아날로그와 디지털 신호: 산업 계측의 기초

계측은 압력, 온도, 유량, 화학 조성 같은 물리적 공정을 측정하고 제어하는 과학이자 실무입니다. 센서, 트랜스미터, 액추에이터 등 기기는 물리량을 포착해 표시하거나 작동시킵니다.

신호는 정보를 전달하는 측정 가능한 양입니다. 음성, 빛, 심지어 단순 손짓도 한 개체에서 다른 개체로 의미를 전송하는 신호입니다.

이 장에서는 신호라는 용어를 전송 및 제어 목적으로 물리 변수를 나타내는 전기 전압 또는 전류를 설명하는 데 거의 독점적으로 사용합니다.

아날로그 vs 디지털

아날로그 신호는 부드럽고 연속적으로 변하는 반면, 디지털 신호는 이산적 단계로 변합니다. 익숙한 비교는 부드럽게 움직이는 바늘의 클래식 아날로그 시계와 1초 단위로 똑딱거리는 디지털 시계입니다. 아날로그 시계는 이론적으로 어떤 분수 시간 값도 표시할 수 있지만, 디지털 시계는 분해능(예: 1초 단계)에 의해 제한됩니다.

두 형태 모두 현대 전자공학 전반에서 사용되지만, 이 논의는 구현이 더 단순한 경향이 있는 아날로그 신호에 초점을 맞춥니다.

간결한 소개를 위해 아날로그 및 디지털 전자공학 입문 동영상(링크)을 시청하세요.

대부분의 물리량, 특히 전기량이 연속적으로 변하므로 아날로그 신호는 사실상 무제한 분해능으로 정보를 전달할 수 있습니다.

산업 계측 시스템

역사적으로 산업 제어 시스템은 압축 공기를 신호 매체로 사용했습니다. 트랜스미터가 파이프 내 공기 압력을 변조해 측정된 변수를 인코딩하면, 수신기가 게이지나 제어 밸브로 그 압력을 해석했습니다.

예를 들어 탱크 수위를 측정하는 공압 레벨 트랜스미터는 탱크가 비면 저압, 부분 충만 시 중압, 가득 차면 고압을 출력합니다. 대응하는 압력 게이지(레벨 인디케이터 LI)는 그 압력을 측정해 추론된 수위를 표시합니다.

공기 압력 신호는 본질적으로 아날로그입니다. 공정 변수의 어떤 변화도 압력의 비례적 변화로 변환됩니다. 이 특성이 공압 시스템을 초기 산업 제어의 중추로 만들었습니다. 단순성, 안전성, 견고성 때문입니다.

그러나 더럽거나 젖은 공기, 튜브 누설, 컴프레서의 기계적 복잡성 같은 실용적 한계가 전기 신호로의 전환을 촉진했습니다. 솔리드 스테이트 증폭기와 정밀 전압/전류 레퍼런스로 얇은 와이어를 통해 전압이나 전류를 아날로그 신호로 사용할 수 있게 되어, 거대한 컴프레서와 광범위한 튜빙이 필요 없게 되었습니다.

오늘날 아날로그 전기 신호는 계측에서 여전히 지배적인 통신 모드지만, 최신 애플리케이션에서 디지털 통신이 점점 일반화되고 있습니다.

라이브 제로

'라이브 제로'는 측정의 0% 상태를 0이 아닌 신호값에 매핑하는 스케일링 관례입니다. 이 기법은 시스템 고장이나 신호 손실 시 즉각적인 시각적 단서를 제공합니다.

0-12 PSI로 보정된 공압 트랜스미터를 고려해 보세요. 0 PSI가 0%, 12 PSI가 100%입니다. 시스템이 압력을 잃으면 인디케이터는 0%를 읽는데, 이는 진정한 영 측정값과 구별할 수 없는 정당한 값입니다. 스케일을 3-15 PSI(3 PSI = 0%, 15 PSI = 100%)로 옮기면 압력 손실 시 음수 판독(예: -25%)이 나와 명백히 결함을 알립니다.

많은 산업 표준이 라이브 제로 스케일링을 채택합니다. 널리 쓰이는 4-20mA 전류 루프가 그 예로, 결함 감지와 시스템 신뢰성을 높입니다.

요약

• 신호는 정보를 전달하는 데 사용되는 감지 가능한 모든 양입니다.
• 아날로그 신호는 연속적으로 변할 수 있어 미세한 변화를 표현할 수 있습니다.
• 초기 산업 시스템은 공압 신호에 의존했으며, 현대 시스템은 주로 전기 전압 또는 전류를 사용합니다.
• 라이브 제로는 신호를 스케일링해 0%를 0이 아닌 기준선으로 표현함으로써 결함을 즉시 가시화합니다.