7-1

신호 추출 (Sampling) : 연속적인 신호를 이산적으로 만드는 과정

Chosun University

제7장 신호추출, 디지털 장치와 데이터 획득(Sampling, Digital Devices and Data Acquisiton)

7.1 서론

7-2 Chosun University

7.2 신호추출 개념 (Sampling concepts)

7-3

아날로그 신호가 이산화된 형태로 잘 나타나도록 하는 결정 요인

1) 계측된 아날로그 신호의 주파수 성분

2) 개개의 이산화된 숫자 사이의 시간 증분량

3) 신호계측의 전체 시간

표본 추출률 (Sample Rate)

- 표본 추출 주파수 또는 표본 추출 속도 ( 마다 연속적으로 계측)

Sampling Theorem

: 아날로그 신호의 최고 주파수

tf s

1

Chosun University

t

mf

ms ff 2mf

t2

1

7-4 Chosun University

7-5

변종 주파수 (Alias Frequencies)

- 신호가 보다 작은 속도로 추출된다면 아날로그 신호의 고 주파수성분은 최종적인 이산급수에서 낮은 주파수로 잘못 인식함

- 잘못 인식된 주파수 (sampling 후에)

o Nyquist 주파수

: 아날로그 신호에 포함된 이상의 주파수 대역에 속한 모든 실제 주파수는 미만의 변종 주파수들로 나타나게 됨

: 변종 주파수 문제를 피하기 위해서는 이상의 주파수 성분은filtering 해야 함

(예제 7.1)

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Nf

12 2

sN

fft

NfNf

2 mf

7-6

진폭의 모호성 (Amplitude Ambiguity)

o 이산 신호로부터 계측 파형의 재구성 여부는 신호추출속도와 DFT의분해능에 좌우됨

가 y(t) 의 기본주기의 정수배가 되어야 함 (그림7.4참조)

신호추출속도와 데이터 수

: 스펙트럼 유실을 최소화 하고 원 신호를 정확하게 근사 시키기 위해서는 표본 추출율 를 신호 주파수의 5배 정도 크게 하고 동시에 를 크게 하는 것이 바람직하다

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sf

N t

Nf

tNftNmT s

1

1

N t

7-7 Chosun University

7-8

bit – 0,1

byte – 8 bits

word – bit 들의 집합

register – word를 저장하기 위해 사용된 특정한 위치

MSB – Most S. B.

LSB – Least S. B.

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7.3 디지털 장치: 비트와 워드

7-9 Chosun University

7-10

(Transmitting Digital Numbers : High and Low Signals)

TTL

High 1 +2V ~ +5.5V

Low 0 –0.6V ~ +0.8V

Modem

High 1 +3V ~ +25V

Low 0 –3V ~ -25V

전달방법

Parallel : 디지털 장비에 내장된 부품들 사이의 통신 (그림 7.5b)

Serial : 워드 (그림 7.5c)

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7.4 디지털 수의 전달 : 높은 신호와 낮은신호

7-11 Chosun University

7-12

D/A 변환기

: M비트의 디지털 장비인데 디지털 이진수 워드를 아날로그 전압으로 변환하는 장비

o M비트 D/A 변환기가 레지스터에 실제입력 이진수 X값을 가능한 최대수과 비교되는 동작

A/D 변환기

: 아날로그 전압값을 양자화 (quantization)라고 부르는 과정을 통하여이진수로 바꾸는 변환기. 변환은 이산적이며 한번에 한 숫자씩 처리함

- 분해능 full scale voltage range

o Signal-to-noise ration (SNR)

(표7.2)

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7.5 전압 측정 (Voltage Measurements)

FSRE

[ ] 20 log 2MSNR dB

MFSREQ 2

M

XE20

2M

7-13 Chosun University

7-14 Chosun University

7-15

- 양자화 오차 (Quantigation Error) : (그림7.7) Q = 1 V

: 제한된 분해능은 실제 입력 아날로그 값과 A/D변환기에 의하여 할당된이진수 값 사이에 오차를 유발할 수 있음 양자화 오차

- 갈라짐 오차(Saturation Error)

:입력 아날로그 신호의 값과 A/D변환기에 의하여 할당된 디지털 값사이의차에의하여 정의

:갈라짐 오차는 A/D변환기의 한계 전압내에 신호들이 오게끔 만들면 피할수 있음

- 변환오차(Conversion Error)

:A/D변환기의 변환오차가 히스테리시스, 선형성, 감도, 0점, 반복오차로나타나게 됨

변환오차에 기여하는 인자는 A/D변환기의 안정화 시간, 아날로그 신호추출시의 신호잡음, 온도영향, 파워동요(excitation power fluctuation)등

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7-16 Chosun University

7-17

연속근사 변환기 (Successive Approximation Converters)

: A/D 변환을 하고자 하는 입력 전압을 계산하는 것에 대한 시행착오 법을 사용함(그림7.8) 비용대비 변환속도가 중요한 경우에 사용

Ramp 변환기 (그림7.10)

: 고정밀 저신호(<1mV) 계측

: 입력 아날로그 신호의 전압값을 구별하기 위하여 선형기준 ramp 신호의 전압값을 사용하여 이진수로 변환하는 것

병렬 변환기 (Parallel Converters) (그림7.12)

: 고속의 병렬 또는 급속 변환기, 고가의 디지털 오실로스코프나 주파수분석기에 일반적으로 사용함

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7-18 Chosun University

7-19 Chosun University

7-20 Chosun University

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: 데이터를 획득하여 저장하는 계측 시스템

- 전용 마이크로 프로세서 : 계측, 기록과 제어에 관한 반복작업을 처리하는데 사용

- PC기반 시스템 : 사용성과 유용성이 강점, 데이터 획득 시스템과 PC조합

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7.6 데이터 획득 시스템 (Data-Acquisition Systems)

7-22 Chosun University

7-23

필터와 증폭기

Shunt 회로 : 전류신호를 shunt 저항을 이용하여 전압신호로 변환

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7.7 데이터 획득 시스템 부품 (components)

7-24

• 아날로그 멀티 플렉서

• A/D 변환기

• D/A 변환기

• 디지털 입출력 : 중앙처리 장치(제어기), 기억장치, 중앙버스, 버퍼

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7-25

데이터 획득보드

: PCMCIA 카드사용

(Personal Computer Memory Card International Association)

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7.8 아날로그 입출력 통신

7-26

시리얼 통신 : RS-232C, RS-422A/423A/449/485

통합 직렬버스 (Universal Serial Bus : USB)

병렬 통신 : GPIB (General Purpose Interface Bus) (IEEE-488)

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7.9 디지털 입출력 통신