금속전극

100 : 전하 인터페이스부 110 : 정전원공급 및 필터링부

120 : 비교스위치 130 : 접지신호발생부

140 : 입력신호크기 및 주파수 조절부 200 : 표준화부

210 : 센서민감도 설정부 300 : 이득조절부

310 : 제1 이득조절부 320 : 제2 이득조절부

400 : 피크검출부 410 : 정류부

420 : 평활부 500 : 과도입력 검출부

510 : LED

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 가속도센서용 정전형 전하증폭기는, 가속도센서로부터 전송된 신호에 대해 원하는 대역의 필터링이 이루어지고, 상기 필터링된 신호와 기준신호와의 차를 출력시켜 증폭을 수행하며, 상기 입력신호의 크기 및 주파수를 조절하기 위해 선택적인 스위칭이 이루어지는 전하 인터페이스부; 각 단위별로 다수의 저항을 연결한 피드백 저항모듈을 적어도 하나 이상 OP-AMP의 입출력단 사이에 접속시켜 선택적 스위칭에 의한 센서민감도를 설정하며, 단위 가속도값에 대해 단위 전압값으로 신호변환이 이루어지는 표준화부; 가속도값에 대응하는 해당 전압값을 출력시키기 위해 연속적으로 조합된 적어도 하나 이상의 OP-AMP 각각의 일단자에서 선택적인 스위칭이 이루어져 해당 이득값을 출력시키는이득조절부; 상기 이득조절부로부터 출력된 신호에서 최대직류값을 출력하기 위해 정류 및 평활화에 의해 직류성분으로 변환이 이루어지는 피크검출부; 및 상기 피크검출부로부터 출력된 최대직류값이 계측동작범위 내에 있는지를 판별하기 위해 상기 최대직류값과 제한전압값과의 비교를 통해 제한전압값 이상에서 경고가 이루어지는 과도입력 검출부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 전하 인터페이스부는, 가속도센서로부터 출력된 신호 입력시 DC성분을 제어함과 동시에 정전압을 발생시키며, 원하는 대역 신호를 통과시키는 정전압공급 및 필터링부; 아날로그 접지신호인 기준신호를 발생시키는 접지신호발생부; 상기 정전압공급 및 필터링부를 통과한 미세신호와 기준신호를 비교하여 그 차를 출력하는 비교스위치; 상기 비교스위치의 일단에 비반전단자가 접속되며 비교스위치의 타단에 반전단자가 접속되어 신호 증폭을 수행하는 제1 OP-AMP; 및 상기 가속도센서로부터 전달된 입력신호의 크기를 조절하기 위해 피드백저항값을 조정하는 스위칭이 이루어지는 입력크기 선택스위칭부와, 상기 입력신호의 주파수를 조절하기 위해 상기 입력크기 선택스위칭부에 선택적으로 접속되는 주파수 선택스위칭부로 이루어진 입력신호크기 및 주파수 조절부로 이루어진다. 여기서, 상기 입력크기 선택스위칭부는, 상기 제1 OP-AMP의 출력단에 접속되어 센서의 감도가 0.1(pC/g)에서 1(pC/g) 사이일 경우와 1(pC/g)에서 10(pC/g) 사이일 경우를 구분하는 단자에 선택적으로 접속이 이루어지는 제1A 스위치; 및 상기 주파수 선택스위칭부에 접속되어 센서의 감도가 0.1(pC/g)에서 1(pC/g) 사이일 경우와 1(pC/g)에서 10(pC/g) 사이일 경우를 구분하는 단자에 선택적으로 접속이 이루어지는 제1B 스위치로 이루어지며, 상기 주파수 선택스위칭부는, 요구되는 주파수응답이 0.1㎐에서 1㎐ 사이일 경우와 1㎐일 경우를 구분하는 단자에 선택적으로 접속이 이루어지는 제2 스위치로 이루어진다.

또한, 상기 표준화부는, 상기 전하 인터페이스부로부터 출력된 신호를 증폭시키기 위해 상기 제1 OP-AMP로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 반전단자는 접지되는 제2 OP-AMP; 및 센서 민감도를 설정하기 위해 상기 제2 OP-AMP의 출력단과 비반전단자 사이에 피드백 저항을 연결하되, 각 단위별로 다수의 서로 다른 저항값을 갖는 저항을 연결한 피드백 저항모듈을 적어도 하나 이상 접속하여 각 피드백 저항모듈에서 선택적 스위칭이 이루어지는 센서민감도 설정부로 이루어진다. 여기서, 상기 센서민감도 설정부를 형성하는 저항의 저항값은, 0.1％ 내지 1％ 범위내의 오차값을 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 이득조절부는, 표준화부로부터 출력된 고정된 신호가 반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 비반전단자와 출력단 사이에 다수의 이득값을 갖는 신호를 입출력시킬 수 있는 제1 이득조절스위치를 접속시키는 제3 OP-AMP로 이루어진 제1 이득조절부; 및 상기 제3 OP-AMP의 출력단이 반전단자에 접속되고 비반전단자와 출력단 사이에 다수의 이득값을 갖는 신호를 입출력시킬 수 있는 제2 이득조절스위치를 접속시키는 제4 OP-AMP로 이루어진 제2 이득조절부로 이루어진다.

한편, 상기 피크검출부는, 이득조절부로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 반전단자와 출력단 사이에 AC 성분을 DC 성분으로 정류하는 다이오드를 마련한 제5 OP-AMP; 상기 제5 OP-AMP의 출력단에 정류 다이오드를게재하여 접속되는 비반전단자와 반전단자와 출력단 사이에 AC 성분을 DC 성분으로 정류하는 다이오드를 마련한 제6 OP-AMP; 및 상기 제6 OP-AMP의 출력단에 정류 다이오드를 게재하여 접속되어 정류된 신호를 평활화시키는 평활부로 이루어진다.

그리고, 상기 과도입력 검출부는, 피크검출부로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 분배저항에 의한 제한전압이 반전단자에 입력되어 비교가 이루어지는 비교기; 상기 비교기의 출력단에 접속되어 제한전압 이상에서 점등되는 점등수단을 포함하여 이루어진다. 이 때, 상기 점등수단은 LED를 이용한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 압전소자의 특징을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압전형 가속도센서는 압전소자(piezoelectric materials, 10)를 사이에 두고 양측으로 금속전극(20)을 연결하여 압전소자(10)의 역학적 성질을 전기적 성질로 변환시키는 효과를 이용한 것이다. 즉, 압전소자(10)의 극성방향에 대해 힘을 가하면 양측으로 전하가 발생하며, 이에 의한 전위차가 생기게 된다. 이 전위차는 가해진 힘의 크기에 비례하므로 정확한 진동량을 측정할 수 있게 된다. 이는 압축(compressing stress), 신장력(tensile stress) 및 전단력(shear stress)를 가하는 경우도 똑같은 현상이 일어난다.

이와 같은 압전소자(10)로 이루어진 가속도센서에 본 발명에서 제시하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기가 접속되게 되는데, 이 가속도센서용 정전형 전하증폭기는 가속도센서에서 나오는 하이임피던스 출력을 측정 장비나 분석 장비에 직접 전송하기에 적당한 로우임피던스 신호로 변환하는 중요한 역할을 수행하게 된다. 또한, 이 전하센서용 전하증폭기는 다음과 같은 역할들도 수행한다. 즉, 가속도계의 츨력과 측정장비의 입력감도를 매칭시키고, 전체시스템에서 요구되는 정도의 감도를 얻기 위한 진동신호의 증폭을 수행하며, 속도와 변위 신호를 얻기 위한 가속도 신호 적분 기능도 수행하게 된다. 그리고, 입력신호와 출력신호에 대한 과부하 경고 기능도 수행하며, 원치 않는 신호인 잡음을 제거하는 필터링 기능도 수행하게 된다.

압전형 가속도계를 사용할 때 사용되는 전치증폭기(pre-amplifier)에는 크게 정전형(charge type)증폭기와 전압형(voltage type)증폭기로 나눌 수 있다. 일반적으로는 전압형센서를 많이 사용하지만, 장거리 측정용으로 사용할 경우에는 신호감소와 선로상에서의 노이즈발생으로 인해 원래의 신호를 찾기 어려울 경우를 감안하여 정전형센서를 사용하게 되는데, 이 경우에 정전형센서로부터 출력된 신호는 정전형 전치증폭기를 사용하여 해결한다. 이 정전형센서는 단일 선로상에서의 누설(leakage)이 전압형에 비해 특성이 월등하며 특별한 시스템의 전체 감도의 조정없이도 사용할 수 있다는 장점이 있다.

전하증폭기의 출력전압은 전하의 입력전하량, 즉 가속도계의 가속도의 변화량에 따라 선형적으로 비례한다. 전하증폭기의 증폭이득은 OP-AMP에 병렬로 연결되어 있는 피드백 커패시터에 의해 제어된다. 도 2는 압전형 가속도센서가 전하증폭기에 연결되어 있는 회로를 간단한 등가회로로 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가속도계와 케이블 및 전치증폭기로 크게 구분지을 수 있다. 여기서, Qa는 적용되는 가속도에 의한 가속도계에서 발생되는 전하량, Ca는 가속도계의 정전용량, Ra는 가속도계의 저항, Cc는 케이블과 커넥터의 정전용량, Rb는 전송선로와 케이블 스크린간의 저항, Cp는 전하증폭기의 입력측 정전용량, Rp는 전하증폭기의 입력측 저항, Cf는 피드백 커패시턴스, A는 OP-AMP의 이득, Vo는 전하증폭기의 전압출력을 각각 나타낸다.

이 때, 일반적으로 가속도계와 전하증폭기 및 피드백의 경로는 매우 높은 저항값을 가지므로 위의 도 2에 나타낸 회로도를 단순화시키면 도 3과 같은 등가회로로 표현할 수 있다. 도 3은 가속도계가 연결된 전하앰프의 단순화된 등가회로를 나타낸 도면이다. 여기서 도 3에 도시된 부호에 있어서, Ct = Ca + Cc + Cp, I는 가속도계에서 나오는 전체 전류, Ii는 Ct를 지나 흐르는 전류, Ic는 OP-AMP의 피드백 경로를 흐르는 전류, Vc는 피드백 커패시턴스를 가로지르는 전압을 각각 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 입력전압 Vi와 출력전압 Vo와 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

---------------------------------------------- (1)

Vc는 다음과 같이 구할 수 있다.

-------------- (2)

이상적인 앰프는 입력전류가 0(zero)이므로, 키르호프의 법칙을 적용하면,

------------------------------------------- (3)

여기서, 전류 I는 센서(압전소자)의 전하 발생에 관계되므로, 전류를 다른 표현법을 사용하여 표현하면,

----------------------------------------------- (4)

----------------------------- (5)

--------------------------------- (6)

위의 식들을 키르호프의 법칙에 인용하면, 가속도계를 통해 발생되는 전류 I는 다음과 같이 표현될 수 있다.

------------------------ (7)

위의 방정식은 적분을 통하여 해석될 수 있다. 증폭기 출력 초기에 존재하는 DC 오프셋 전압과 부합하는 상수들은 0(zero)으로 간주될 수 있고, 이와 같은 DC 오프셋들은 전치증폭기가 동작하면서 빠르게 소멸된다는 것을 이용하여 Vo에 관한 식을 세우면,

------------------------------- (8)

여기서, A값은 일반적으로 아주 큰 값(≒10⁵)을 가지므로

-------------------------------------------- (9)

가 된다.

이상적인 경우에, 입력전압은 전압 이득인 A가 무한대로 수렴하므로

----------------------------------------- (10)

이 된다. 결국 한정된 입력저항은 출력전압에 아무런 영향을 주지 못한다. 이는 가속도계로부터의 전류와 피드백 커패시턴스 Cf를 통해 들어오는 전류는 그 크기가 같고 극성은 반대라는 의미가 된다. 이로서 모든 전류는 가속도계에서 발생되어 모두 피드백 커패시턴스로 들어가게 된다는 것을 알 수 있다.

이와 같은 결과들을 이용하여 좀 더 쉽고 단순한 등가회로를 도시하면 도 4와 같이 될 수 있다.

지금까지의 식들을 정리하면

---------- (11)

과 같은 미분방정식을 얻을 수 있다.

이 방정식은 도 3과 같이 단순한 적분만을 이용해서는 해석하기는 어렵지만, DC 성분과 빠른 시간에 사라지는 초기조건은 해석하는데 있어서 무시될 수 있다고 생각하고 해석한다면 다음과 같은 방정식을 얻을 수 있다.

--------------- (12)

이것을 다시 정리하여 얻은 Vo의 값은

--------------------- (13)

와 같이 되는데 여기서 A와 Rf는 매우 큰 값을 가지므로 다시 정리하면

------------------------------------------------ (14)

와 같이 간단해 진다.

만약, Rf가 한정된 어떤 값을 가진다면 최종적으로 다음과 같은 방정식을 얻을 수 있게 된다.

------------------------------------- (15)

위의 방정식에서 보면 출력전압(Vo)은 가속도계에서 발생되는 출력전하(Qa)에 비례하며, 전하증폭기에 있는 피드백 경로의 커패시턴스(Cf)를 통하여 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다.

전하증폭기의 저주파 응답은 OP-AMP 주변의 피드백 회로에 의한 시정수(time constant set)에 의하여 결정된다. 그리고 이것은 입력부하(resistive input load)의 변화에 영향을 받지 않는다. 결국, 최저 제한 주파수는 피드백 저항의 변화에 의하여 변화된다.

가속도계는 스스로 신호를 발생시키는 장치이다. 이 때문에 발생된 신호는 DC성분을 가지고 있지 않게 된다. 그러므로 물리학의 관점에서 본다면, 어떤 외부의 전원입력이 없이는, 어떠한 파워도 얻을 수 없다. 정적인 힘이 피에조 소자에가해진다해도 어떠한 파워도 공급되지 않는다.

전하증폭기의 저주파특성에 대하여 이해하기 위해서는 단순한 RC 네트워크 회로에 대하여 이해하는 것이 필요하다.

커패시터는 전하를 충전하는 소자이다. 이것의 용량은 커패시터에 단위 전압을 주었을 경우에 충던되는 전하량으로 결정된다. 이것에 대한 수식을 정리해 보면

가 된다.

이상적인 커패시터가 Vo로 충전되어있다고 가정하고, 비록 커패시터의 절연된 저항이 유한하다 하더라도 이상적인 커패시터라 가정하고, 이것이 방전한다면 시정수()에 의하여 지수함수의 그래프를 그리며 감소할 것이다. 이는 도 5에 잘 도시되어 있다.

정현파 신호(sinusoidal signal)를 측정할 경우에는 이 시정수()가 더 중요한 의미를 가지게 된다. 여기서 시정수()는 시스템의 저주파 현상에 영향을 준다.

도 6은 등가 커패시터 및 저항에 연결된 가속도계의 등가회로도이다.

도 6을 수식으로 변환하면

------------------------------- (16)

가 되고, 만약 전류와 전압이 하모닉(harmonic) 함수라고 가정하다면

----------------------- (17)

여기서, 전압의 크기와 위상는 다음과 같다.

------------------ (18)

여기서=1인 경우, tan= 1이 되어= 45°가 된다. 그리고,가 된다. 이는 도 7에 잘 도시되어 있으며, 입력과 출력 사이의 위상과 진폭의 관계를 수식으로 표현하면 주파수가= 1(즉, 2fRC=1)인 경우

----------------------------------- (19)

이 된다.

여기서 f₁을 일반적으로 최저 제한주파수(LLF ; Low Limiting Frequency)라 하며, 출력레벨이 3dB 떨어질 때 위상이 45°변하는 특징을 가지고 있다.

상기한 바와 같이 최저 제한주파수는 피드백 회로의 시정수(= RC)에 의하여 결정된다. 입력과 출력의 위상 차이는 일반적으로 180°(-A)가 되고 최저 제한주파수에서는 45°더 지연된다.

상기한 식 (13)으로부터

------------------------ (20)

에서도 역시 볼 수 있듯이 입력부하(resistive input load)가 Rf/A만큼 변화하기 전까지는 최저 제한주파수에 변화를 주지 못한다. 이것이 수식에서 보듯이 회로에 부과된 Cf와 Ct가 비슷한 크기를 가지고 있기 때문이다. 결국, 입력부하의 영향은 영향인자인 이득 A를 조정함으로써 감소시킬 수 있고, 결국 최저 제한주파수는 Rf에 의해서 조절될 수 있다. 여기서 Rf는 피드백 레지스턴스이고, -A는 이득을 나타낸다.

원거리 가속도 케이블의 사용과 장비에서의 저증폭 세팅사용은 전하증폭기에서의 잡음을 증가시킴으로써 측정시 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 감소시킨다. 만약, 입력쪽에서 저항부하(resistive load)가 현저하게 떨어지면 잡음 역시 증가한다.

도 8은 OP-AMP의 내부 노이즈 공급원을 표현한 모델이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 증폭기 내부의 모든 노이즈는 입력의 전원소스와 전류소스로 표현되었다. 이 등가회로는 마찰전기, 지상편향 전압, 케이블에서의 전자석효과 등의 외부 노이즈 효과는 포함시키지 않는다.

여기서, Zt는 가속도계와 케이블의 등가 임피던스, Zf는 피드백 경로의 등가 임피던스, e_n는 잡음 전압(noise voltage), i_n는 잡음 전류(noise current), Vo는 출력 전압을 각각 나타낸다.

상기한 바와 같이, OP-AMP의 입력(inverting input)쪽에는 가상접지(virtual ground)가 있고 전류는 흐르지 않는다. 그러므로

------------------------------------ (21)

------------------------------------------ (22)

가 같이 된다.

위의 식을 소스(source) 신호를 위한 표현으로 바꾸어 보면

---------------------------------------- (23)

와 같이 된다.

위의 식에서 임피던스 Zt와 Zf는 주파수 범위내에서는 주된 성분이 커패시턴스 성분이므로 식을 바꾸어 써보면

------------------------------------------------- (24)

여기서

---------------------------------------- (25)

이고

----------------------------------------- (26)

가 된다.

또한, 이것은 등가 전하노이즈 qt로 바뀔 수 있고 수식을 정리하면

----------------------------------- (27)

로 표현된다.

이것은 전하노이즈가 증가함에 따라 Ct와 Cf가 같이 증가함으로써 용량성 부하(capacitive load)나 저항성 부하(resistive load)에 의하여 민감도(sensitivity)나 최저 제한주파수가 변하지는 않는다는 것을 보여준다. 그러나 아주 긴 거리의 케이블을 사용할 경우 신호 대 잡음비의 감소는 피할 수 없다.

도 9는 입력전원 커패시턴스에 대한 잡음 특성을 나타낸 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, Cf(피드백 커패시턴스)가 증폭기의 이득을 결정하는데 사용될 때는 큰 노이즈와 낮은 이득으로 설정해야 할 경우인데, 이때는 높은 피드백 커패시턴스가 요구된다. 높은 이득을 가진 가속도계 사용과 높은 이득을 가진 증폭기의 사용은 양호한 신호 대 잡음비를 가능하게 할 수 있기 때문이다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 전하증폭기 전체 구성을 개략적으로 나타낸 제어회로블록도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전하 인터페이스부(100), 표준화부(200), 이득조절부(300), 피크검출부(400) 및 과도입력 검출부(500)로 크게 구분지을 수 있다. 각 부분의 세부적인 기능 및 구성은 다음과 같다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 전하증폭기의 구체적인 회로도이다. 도 12는 전하증폭기의 전하 인터페이스부를 구체적으로 도시한 회로도이다. 도 11 및도 12를 참조하면, 먼저 전하 인터페이스부(100)는, 입력신호에 대해 불필요한 신호의 증폭을 감소시켜 줄 뿐만 아니라 DC성분의 입력을 막아주며 정전압공급이 이루어지고, 원하는 범위의 저역통과필터 기능을 수행하는 정전압공급 및 필터링부(110)와, 상기 정전압공급 및 필터링부(110)를 통과한 미세신호와 아날로그 접지신호를 비교하여 그 차를 제1 OP-AMP(OP1)의 비반전단자와 반전단자로 각각 입력하는 비교스위치(120)와, 상기 아날로그 접지신호를 발생시키며, 서로 다른 저항값을 갖는 저항(R2, R3)을 상기 제1 OP-AMP(OP1)의 비반전단자 및 반전단자에 각각 접속함과 동시에 상기 비교스위치(120)에 각각 연결된 접지신호발생부(130)와, 상기 비반전단자와 반전단자로 입력된 신호에 대해 증폭을 수행하는 제1 OP-AMP(OP1)와, 상기 입력신호의 크기 및 주파수를 조절하기 위해 상기 제1 OP-AMP(OP1)의 출력단에 일단이 접속되고 타단은 정전압공급 및 필터링부(110)에 접속된 입력신호크기 및 주파수 조절부(140)로 이루어져 있다.

상기 비교스위치(120)는 JFET로 구성되며 2개의 스위치로 구성되어 있다. 상기 입력신호크기 및 주파수 조절부(140)는 피드백저항값을 조정하기 위해 출력값을 그대로(×1) 입력시키는 스위칭단자 및 10배(×10)로 증폭시켜 입력시키는 스위칭단자를 갖는 제1A 스위치(SW1A)와 제1B 스위치(SW1B)가 마련되며, 상기 제1B 스위치(SW1B)에 주파수를 조정하기 위한 제2 스위치(SW2)가 접속되어 있다.

한편, 제1 OP-AMP(OP1)의 비반전단자와 반전단자 사이에는 입력되는 두 신호의 신호간섭을 줄이기 위해 커패시터(C5)와 저항(R8)을 직렬연결하여 게재시키고 있다. 그리고, 전하 인터페이스부(100)에서 출력되는 신호가 출력되는 a 지점과제1 OP-AMP(OP1) 사이에 저역통과필터(R12, R13, C8, C9)를 더 마련하고 있다.

이와 같이 구성된 전하 인터페이스부(100)에서는 압전소자로부터 센싱되어 들어온 입력신호는 입력단에 형성된 정전압공급 및 필터링부(110)를 통과한 후 2개의 스위칭소자 JFET를 통하여 제1 OP-AMP(OP1)로 들어가 증폭이 된다. 여기서 스위칭소자 JFET는 센서를 통하여 들어오는 미세신호와 아날로그 접지신호를 서로 비교하여 그 세밀한 차이를 제1 OP-AMP(OP1)에 입력한다.

이후, 상기 제1 OP-AMP(OP1)로부터 출력된 신호에 대해 입력 크기와 주파수를 조절할 수 있는데, 센서의 감도가 0.1에서 1pC/g 사이일 경우에는 입력 옵션 스위치를 ×1에 고정하고, 1에서 10pC/g 사이일 경우에는 ×10에 고정시켜 사용한다. 일반적인 경우 주파수 옵션 스위치는 1㎐에 놓고 사용하나 1㎐ 이하의 주파수응답이 요구되는 상황에서는 스위치를 0.1㎐에 놓고 사용한다.

센서로부터 들어온 미세신호는 이후에 연결된 시스템에서 처리할 수 있을 정도의 크기로 증폭이 되어 보내진다. 이 때, 필터는 불필요한 신호의 증폭을 감소시켜 줄 뿐만 아니라 DC성분의 입력을 막아주는 역할도 수행한다. 그리고 2개의 커패시터(C1, C2)를 추가로 연결하여 C1 + C2 = 318/Cutoff Frequency(㎑) 식을 이용하여 원하는 범위의 저역통과필터(LPF ; Low Pass Filter)도 가능하도록 설계하였다.

도 13은 전하증폭기의 표준화부를 구체적으로 도시한 회로도이다. 도 11 및 도 13을 참조하면, 상기 표준화부(200)는, 상기 a 지점으로부터 출력된 신호를 증폭시키기 위해 상기 a 지점으로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력되고 반전단자는 접지되는 제2 OP-AMP(OP2)와, 상기 제2 OP-AMP(OP2)로부터 1g의 값에 대하여 1㎷의 고유한 값을 출력시킴과 동시에 센서 자체의 민감도(sensitivity)를 설정하기 위해 상기 제2 OP-AMP(OP2)의 출력단과 비반전단자 사이에 각 단위별로 다수의 저항을 연결한 모듈을 적어도 하나 이상 접속시킨 피드백 저항모듈로 이루어진 센서민감도 설정부(210)로 이루어져 있다.

상기 전하 인터페이스부(100)를 통하여 들어온 신호는 표준화부에서 다양한 피드백 저항들의 연결을 통하여 센서 자체의 민감도(sensitivity)를 설정하게 되고, 이렇게 하여 제2 OP-AMP(OP2)를 통과한 값은 균일한 값, 즉 1g의 값에 대하여 1㎷의 고유한 값을 내는 신호로 변화하게 된다. 이 값은 제1 출력단(O/P1)을 통하여서 외부로 보내거나 b지점으로 출력되게 된다. 여기서 사용된 피드백 저항들은 제2 OP-AMP(OP2)를 통하여 매우 민감하게 반응을 하기 때문에 1％ 정밀 저항을 사용하였고, 총 3개의 단위로 구성된 감도(sensitivity) 조절스위치는 각 단위당 4개의 저항을 조합하여 12가지의 저항값을 가지도록 구성하였다.

도 14는 전하증폭기의 이득조절부를 구체적으로 도시한 회로도이다. 도 11 및 도 14를 참조하면, 상기 이득조절부(300)는 상기 b 지점으로부터 출력된 고정된 신호에 대해 이득조절을 수행하는 제1 이득조절부(310)와 제2 이득조절부(320)로 구성되어 있다. 상기 제1 이득조절부(310)는 상기 b 지점으로부터 출력된 고정된 신호가 반전단자에 입력되고 비반전단자와 출력단 사이에 다수의 이득값을 갖는 신호를 입출력시킬 수 있는 제1 이득조절스위치(311)를 마련함과 동시에 상기 제1 이득조절스위치(311)의 선택에 따라 충방전이 이루어지는 커패시터(C13)를 마련한 제3 OP-AMP(OP3)로 구성되어 있다.

그리고, 제2 이득조절부(320)는 상기 제3 OP-AMP(OP3)로부터 적분된 신호가 반전단자에 입력되고 비반전단자와 출력단 사이에 다수의 이득값을 갖는 신호를 입출력시킬 수 있는 제2 이득조절스위치(321)를 마련함과 동시에 상기 제2 이득조절스위치(321)의 선택에 따라 충방전이 이루어지는 커패시터(C14)를 마련한 제4 OP-AMP(OP4)로 구성되어 있다.

상기 표준화부(200)를 통과하여 나온 고정된 신호(1㎷/g Fixed)는 이득조절부에 있는 2개의 제3 OP-AMP(OP3) 및 제4 OP-AMP(OP4)의 조합을 통하여 6가지(100㎷/0.3g, 1g, 3g, 10g, 30g, 100g)의 이득값을 갖는 신호로 바뀌어 제2 출력단(O/P2) 및 c 지점을 통하여 출력된다.

도 15는 전하증폭기의 피크검출부를 구체적으로 도시한 회로도이다. 도 11 및 도 15를 참조하면, 상기 피크검출부(400)는 상기 c 지점으로부터 출력된 신호의 최대값을 출력하기 위해 상기 c 지점으로부터 출력된 신호가 입력되는 비반전단자와 반전단자와 출력단 사이에 AC 성분을 DC 성분으로 정류하는 다이오드(D6)를 마련한 제5 OP-AMP(OP5)와, 상기 제5 OP-AMP(OP5)로부터 출력된 신호가 입력되는 비반전단자와 반전단자와 출력단 사이에 AC 성분을 DC 성분으로 정류하는 다이오드(D8)를 마련한 제6 OP-AMP(OP6)로 이루어진 정류부(410)와, 상기 정류부(410)로부터 출력된 신호를 평활화시키는 평활부(420)로 이루어져 있다.

이득조절부(300)를 통하여 출력된 신호는 최대값을 출력하기 위하여 피크검출부(400)에서 AC 성분이 DC 성분으로 바뀌어지게 되는데 LF422칩 내부에 있는 2개의 제5 OP-AMP(OP5) 및 제6 OP-AMP(OP6)와 4개의 1N4148 다이오드(D6, D7, D8, D9)를 거쳐서 바뀌게 된다. DC 성분으로 바뀐 이 신호는 DC 출력(BNC Connector, DC O/P) 및 d 지점을 통해 최대값이 출력된다.

도 16은 전하증폭기의 과도입력 검출부를 구체적으로 도시한 회로도이다. 도 11 및 도 16을 참조하면, 상기 과도입력 검출부(500)는 상기 d 지점으로부터 출력된 신호가 계측기의 선형적인 동작범위 내에서 동작하고 있는지 확인할 수 있도록 상기 d 지점으로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력되고 분배저항(R44, R45)에 의해 제한전압이 반전단자에 인가되는 제7 OP-AMP(OP7)와, 상기 제7 OP-AMP(OP7)의 비반전단자에 제한전압 이상이 입력될 경우에 점등되며 상기 제7 OP-AMP(OP7)의 출력단에 접속된 LED(510)로 이루어져 있다.

상기 피크검출부(400)로부터 출력된 최대값 출력신호가 계측기의 선형적인 동작범위 내에서 동작하고 있는지 확인할 수 있도록 과도입력 검출부(Overload Detection)를 통해서 LED(510)를 통하여 지시되도록 사용된다. TL061칩을 사용하여 원하는 제한 전압값을 제7 OP-AMP(OP7)의 반전단자에 연결하고 비반전단자쪽에 입력신호를 연결하여 입력신호가 제한전압 이상으로 들어올 경우에 전류가 흐르게 되어 제7 OP-AMP(OP7) 출력쪽에 연결되어 있는 LED(510)에 불이 들어오게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가속도센서용 정전형 전하증폭기는, 가속도계의 용량에 따라 입력범위를 조정하거나 가속도계의 감도에 따라 사용자가 입력하여 사용할 수 있게 함으로써 정전형 전하증폭기의 범용성을 확장시키고 있다.

또한, 출력에 있어서도 과도입력에 대한 검출부가 마련되므로 출력신호값으로부터 입력값이 과도하게 입력되었는지를 알 수 있다.

그리고, 기간산업인 발전소와 제철소, 화학공장, 제지공장, 정유공장 등의 대형설비에서의 조기 고장진단, 자동차회사를 비롯한 각종 업체에서의 제품 개발시 필요한 진동저감을 위한 연구개발용, 그리고 교량이나 아파트를 포함한 고층건물의 안전진단시에 정전형 가속도센서와 함께 사용할 수 있다.

한편, 신호감소 및 선로상에서의 노이즈발생을 고려하여 정전형 증폭기를 이용함으로써 원거리 측정 가능여부 등의 모든 요건을 충족시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (10)

1. 가속도센서로부터 전송된 신호에 대해 원하는 대역의 필터링이 이루어지고, 상기 필터링된 신호와 기준신호와의 차를 출력시켜 증폭을 수행하며, 상기 입력신호의 크기 및 주파수를 조절하기 위해 선택적인 스위칭이 이루어지는 전하 인터페이스부;

   각 단위별로 다수의 저항을 연결한 피드백 저항모듈을 적어도 하나 이상 OP-AMP의 입출력단 사이에 접속시켜 선택적 스위칭에 의한 센서민감도를 설정하며, 단위 가속도값에 대해 단위 전압값으로 신호변환이 이루어지는 표준화부;

   가속도값에 대응하는 해당 전압값을 출력시키기 위해 연속적으로 조합된 적어도 하나 이상의 OP-AMP 각각의 일단자에서 선택적인 스위칭이 이루어져 해당 이득값을 출력시키는 이득조절부;

   상기 이득조절부로부터 출력된 신호에서 최대직류값을 출력하기 위해 정류 및 평활화에 의해 직류성분으로 변환이 이루어지는 피크검출부; 및

   상기 피크검출부로부터 출력된 최대직류값이 계측동작범위 내에 있는지를 판별하기 위해 상기 최대직류값과 제한전압값과의 비교를 통해 제한전압값 이상에서 경고가 이루어지는 과도입력 검출부

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전하 인터페이스부는,

   가속도센서로부터 출력된 신호 입력시 DC성분을 제어함과 동시에 정전압을 발생시키며, 원하는 대역 신호를 통과시키는 정전압공급 및 필터링부;

   아날로그 접지신호인 기준신호를 발생시키는 접지신호발생부;

   상기 정전압공급 및 필터링부를 통과한 미세신호와 기준신호를 비교하여 그 차를 출력하는 비교스위치;

   상기 비교스위치의 일단에 비반전단자가 접속되며 비교스위치의 타단에 반전단자가 접속되어 신호 증폭을 수행하는 제1 OP-AMP; 및

   상기 가속도센서로부터 전달된 입력신호의 크기를 조절하기 위해 피드백저항값을 조정하는 스위칭이 이루어지는 입력크기 선택스위칭부와, 상기 입력신호의 주파수를 조절하기 위해 상기 입력크기 선택스위칭부에 선택적으로 접속되는 주파수 선택스위칭부로 이루어진 입력신호크기 및 주파수 조절부

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 입력크기 선택스위칭부는,

   상기 제1 OP-AMP의 출력단에 접속되어 센서의 감도가 0.1(pC/g)에서 1(pC/g) 사이일 경우와 1(pC/g)에서 10(pC/g) 사이일 경우를 구분하는 단자에 선택적으로 접속이 이루어지는 제1A 스위치(SW1A); 및

   상기 주파수 선택스위칭부에 접속되어 센서의 감도가 0.1(pC/g)에서 1(pC/g) 사이일 경우와 1(pC/g)에서 10(pC/g) 사이일 경우를 구분하는 단자에 선택적으로 접속이 이루어지는 제1B 스위치(SW1B)

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 주파수 선택스위칭부는,

   요구되는 주파수응답이 0.1㎐에서 1㎐ 사이일 경우와 1㎐일 경우를 구분하는 단자에 선택적으로 접속이 이루어지는 제2 스위치(SW2)인 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 표준화부는,

   상기 전하 인터페이스부로부터 출력된 신호를 증폭시키기 위해 상기 제1 OP-AMP로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 반전단자는 접지되는 제2 OP-AMP; 및

   센서 민감도를 설정하기 위해 상기 제2 OP-AMP의 출력단과 비반전단자 사이에 피드백 저항을 연결하되, 각 단위별로 다수의 서로 다른 저항값을 갖는 저항을 연결한 피드백 저항모듈을 적어도 하나 이상 접속하여 각 피드백 저항모듈에서 선택적 스위칭이 이루어지는 센서민감도 설정부

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 센서민감도 설정부를 형성하는 저항의 저항값은, 0.1％ 내지 1％ 범위내의 오차값을 갖는 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 이득조절부는,

   표준화부로부터 출력된 고정된 신호가 반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 비반전단자와 출력단 사이에 다수의 이득값을 갖는 신호를 입출력시킬 수 있는 제1 이득조절스위치(SW4A)를 접속시키는 제3 OP-AMP로 이루어진 제1 이득조절부; 및

   상기 제3 OP-AMP의 출력단이 반전단자에 접속되고 비반전단자와 출력단 사이에 다수의 이득값을 갖는 신호를 입출력시킬 수 있는 제2 이득조절스위치(SW4B)를 접속시키는 제4 OP-AMP로 이루어진 제2 이득조절부

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 피크검출부는,

   이득조절부로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 반전단자와 출력단 사이에 AC 성분을 DC 성분으로 정류하는 다이오드를 마련한 제5 OP-AMP;

   상기 제5 OP-AMP의 출력단에 정류 다이오드를 게재하여 접속되는 비반전단자와 반전단자와 출력단 사이에 AC 성분을 DC 성분으로 정류하는 다이오드를 마련한 제6 OP-AMP; 및

   상기 제6 OP-AMP의 출력단에 정류 다이오드를 게재하여 접속되어 정류된 신호를 평활화시키는 평활부

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 과도입력 검출부는,

   피크검출부로부터 출력된 신호가 비반전단자에 입력될 수 있도록 접속되고 분배저항에 의한 제한전압이 반전단자에 입력되어 비교가 이루어지는 비교기;

   상기 비교기의 출력단에 접속되어 제한전압 이상에서 점등되는 점등수단

   을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 점등수단은 LED인 것을 특징으로 하는 가속도센서용 정전형 전하증폭기.