컴팩트하고 편리한 캘리브레이터 설계를 위한 소프트웨어 구성가능 아날로그 I/O

글: 콘라드 쇼이어(Konrad Scheuer) 선임 수석 MTS, 션 롱(Sean Long) 선임 디렉터 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


머리말

산업용 아날로그 I/O 모듈은 공장에 설치된 센서와 엑추에이터 사이에서 정밀하면서 낮은 레벨의 전압과 전류 신호를 송신 및 수신하는 데 사용된다. 다른 모든 전자 기기들과 마찬가지로, 이러한 I/O 모듈 역시 오랜 시간 동안 반복적인 사용과 변화하는 환경 조건으로 인해서 성능이 저하될 수 있다. 따라서 정해진 기준에 맞게 동작하도록 하기 위해서는 주기적인 캘리브레이션(교정)이 필요하다.

Figure 1. A technician performing calibration at a wiring cabinet.
그림 1: 배선함에서 캘리브레이션을 실시하는 장면

실제로 제약업과 같은 많은 산업 분야에서는 주기적인 캘리브레이션을 의무적으로 실시해야 한다. 이를 위해서는 숙련된 기사가 I/O 모듈이 설치되어 있는 배선함에 가서 캘리브레이션을 실시하고 그 결과를 기록해야 한다. 이 작업을 수행하기 위해서는 소스와 계측기를 비롯한 다양한 장비가 필요하다. 이들 장비는 무게가 무겁고 운반 또는 작동하기가 어려울 수 있다.

이 글에서는 이러한 캘리브레이션 장비의 기능에 대해서 설명하고, 소프트웨어 구성가능 아날로그(SWIO) IC를 기반으로 한 새로운 레퍼런스 디자인을 소개한다. 이 레퍼런스 디자인은 가볍고 휴대가 용이하면서도 현행 장비와 동일한 수준의 기능과 성능을 제공하는 차세대 캘리브레이터로서, 업계에 새로운 기준을 제시한다.

캘리브레이션 장비

I/O 모듈 내의 모든 채널 유형을 캘리브레이션 하기 위해서는 전압 소스와 미터(정격 10V 범위), 전류 소스와 미터(정격 20mA 범위), 그리고 온도 측정을 위한 I/O 채널에 의해 사용되는 다양한 유형의 써모커플과 RTD(PT100/PT1000)로부터 전압 출력을 시뮬레이트할 수 있는 소스가 필요하다. 그러므로 사용하는 장비의 기능에 따라서, 현장에 여러 대의 장비를 가져가야 할 수도 있다. 혹은 이 모든 기능을 제공하는 정밀 장비를 사용할 수도 있는데, 이러한 장비는 가격대가 비싸고 덩치도 크고 무거워서 휴대성이 떨어질 수 있다.

Figure 2. The MAXREFDES183# precision calibrator.
그림2: MAXREFDES183# 정밀 캘리브레이터

그림 2는 이러한 기능들을 제공하는 통상적인 캘리브레이션 장비를 예시한 것이다. 220mm x 173mm x 320mm 크기의 이 장비는 무게가 5.7킬로그램이며, 정확도는 풀스케일 범위(FSR)의 0.02% 이내이다.

컴팩트한 캘리브레이터

MAXREFDES183#레퍼런스 디자인(그림 3)은 소프트웨어로 구성가능한 배터리 구동형 정밀 캘리브레이터로서, 통상적인 산업용 아날로그 입력 및 출력과 전압 및 전류 범위를 지원한다. 이 캘리브레이터는 다음과 같은 기능을 제공한다:

  • 정밀 아날로그 전압 출력, ±10V (+25% 오버레인지)
  • 정밀 아날로그 전류 출력, ±20mA (+25% 오버레인지)
  • 정밀 아날로그 전압 입력, ±10V (+25% 오버레인지)
  • 정밀 아날로그 전류 입력, 20mA (+25% 오버레인지)
  • 정밀 온도 측정 (외부 PT100/PT1000/써모커플 타입 K)
  • 정밀 온도 시뮬레이터

큰 사이즈의 데스크톱 캘리브레이터와 비교할 때, 이 캘리브레이터 레퍼런스 디자인은 108mm x 83mm x 36mm에 불과하며 무게는 단 283그램이다.

그림 4는 MAXREFDES183#의 기능 다이어그램을 보여준다.

기능 설명

MAXREFDES183#는 소프트웨어 구성가능한 산업용 등급의 아날로그 I/O 디바이스인 MAX22000을 기반으로 한다. 이 캘리브레이터를 사용해서 전압과 전류를 측정할 수 있으며, 온도 측정을 위한 추가적인 입력들(TC와 RTD)을 측정할 수 있다. MAX22000은 빠르게 안정화하는 18비트 DAC와 24비트 시그마-델타 ADC를 포함하며, 각각의 데이터 컨버터는 안정적인 5ppm/°C내부 전압 레퍼런스를 사용하고 정확도는 25°C에서 0.01% 이내이다. 선형 범위는 공칭 범위의 105%로 설정할 수 있으며, 풀스케일 범위는 공칭 범위의 125%로 설정할 수 있다(±10V의 공칭 범위로 각각±10.5V와±12.5V). 저잡음 온보드 PGA는 이 ADC로 RTD 및 TC 측정이 가능하도록 고전압 및 저전압 입력 범위를 지원한다. 고속 SPI 버스를 통해서 이 IC를 구성할 수 있으며, 이 SPI 버스는 변환 결과를 전송하는 데에도 사용된다. 2.7V ~ 3.6V 아날로그 및 디지털 전원과 최대 ±24V 고전압 전원을 사용해서 동작하며, 64핀 LGA 패키지이고, -40°C~ +125°C산업용 온도 범위로 동작한다. 또한 이 레퍼런스 디자인은 MAX32625를 채택하고 있다. MAX32625는 초저전력 Arm® Cortex®-M4 마이크로컨트롤러로서 512kB 플래시와 160kB SRAM을 포함하며, SPI를 통해서 MAX22000과 인터페이스하고 UART 인터페이스를 통해서 온보드 USB 브리지(FT234XD)와 터치스크린 디스플레이의 수신기/송신기 쌍으로 연결한다. Nextion NX4024K032 3.2인치 400 x 240 픽셀 터치스크린 컬러 디스플레이이 사용자 제어와 피드백을 제공한다.

열 안정성

고성능 측정 장비라면 기대할 수 있듯이, MAXREFDES183#는 다양한 설계 기법을 동원해서 캘리브레이터의 열 성능을 극대화하고 전반적인 정확도와 안정성을 향상시킨다. 온도 모니터링은 0°C ~ 70°C 범위에서 ±1°C의 높은 정확도를 자랑하는 저전력 I2C 온도 센서인MAX31875를 두 군데에서 사용해서 이루어진다. 한 곳은 MAX22000 부근이고, 다른 한 곳은 소스 단자 부근이다. 그러므로 소스 단자들 사이에 전압 변화에 대해서 온도에 따른 보정을 할 수 있다. 50Ω 저항(I/O 전류 설정)을 선택해서 높은 정확도(0.1% 허용오차)와 온도 안정성(0.2ppm/°C)을 달성한다. 또한 MAX22000 가까이에 배치된 4개의 FET 구동 발열 저항은 측정에 앞서 주변 온도를 설정하고 안정화할 수 있도록 한다. 열 안정성을 추가로 더 높이기 위해, 소형 금속 인클로저(약 1제곱인치의 면적)를 사용해서 MAX22000과 로컬 온도 센서 IC와 발열 저항을 덮고 있다.

전원 관리

이 캘리브레이터는 2개의 3.6V 3500mAh 용량 리튬이온 배터리를 사용해서 구동된다. MAX17320잔량 게이지가 전압, 전류, 온도 같은 배터리 상태를 모니터링하고 관리하며, 외부 하이사이드 FET을 사용해서 과전압/저전압, 과전류, 단락 회로, 극단적인 온도, 과충전, 내부 자체 방전을 방지한다. 그럼으로써 배터리가 안전한 조건에서 동작하도록 함으로써 다음 충전까지 사용 시간을 연장한다. 또한 이 IC는 셀 노후화, 온도, 방전 비율에 따라서 자동으로 보정을 하고 폭 넓은 동작 범위에 걸쳐서 mAh나 퍼센트(%) 단위로 정확한 충전 상태 정보를 제공한다. 또한 서미스터를 사용해서 배터리 온도를 측정한다. MAX17498플라이백 컨버터는 USB 전압(5V 공칭)을 배터리 팩 전압(7.2V 공칭)으로 부스트 하여 여러 DC-DC 컨버터로 전압 입력을 제공하며, 이들 DC-DC 컨버터는 다른 부품들을 구동하는 데 필요한 전압 레일을 발생한다. MAXREFDES183#는 정격으로 110mA를 소비하며, 보통의 사용 조건일 때 다음 충전 때까지 최대 31시간 동안 사용할 수 있다.

Figure 3. Functional diagram of the MAXREFDES183# precision calibrator.
그림 3: MAXREFDES183# 정밀 캘리브레이터의 기능 다이어그램

높은 정확도

그림 5는 -2020°C~ +70°C의 온도 범위에서 전압 및 전류 I/O 측정 결과를 보여준다. 이 결과를 보면 이 레퍼런스 디자인의 정확도가 25C(실온)로 FSR의 0.01% 이내라는 것을 알 수 있다.

안정성

온도에 걸친 정확도도 중요하지만, 캘리브레이션 장비는 대체로 온도가 비교적 안정적인 환경에서 사용된다(보관 역시 마찬가지). 그러므로 고정된 온도에서 오랜 시간에 걸친 높은 수준의 반복정밀도 역시 중요하다. 그림 6에서는 전압 모드로 5V 아날로그 출력으로 구성하고 2525°C 주변 온도로 7일의 시간 동안에 15분 간격으로 기록했을 때 MAXREFDES183#의 정확도(드리프트)가 ±4ppm이라는 것을 알 수 있다. 이 측정은 내쇼날 인스트루먼트(National Instruments)의 PXIe 1073 DMM(7.5 digits)을 사용해서 이루어졌다.

Figure 4. Voltage and current accuracy of the MAXREFDES183# from –20°C to +70°C.
그림 4: -20°C ~ +70°C 까지 온도 범위에서 MAXREFDES183#의 전압 및 전류 정확도
Figure 5. Analog output voltage stability (drift) of the MAXREFDES183#.
그림 5: MAXREFDES183#의 아날로그 출력 전압 안정성(드리프트)

캘리브레이터 자체의 캘리브레이션

아무리 정밀한 캘리브레이터라 하더라도 캘리브레이터 자체를 주기적으로 캘리브레이션 해야 한다. MAXREFDES183#는 사전에 프로그램된 캘리브레이션 루틴을 포함한다(그림 7). 이 메뉴에 따라서 사용자가 외장형 미터와 소스를 연결하고 피드백을 받아볼 수 있다. 이 결과에 따라서 캘리브레이터가 허용 가능한 범위 이내인지 판단할 수 있다.

뿐만 아니라MAXREFDES183# 3D프린터 파일을 제공하므로 이 파일을 다운로드해서 캘리브레이터의 인클로저를 제작할 수 있다. 그림 8은 이 3D 프린트 케이스를 보여준다.

Figure 6. The MAXREFDES183# calibration menu.
그림 6: MAXREFDES183# 캘리브레이션 메뉴
Figure 7. The MAX220000 precision calibrator in a 3D print case.
그림 7: MAX22000 정밀 캘리브레이터의 3D 프린트 케이스

맺음말

MAXREFDES183# 정밀 캘리브레이터 레퍼런스 디자인은 무게가 가벼워서 휴대가 용이한 배터리 구동 캘리브레이터이면서 훨씬 더 크고 무겁고 비싼 캘리브레이션 장비와 동일한 수준의 기능성, 성능, 정확도를 제공한다. 이 레퍼런스 디자인을 기반으로 한 장비의 주요 애플리케이션으로는 시험실 장비 캘리브레이션, 산업용 제어 장비 조정, 스마트 센서와 엑추에이터의 현장 캘리브레이션을 들 수 있다.


저자 소개

콘라드 쇼이어(Konrad Scheuer)는 아나로그디바이스(구 맥심 인터그레이티드)의 선임 수석 MTS(principal member of the technical staff)로서, 유럽 지역에서 산업용 인터페이스를 맡고 있다. 2003년에 알렌 대학에서 컴퓨터 과학을 전공으로 전기공학 학사학위를 취득했다. 2004년에 애플리케이션 엔지니어로 맥심 인터그레이티드에 입사했다. 문의: konrad.scheuer@analog.com .


션 롱(Sean Long)은 아나로그디바이스(구 맥심 인터그레이티드)의 산업용 및 의료 사업부 애플리케이션 담당 선임 디렉터이다. 2012년 5월에 맥심에 입사했으며, 영국 버밍엄의 애스턴 대학에서 전기전자공학 학사학위를 취득했다. 문의: sean.long@analog.com .