델타-시그마 ADC 활용: 오일·가스·석유 다중 센서 시스템의 초고정밀 구현

오일, 가스, 석유 시설의 다중 센서 어레이는 중요한 압력 및 온도 데이터를 지속적으로 수집합니다. 이러한 환경이 요구하는 넓은 다이내믹 레인지에서 정확하고 고해상도 판독값을 제공하기 위해 센서 체인은 콤팩트하면서도 예외적으로 정밀해야 합니다.

전통적인 다중 센서 전자장치는 종종 부피가 크고 비용 집약적이며 현장 배포에 필요한 견고성이 부족합니다. 개별 아날로그 컨디셔닝 회로는 현대 공정 제어에 필요한 엄격한 공차를 충족하지 못해 드리프트와 오류 누적을 초래합니다(Figure 1 참조).

Figure 1: 압력 안전 밸브가 배관 시스템을 과압력으로부터 보호합니다. (출처: Shutterstock)

해결책은 고해상도 다중 채널 델타-시그마(ΔΣ) ADC에 있습니다. 열전대, RTD, 압력 트랜스듀서를 정밀 ΔΣ ADC와 직접 통합함으로써 설계자는 석유 부문의 견고한 다중 센서 시스템에 필요한 RMS 노이즈 성능을 달성할 수 있습니다.

이 기사는 ΔΣ ADC를 사용한 정밀 온도-압력 인터페이스 구축의 주요 과제와 해결책을 개요합니다.

압력 센싱

압력 트랜스듀서는 전기 여기(흥분)가 필요한 것과 자체 전력을 생성하는 것 두 그룹으로 분류됩니다. 일반적인 기계식 스타일(벨로우즈, 다이어프램, 부르돈 관, 마노미터)은 압력 변화를 기계적 운동으로 변환합니다.

전기 여기 센서는 ΔΣ ADC 및 마이크로컨트롤러와 원활하게 결합됩니다. 일반적인 유형으로는 정전용량 센서, LVDT, 압저항 소자가 있습니다. 압저항 센서는 콤팩트함과 높은 감도로 인해 일반적으로 선호됩니다(Figure 2).

Figure 2: (a) 압저항 압력 센서가 선호되는 선택입니다. (b) 브리지의 하이 사이드는 전압 또는 전류 여기가 필요합니다. (출처: Maxim Integrated)

Figure 2a에서 센서의 상단 층은 다이어프램에 결합된 저항 필름입니다. 브리지의 하이 사이드(Figure 2b)는 안정적인 여기를 요구하며, 일반적으로 몇 볼트입니다. 3.3V 시스템에서 센서의 차동 출력은 몇 밀리볼트에서 수백 밀리볼트 범위입니다. 이후 증폭과 ADC 변환으로 이 아날로그 신호를 신뢰할 수 있는 디지털 값으로 변환합니다.

온도 센싱의 중요성

압력 트랜스듀서의 성능이 온도에 따라 달라지므로 정확한 온도 측정은 필수적입니다. 시스템은 K-타입 열전대와 RTD를 냉접점 보상(CJC)에 사용합니다(Figure 3).

Figure 3: 2선 TYPE-K 열전대는 CJC를 위해 RTD가 필요합니다. (출처: Maxim Integrated)

열전대는 최대 +1260°C까지 견딜 수 있으며, RTD는 열전대 접합부에서 정밀 측정을 제공하여 온도 보정된 압력 판독값을 보장합니다.

고해상도 ADC: 왜 ΔΣ인가?

ADC 선택에는 해상도와 속도 사이의 트레이드오프가 있습니다. 파이프라인 ADC는 높은 데이터 속도(수십 Gsps)를 제공하지만 최대 12비트입니다. SAR(Successive-approximation-register) ADC는 10Ksps~10Msps에 12~18비트를 제공하여 많은 산업 애플리케이션에 적합합니다. 그러나 나노볼트 수준의 해상도가 필요한 압력 및 온도 센싱에서는 오직 ΔΣ ADC만이 필요한 성능을 제공할 수 있습니다(Figure 4).

Figure 4: 기본 ΔΣ ADC는 입력 전압을 ΔΣ 모듈레이터로 변환합니다. (출처: Maxim Integrated)

ΔΣ ADC는 입력을 먼저 ΔΣ 모듈레이터를 통해 1비트 노이즈 쉐이핑 펄스 트레인으로 변환합니다. 오버샘플링과 디지털 필터링을 통해 최대 24비트의 멀티비트 출력이 생성되어 마이크로컨트롤러가 소비합니다.

ΔΣ 모듈레이터 설명

ΔΣ 모듈레이터는 노이즈 감소의 핵심입니다. Figure 5는 2차 구조를 보여줍니다: 프론트엔드 Δ 함수 다음에 두 개의 적분기(Σ 함수)가 옵니다. 적분기 후 1비트 ADC가 신호를 샘플링하고, 1비트 DAC가 적분기로 피드백합니다.

Figure 5: 2차 ΔΣ 모듈레이터는 프론트엔드 Δ 함수와 두 개의 적분기로 구성됩니다. (출처: Maxim Integrated)

1비트 ADC가 도입하는 양자화 노이즈는 더 높은 주파수로 이동합니다. 이 과정은 노이즈 쉐이핑으로 알려져 있습니다. Figure 6은 결과적인 노이즈 스펙트럼을 보여줍니다.

Figure 6: 모듈레이터의 출력 노이즈가 높은 주파수로 쉐이핑됩니다. (출처: Maxim Integrated)

모듈레이터의 차수는 노이즈 분포를 결정합니다. Figure 7은 1차, 2차, 3차 모듈레이터를 비교하며, 고차일수록 DC 근처에서 노이즈 감쇠가 증가함을 보여줍니다.

Figure 7: 1차, 2차, 3차 모듈레이터의 노이즈 쉐이핑 능력. (출처: Maxim Integrated)

디지털 데시메이션 필터링

ΔΣ 모듈레이터 후 디지털/데시메이션 필터가 고주파 노이즈를 제거하여 ADC의 최종 데이터 레이트 F_D를 생성합니다. 필터의 컷오프 주파수가 출력 샘플 레이트를 결정합니다.

완전한 ΔΣ ADC 아키텍처

Figure 8은 압력 및 온도 센서 입력을 위해 맞춤화된 모듈레이터, sinc 필터, FIR 필터, 입력 멀티플렉서, PGA, 클록 생성기, 레퍼런스 매트릭스를 포함한 완전한 ΔΣ ADC 블록 다이어그램을 보여줍니다.

Figure 8: 압력 및 온도 센서 입력을 갖춘 완전한 ΔΣ ADC 아키텍처. (출처: Maxim Integrated)

sinc 필터는 단순한 로우패스 형태를 제공하며, 1차는 한 워드 주기에 정착하고 4차(Sinc⁴)는 네 주기에 정착합니다. Figure 9는 3차 sinc 필터의 주파수 응답을 보여줍니다.

Figure 9: 3차 sinc 필터(Sinc³)의 주파수 응답. (출처: Maxim Integrated)

sinc 필터의 둥근 응답은 구현을 단순화하지만, 특히 메인 간섭 제거를 위해 더 날카로운 제거가 필요한 경우 FIR 필터가 바람직합니다. Figure 8의 ΔΣ ADC는 16 샘플/초로 동작하면서 50/60Hz 노치 필터를 사용하여 해당 주파수에서 >90dB 제거를 달성합니다.

MAX11410 ΔΣ ADC의 주요 성능 수치: 24비트 해상도, Sinc⁴ 필터링, 160µA PT100 RTD 여기, PGA 게인 128, 입력 범위 1.234V~2.837V, LSB 크기 0.039µV_RMS, 온도 정확도 ±100°C, RTD 정확도 ~4.7µ°C/비트.

요약하자면, ΔΣ ADC를 압력, 열전대, RTD 센서와 통합하면 저잡음, 정밀한 온도-압력 변환을 제공하는 단일 디바이스 솔루션이 됩니다. 이는 오일, 가스, 석유 계측에 필수적입니다. 설계 초점은 노이즈 성능, 입력 멀티플렉싱, BOM 비용에 맞춰져야 합니다.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 EDN에 게재되었습니다.