아나로그 입출력 보드 (Analog Input Output Board)

   
업데이트:2017년 2월

1. 아나로그 입출력 보드란?

온도 압력 및 유량과 같은 자연스러운 요소를 측정하는 센서의 신호는 종종 아나로그 신호이며 대부분의 제어 액추에이터는 아나로그

신호에 따라 움직입니다.

반면에 디지털 신호만 컴퓨터에서 처리 할 수 있습니다. 이러한 이유로 컴퓨터를 사용하여 센서에서 신호를 입력하거나 액추에이터에

신호를 출력하려면 컴퓨터에서 처리하는 아나로그 신호와 디지털 신호를 연결할 수 있는 장치가 필요합니다.

이 브릿지를 아나로그 I/O 인터페이스라고 합니다.






사용보드 : AD12-16(PCI), AD12-16(PCI)EV, AD12-16U(PCI)EV, AD12-64(PCI), AD16-16(LPCI)L, AD16-16(PCI)EV,...




2. 아나로그 입출력보드의 분류

- 아나로그 입력 (A/D 변환)
   
  
외부 장치로부터의 아나로그 신호를 컴퓨터에서 처리 할 수 있는 디지털 데이터로 변환하는 장치

- 아나로그 출력 (D/A 변환)

   
컴퓨터 디지털 데이터를 아나로그 신호로 변환하여 외부 장치로 출력하는 장치.

- 아나로그 입출력 (A/D, D/A 변환)

 
  A/D변환과 D/A변환의 기능을 갖고 있는 장치입니다.

 

3. 아나로그 신호의 디지탈화, 디지탈 신호의 아나로그화

컴퓨터에 외부의 아나로그 양을 입력하려고 할때, 디지털로 표현하려고 하면 대응하는 디지털양은 무한자리수가 필요합니다.

컨버터를 구성하는 회로 기술의 관점에서 조차도 제한된 자릿수 만 처리 할 수 있는 컴퓨터에서는 불가능합니다.

이 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은, 반올림 하거나 잘라서 버리는것 절상등에 의해서 허용할 수 있는 범위내에 넣어 버리는 방법이 있습니다.

즉, 어느 범위내의 양을 그 대표치로 옮겨놓아 버립니다. 이것을 양자화라고 부릅니다.


실선으로 표시된 아나로그 값을 양자화 할때 단계적인 선이 생깁니다.

이를 통해 유한 값을 사용하여 모든 아나로그 신호를 표현할 수 있습니다. 이 기술은 예를 들어 휴대 전화와 같이 많은 사람들이 잘 알고 있는

것들에서 활발합니다. 휴대 전화는 음성(아나로그)을 디지털 사운드로 변환하여 전화를 겁니다.





예를 들어, 다름 그림은 첫 번째 단계가 1인 10진수의 계단과 10진수가 2진수로 대체된 경우의 결과를 보여줍니다.

이러한 방식으로, 아나로그 양은 4비트에서 디지털화 될 수 있습니다. 이것은 아나로그 양을 양자화하는 기본 개념입니다.


4. 아나로그 입출력 장치의 절연타입

아나로그 입출력 장치는, 크게 절연형과 비절연형으로 분류할수 있습니다. 여기서는 절연형 두가지 타입에 대해서 그 특징을 설명합니다.

덧붙여, 비절연형은 절연소자가 들어있지 않는 타입입니다.



버스 절연형

포토커플러를 사용하여 컴퓨터와 외부 I/O 회로가 분리됩니다.

전기 간섭을 방지 할 수 있기 때문에 배선에 노이즈가 발생하기 쉽거나 컴퓨터의 오작동이나 손상 우려가 있더라도 걱정할 필요가 없습니다.





독립 절연형(채널간 절연)

버스 절연 외에도 독립적인 절연은 포토커플러와 절연 증폭기를 사용하여 각 입력/출력 채널 사이에 절연을 추가합니다.

이를 통해 채널 간의 간섭을 방지하고 다양한 채널에 연결된 장비가 서로 다른지면 수준을 가지고 있어도 정확한 샘플링이 가능합니다.






5. 포토커플러란?


포토커플러는 포토 트랜지스터에 결합된 발광 다이오드를 포함하는 장치입니다.

발광 다이오드는 전류 (약 10mA)에 노출 될 때 빛을 출력합니다. 포토 트랜지스터는 이 빛을 수신하여 포토 트랜지스터를 켜고 전류를

발생시킵니다. 이 광 신호의 일부는 외부로부터 전기적으로 절연되어 있습니다.

   


6. 입출력 채널수 란?

입력/출력 채널은 단일 장치에 대해 입력 또는 출력 할 수 있는 신호의 수를 나타냅니다.

즉 이것은 얼마나 많은 센서(신호 원) 또는 액추에이터(제어대상)가 연결될 수 있는지를 나타냅니다.

카타로그 등에서 찾을수 있는 사양에서 X수의 싱들앤디드 채널 또는 X수의 디퍼런스 채널을 찾을 수 있습니다.




7. 싱글앤디드(단일종단) 입력이란?

두선 연결을 위해 신호선과 접지선을 사용하는 싱글앤디드 입력은 접지와의 전위차를 사용하여 신호원의 전압을 측정하는 방법입니다.

아나로그 입력의 경우 가장 일반적인 입력 방법이며, 하나의 신호 소스에 대해 두줄만 사용하는 이점이 있습니다.

디퍼런스와 비교할 때 싱글앤디드 입력의 단점은 잡음에 쉽게 영향을 받는다는 것입니다.

   


8. 디퍼런스(차동) 입력이란?

디퍼런스 입력은 신호 소스의 전압을 측정하기 위해 총 3개의 와이어에 대해 두개의 신호 와이어와 접지 와이어를 사용합니다.

신호 소스 전위(A-B)는 접지와 지점 A 사이 및 접지와 지점 B 사이의 전위차를 측정하여 측정됩니다.

이렇게 하면 A-B에 대한 접지에서 발생하는 소음이 취소되고 싱글앤디드 입력에 비해 잡음에 대한 민감서이 적다는 장점이 있습니다.

그러나 하나의 단점은 하나의 신호 소스에 세개의 와이어가 필요하다는 것입니다.

즉 사용할 수 있는 채널의 수가 싱글앤디드 입력돠 비교하여 전반입니다.


 



9. 해상도(분해능) 이란?


해상도는 아나로그 신호가 디지털 방식으로 표현 될수 있는 정도의 정도를 나타냅니다. (근사치)

높은 분해능은 전압 범위를 미세하게 나누어 디지털 값으로 더 정확하게 변환 할 수 있음을 의미합니다.

 


다양한 아나로그 I/O 디바이스 중에서 최적의 해상도를 가진 디바이스를 선택하기 위한 몇가지 고려 사항에 대해 살펴 보겠습니다.


예를 들면 0℃~100℃의 온도를 측정하고 싶다


예1 : 1℃단위로 계측하고 싶다면

        1/100의 정확도가 필요합니다. ---> 해상도가 8비트인 장치 (2의 8승, 256 세그먼트)이면 충분합니다.


예2 : 0.1℃단위로 계측하고 싶다면

        1/1,000의 정확도가 필요합니다. ---> 해상도가 12비트인 장치 (2의 12승, 4,096 세그먼트)가 필요합니다.

예3 : 0.01℃단위로 계측하고 싶다면

        1/10,000의 정도가 필요합니다. ---> 해상도가 16비트인 장치 (2의 16승, 65,536 세그먼트)가 필요합니다.




10. 입출력범위란 무었입니까?


이것은 입력 또는 출력이 가능한 아나로그 전압 또는 전류의 범위입니다.

바이폴라 범위는 예를 들어 -10V에서 +10V까지이며, 유니폴라 범위는 0에서 +10V까지입니다.

입력/출력 범위는 센서 및 액추에이터 입력의 출력과 유사해야 합니다. 또는 약간 넓은 범위를 제공하는 장치를 선택 할 수 있습니다.



예를 들어 아나로그 양을 0~5V로 변환하는 센서를 사용한다고 가정해 봅시다.

따라서 입력 범위가 0~10V인 장치와 0~5V인 장치사이에 효과가 있습니까?

둘 다 12비트의 분해능을 갖는 경우 0~10V 보드의 최소 분할 가능 전압은 약 2.44mV (10 ÷ 4096 = 약 2.44) 입니다.

0~5V 디바이스의 경우, 방정식은 5 ÷ 4096이 되어 최소 분배 전압은 1.22mV가 됩니다.

센서는 0~5V만 출력하기 때문에 입력 범위가 0~5V인 장치는 최상의 판단을 할 수 있습니다.





11. 게인이란 무었입니까?


게인이란 배율을 나타냅니다.

일부 아나로그 입력 장치에는 입력 신호를 증폭 할 수 있는 기능이 있습니다.

예를 들어 외부 신호가 0~2.5V인 경우 아나로그 입력 장치의 입력 범위가 0~10V인 경우 외부 신호를 4배로 증폭한 다음

결과 0을 10V 신호로 변환하는 것이 아니라 더 높은 정밀도로 변환 할 수 있습니다.



12. 변환속도(샘플링 주기)란 무었입까?


변환속도는 특정 시간 간격에 걸쳐 아나로그 신호가 디지털 신호로 변환 될 수 있는 정밀도를 나타냅니다.

또한 디지털 데이터가 아나로그 데이터로 출력되는 데 걸리는 시간을 보여줍니다.

변환 속도가 빠를수록 높은 재현성 변환이 가능합니다.

  


13. 샘플링 정리에 대해서

입력/측정 주파수의 2배 이상의 샘플링 주기에 샘플링 하지 않으면 정확한 파형 측정을 할 수 없습니다.






14. 변환정도란?

변환 정확도는 A/D변환 또는 D/A변환을 수행 할때 생성되는 오차 범위를 나타냅니다.

오류는 1LSB 단위로 표시됩니다. 예를 들어 12비트 분해능이 +-10V의 입력 범위로 설정된 A/D 변환 장치의 최소 분해능 단위는

20 ÷ 4,096 = 4.88mV (1 LSB) 입니다.

이 A/D 변환 보드의 변환 정확도가 +-2LSB로 표시되면, 발생된 에러는 약 4.88 × 2 = +-9.76mV가 될 가능성이 있음을 의미합니다.

* LSB는 최하의 비트의 약자이며 이진 데이터의 최하의 비트를 나타냅니다.




    




15. 바이너리 데이타 (2진수 데이타)와 전압값의 관계 (분해능 16비트의 경우)


분해능 16비트의 아나로그 입력 디바이스로 부터 입력되는 A/D변환 데이타는, 바이너리 16자리수 (16진수 = 4자리수)가 되어,

아나로그 출력 디바이스의 경우는 셋트 하는 D/A변환 데이타는 바이너리 16자리수 (16진수=4자리수)로 됩니다.

아래 그림과 같이 [0000]때의 [-10]에 대해서 전압은 [9.9997...]입니다.


분해가능 16비트 디바이스의 경우, -10V ~ 0V까지의 전압은 -10V를 [0000H]라고 하여서 0V 를 [8000H]라고 한 32,768 방법의 데이터로서 표현할 수

있는데 대해, 0V ~ +10V는 [8000H]로 부터 최대치 [FFFFH]까지의 32,767 방법 밖에 표현할 수 없습니다.

이 때문에 최대치는 [+10V 1LSB]이라고 합니다.






약어(단위)의 의미

- LSB : Least Significant Bit의 약어입니다.

           바이너리 데이타 (2진수 데이타)의 최하위 비트를 말합니다.

- MSB : Most Significant Bit의 약어입니다.

           바이너리 데이타 (2진수 데이타)의 최상위 비트를 말합니다.

- FSR : Full Scale Range의 약어입니다.

           ±10V 범위의 경우는 [20]이 FSR이 됩니다.




16. 아나로그를 디지탈 값으로 표현하는 방법


아나로그 입력(A/D변환)을 통해 변환(양자화)된 데이터와 아나로그 출력 (D/A변환)으로 설정된 데이터는 다음 고유 코드 시스템을 사용하여

나타낼수 있습니다. 이러한 시스템을 표시하는 방법은 다음과 같습니다.


스트레이트 바이너리

0V의 전압에는 0의 디지털 값이 주어지며, 디지털 값은 전압의 증가에 비례하여 증가합니다. 유니폴라 형태가 사용됩니다.







옵셋 바이너리

음의 전압의 최대(최저)값에는 0의 디지털값이 부여됩니다.

이렇게 하면 0V에는 중간에 디지털 값이 할당되고 가장 큰 양의 전압 값에는 가장 큰 디지털 값이 지정됩니다. 바이폴라 형태가 사용됩니다.






컴플리먼트 바이너리

2의 보수를 얻기 위해, 오프셋 바이너리 코드의 최상의 비트가 반대로 됩니다.

2의 보수 표현식은 컴퓨터에서 계산하기 쉬운 코드입니다. 이 데이터 형식은 양극성 형태로 볼 수 있습니다.






17. 샘플링 방법은 무었입니까?


다중 채널로 샘플링을 수행하는 경우, 멀티플렉서 (스위칭 유닛)를 사용하는 멀티플렉서 방식 또는 동시 샘플링 방식이 사용됩니다.

멀티플렉서 방식은 멀티플렉서를 전환하면서 샘플링을 수행하므로 하나 이상의 채널을 동시에 변환 할 수 없습니다.

(채널 간 전환에 시간이 필요하기 때문에)

동시 샘플링 방식에는 두가지 유형이 있습니다.

각 채널에는 A/D 변환기가 장착되어 있으며 샘플/홀드 앰프가 장착되어 있습니다. 두가지 유형 모두 여러 채널에서 동시에 변환 할 수 있습니다.

   




18. 변환속도와 채널수의 관계


아나로그 입력 채널이 멀티플렉서 방식으로 전환되는 시스템에서 여러 채널에 대해 샘플링을 수행하려면 설정 가능한 샘플링 기간이

다음 관계를 유지해야 합니다.

"변환속도 × 채널수≤ 샘플링 주기"








19. 클럭이란?

시계는 아날로그 I / O 장치의 변환 작업을 동기화 할 수있는시기를 나타냅니다. 샘플링주기를 결정하는 샘플링 클록의 경우

다음과 같은 주요 방법이 사용됩니다.


내부 클럭

디바이스에 주기의 설정이 가능한 타이머 소자를 탑재해, 이것을 클럭원으로서 주기적인 변환을 실시하는 방법입니다.

정확하고 단주기로의 시계열 처리에 유효합니다.






외부 클럭

외부클럭 입력 단자를 탑재한 디바이스로 사용 가능합니다. 외부로부터 입력되는 펄스 신호 등에 동기 하고, 변환을 실시합니다.

외부장치와의 동기 처리 등에 유효합니다.





소프트웨어 클럭

PC의 시스템 타이머에 동기 해 소프트웨어상으로 부터 Start Command를 송신해, 주기적인 변환을 실시하는 방법입니다.

다만, 비주얼베이직의 타이머 컨트롤 등은 오차가 크기 때문에 고속으로 정확한 주기가 필요한 시스템에는 향하지 않습니다.





20. 트리거란?

변환의 시작과 정지를 어느 타이밍에 실행할까의 요인입니다. 시작, 정지 각각 독립해 설정 가능합니다. 주된 트리거는 아래와 같습니다.


소트트웨어 트리거

변환 동작의 시작과 정지를 소프트웨어로부터의 명령으로 제어하는 방법입니다.






외부 트리거

변환 동작의 시작과 정지를 외부 신호 (디지탈 신호)로 제어하는 방법입니다. 미리 설정한 엣지의 방향의 외부 제어 신호가 입력되면 변환 동작을

시작 정지합니다.







레벨 비교(변환 데이타 비교) 트리거

변환 동작의 시작과 정지의 제어를 지정 채널의 신호 변화로 실시합니다. 미리 설정한 비교 레벨의 값과 지정한 채널의 아나로그 신호의 크기를

비교해 조건에 일치하면 변환 동작을 시작 정지합니다.








21. 버퍼 메모리란?

버퍼메모리는 변환 데이타를 일시적으로 보관하는 장소입니다. 고속이고 고기능의 아나로그 입출력 처리가 가능할 뿐만 아니라, PC측의 부하를

큰폭으로 경감할 수 있습니다. 버퍼메모리는 용도에 따라서, FIFO형식과 RING형식이 있습니다.




FIFO형식 (Firt In First Out)

FIFO (First In First Out) 방식을 사용하면 변환 된 데이터가 먼저 버퍼 메모리에 저장되며, 먼저 버퍼 메모리에 쓰여진 데이터가 먼저 읽혀집니다

(시간 순서대로).

메모리로부터 판독 된 변환 된 데이터는 순차적으로 전달되고, 버퍼 메모리에 남아있는 가장 오래된 변환 데이터의 판독은 항상 판독 가능하다.

FIFO 메모리 용량을 초과하는 데이터는 폐기되고 쓰여지지 않을 것이며, 읽혀진 데이터는 버퍼 메모리에서 폐기 될 것입니다.






RING형식

링 방법은 저장 영역을 링처럼 버퍼 메모리에 정렬합니다.

변환 데이터는 순차적으로 쓰여지고 메모리 용량을 초과하여 저장하면 이전 변환 데이터가 저장된 영역을 덮어 씁니다.

링 메모리는 데이터가 정상적으로 얻어지지 않았지만 어떤 이벤트로 인해 변환 작업 중지 근처의 데이터를 얻어야 할 때 유용합니다.

링 메서드를 사용하면 데이터를 캡처 한 후에 덮어 쓰기 전에 여러 번 읽을 수 있습니다.








22. 버스마스터 전송기능 이란?


버스 마스터 링 중에 CPU는 장치의 버스 마스터 처리를 지시하여 데이터를 CPU를 통하지 않고 장치에서 직접 주 장치의 메모리로 보낼 수 있습니다.

다음 그림에서 (2)와 (3)이 처리되는 동안 다른 프로세스가 수행 될 수 있습니다.








23. 인터럽트란?

이 기능은 특정 입력 단자를 컴퓨터의 IRQ (인터럽트 요청 행)에 연결하여 외부에서 우선 순위 처리를 생성합니다.

외부 장치의 변경 사항을 감지하면 예를 들어 특정 처리를 수행하고 긴급 우선 순위가 높은 외부 명령을 처리하는 응용 프로그램에서 중단을

사용할 수 있습니다.








24. 소비전류란?

장치를 작동하려면 전력이 필요하지만 전류 소비는 보드가 소비하는 전류의 양을 나타냅니다.

이 전원은 대개 컴퓨터 확장 버스 커넥터에서 제공됩니다.

이것은 보드의 총 최대 소비 전류가 컴퓨터의 정격 전력 용량 (확장 슬롯에 공급할 수있는 최대 전류)을 초과하지 않아야 함을 의미합니다.

정격 전력 용량을 초과하면 컴퓨터의 전원 전압이 낮아져 폭주 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

이러한 이유로 "확장 장치"를 사용하여 컴퓨터 슬롯을 확장하는 것과 같은 적절한 대책을 취하는 것이 필요합니다.



예 : 컴퓨터가 확장 슬롯에 공급할 수있는 전원 공급 장치 용량은 3.6A입니다.

1.2A 외부 인터페이스 보드 2 개를 장착 할 때 최대 소비 전류는 다음과 같습니다.

1.2 (A) × 2 (보드) = 2.4A이며 컴퓨터의 전원 용량 (3.6A)보다 낮습니다. [수용 가능]



6 개의 0.8 A 외부 인터페이스 보드를 장착 할 때 최대 전류 소비는 다음과 같습니다.

0.8 (A) × 6 (보드) = 4.8 A, 컴퓨터의 전력 용량 (3.6 A)보다 높습니다. [용납되지 않는]







25. 노이즈의 종류와 대책

소음은 대략 다음 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

전기 테스트와 달리 다양한 노이즈 소스가 현장에 존재하므로 이론적으로 예상대로 진행되지 않는 많은 경우가 발생합니다.

이러한 경우 예기치 않은 부정확 한 원인은 소음 때문입니다.



외부 노이즈

신호 전송 라인 외부에서 공기를 통해 전달되는 소음.

모터 등의 이동 시스템 기기의 배선 주변에 발생하는 소음 및 주변에 배선 된 소음.



내부 노이즈

아날로그 입력 / 출력 회로의 연결로 인한 잡음.

소자 간 접지 전위차로 인한 잡음 및 오프셋 전압.

배선 재료로 인한 간섭 잡음 및 혼선.



대책

일반적으로 측정을 수행 할 때 노이즈가 측정 대상에 영향을주지 않아야한다는 일반적인 규칙이 있습니다.

이를 보장하려면 임피던스,지면 수준 등이 일치하는지 조심해야합니다.

솔루션에 익숙해지는 것은 어렵지 않지만 이러한 솔루션을 고려하지 않으면 큰 영향을 미칠 수 있습니다.