고속, 고성능 디지타이저 선택을 위한 핵심요소

오늘은 머신비젼 업계에서는 다소 생소하게 느껴질 수도 있는 아날로그 입출력 인터페이스 보드에 대해 소개 하려고 합니다.

일반적으로 주변에서 쉽게 이용되는 온도, 압력, 유량, 진동 등을 계측하는 센서는 아날로그 신호를 출력하고, 제어를 위해 사용되는 액추에이터도 아날로그 신호로 동작 되는 것이 대부분입니다. 그래서 계측, 검사 등으로 사용되는 PC에서 이런 아날로그 신호를 처리하기 위해서는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 장치가 필요합니다. 이런 어플리케이션에 사용되고 있는 당사의 고속, 고성능 디지타이저 보드(ADC 보드)에 대해 소개하고, 디지타이저 보드 선정 시 중요한 요소에 대해 알아보겠습니다.

AVALDATA의 고속 디지타이저보드 (Express Converter)시리즈는 200MSps~3GSps 영역의 샘플링 속도가 요구되는 계측기기, 검사기기, 통신기기 용으로 개발된 제품으로, 고속 ADC 디바이스와 당사의 PCI Express IP 코어 기술의 조합을 통해 데이터 누락 없이 고속으로 샘플링된 데이터를 PC로 전송합니다. 일부 모델은 보드에 탑재된 FPGA의 일부를 고객에게 오픈 하여, 사용자의 편의에 맞춘 커스터마이징도 가능합니다.

1. 오실로스코프와 디지타이저의 비교

우선 디지타이저 보드를 처음 접하는 분들의 이해를 돕기 위해 산업용 계측 분야에서 많이 사용되는 오실로스코프와 비교해 특징과 장/단점에 대해 알아보겠습니다.

그림1. 오실로스코프

그림2. 디지타이저

그림1.의 오실로스코프는 주로 전자회로의 트러블슈팅을 위해 사용되며,  최근 전자회로의 고속화에 따라 샘플링 속도 100GSps이상의 고속 모델도 있습니다. 분해능은 대부분 8bit로 낮으며 문제가 발생한 타이밍의 파형 정보를 확인하는 용도로 사용됩니다. 다만, 오실로스코프의 경우 외부로 연결할 수 있는 인터페이스가 없어 데이터를 외부로 전송하는 어플리케이션에는 적합하지 않습니다.

그림2의 보드는 당사의 PCI Express 타입의 디지타이저 제품으로 PC에 장착하여 사용이 가능합니다. 샘플링 속도는 200M~3Gsps정도 레벨이지만 12~16bit의 고분해능을 가지고 있어 높은 SNR이 필요한 신호분석에 적합한 장점이 있습니다. 또한 고속 인터페이스를 가지고 있어 데이터를 연속적으로 외부로 전송 할 수 있어, 검사장치, 계측장치, 영상분석장치 등 많은 분야에서 사용되고 있다.

2. 디지타이저 오실로스코프와 디지타이저 보드의 비교

샘플링 속도와 신호 대역폭을 기준으로 디지타이저를 선정할 경우, 입력할 수 있는 주파수 범위를 의미하는 신호 대역폭이 샘플링 속도를 정하는 중요 포인트가 되며, 측정하고자 하는 신호의 주파수를 확인하여 적절한 속도의 보드를 선정하시면 됩니다. 이번에는 샘플링 속도와 신호 대역폭의 관계에 대해 알아보겠습니다.

샘플링 Rate : 200MSps

그림3. 입력신호대비 샘플링 파형

상기 그래프들은 당사의 디지타이저를 사용하여 200Msps 샘플링속도에서 5가지의 다른 입력신호 (10Mhz, 50Mhz, 100Mhz, 150Mhz, 190Mhz)를 샘플링한 파형이며, 디지타이저의 신호 대역폭은 DC~200MHz로 설정했습니다.

샘플링 속도 대비 입력신호가 1/20에 해당하는 Case1(10MHz)와 Case5(190MHz)에서는 신호 재현성이 높고 신호의 진폭도 눈으로 확인 할 수 있으며 이 두 입력 신호의 파장이 일치함을 알 수 있습니다. 반면에, 1/4에 해당하는 Case2(50MHz)와 1/2에 해당하는 Case3(100MHz)에서는 신호의 재현성이 낮고 본래 신호의 상태를 눈으로 확인하기 어려워지고, 신호속도를 150MHz 올리면(Case4) 신호의 진폭이 완전히 없어지며 50MHz의 신호를 샘플링 한 것과 비슷하게 되는 현상이 일어납니다.

3. 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)

상기 테스트는 고속 푸리에 변환을 실행해 보면 좀 더 자세한 분석이 가능합니다.
샘플링 속도 200MHz에서, 입력신호를 190MHz로 하면 맨 앞의 10MHz 지점에 원래 없던 주파수가 나타나게 됩니다.
이런 관계는 샘플링 속도의 1/2주파수, 샘플링 주파수 부분을 안쪽, 바깥쪽으로 접어 나가는 것과 같이 복제됩니다.
이런 복제는 논리상으로 높은 주파수 방향으로 끊임없이 이어지며 이런 현상을 에일리어싱(Aliasing)이라고 합니다.

그림4. FFT 분석

4. 디지타이저의 주요 성능 (APX-5360G3, 1.8GSps, 12bit 기준)

당사의 디지타이저 APX-5360G3 사양은 샘플링 속도는 1.8GSps, 신호대역은 1.8Gsps의 50%인 900Mhz에서 -3dB (약 30%) 감쇠되는 Low pass filter를 내장하고 있으며, 타사의 디지타이저도 동일하게 Low pass filter 또는 Band pass filter를 장착하여 Aliasing 감쇠처리를 하고 있습니다. Aliasing을 방지하는 필터는 Anti-aliasing filter 라고 부르기도 합니다.

Anti-aliasing Filter ? 
Anti-aliasing filter의 Cut off 주파수가 디지타이저 메이커에 따라 다르기 때문에 측정하고자 하는 신호의 주파수보다 광대역의 디지타이저를 선정해야합니다. 당사의 디지타이저의 경우, 폭넓은 고객이 사용 할 수 있도록 Anti-aliasing filter의 Cut off 주파수, -3dB가 되는 지점을 각 디지타이저의 Nyquist frequency(나이퀴스트 주파수)로 설정하고 있습니다.

표1. APX-5360의 사양

5. 디지타이저의 노이즈 성능 지표

디지타이저의 노이즈 사양을 확인하는데 4가지 지표가 있으며, 가장 우선 시 확인하는 지표는 SNR(Signal to Noise Ratio)입니다.

1. SNR
   SNR은 입력 신호와 그 외 기타 주파수 성분의 비율을 의미하며, 고주파 성분은 노이즈에서 제외됩니다.
   이상적인 정현파에서는 고주파 성분이 발생하지만 신호가 조금이라도 비선형성을 가지고 있으면,
   반복 주파수와 고주파 성분으로 분해되므로 입력신호의 정배수로 고주파가 표현됩니다.
   고주파는 입력신호 자체에 원인이 있다고 보기 때문에 노이즈 성분에서 제외합니다.
2. SINAD(Signal to Noise And Distortion Ratio)
   SINAD는 고주파도 포함한 입력 신호와 그 외 기타 주파수 성분의 비율을 계산한 값이며,
   SNR보다는 항상 낮은 값을 나타냅니다.
3. SFDR(Spurious Free Dynamic Range)
   SFDR은 입력신호와 그 다음으로 높은 주파수와의 비율을 말하며 입력신호에 기인하는 고주파성분도 포함됩니다.
4. ENOB(Effective number of bits)
   ENOB는 유효한 비트수를 표시하는 지표를 의미하며 SINAD로 ENOB를 산출 할 수 있습니다.
   ex) 산출 공식 ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02

표-1에 기재된 사양에 따르면 APX-5360은 분해능이 12bit이며 SNR값은 56.3dB입니다.
입력신호의 값을 1이라고 가정하면 노이즈 성분의 총계는 0.001531정도가 됩니다.

6. 분해능과 SNR

분해능이 높은 디지타이저를 사용하면 높은 SNR을 획득할 수 가 있습니다. 측정할 신호의 진폭이 클 경우에는 문제가 없지만, 디지타이저의 Full scale 대비 -40dB(약1%)정도의 미세한 신호를 측정할 경우 Full scale 입력으로 -70dB의 성능을 가지는 디지타이저라고 하더라도 SNR은 입력 신호 대비 -30dB이 됩니다. 일반적으로 신호의 레벨이 노이즈와 비교하여 5~6dB이상 크지 않으면 신호와 노이즈의 판단이 어렵다고 알려져 있으므로 측정할 신호의 레벨이 작으면 작을수록 높은 SNR을 가진 디지타이저 보드로 주파수 분석을 하는 것이 유리합니다.

그림5. 주파수 스펙트럼

데시벨(dB) 표기

PCI Express 인터페이스를 채용하고 있는 솔루션에서는 앞으로도 고속화가 진행될 것임이 틀림없을 것입니다. PCI Express 는 현재 2.0에서 3.0, 4.0으로 메모리는 DDR4에서 DDR5로 진화하고 있으며 당사의 디지타이저도 ADC가 5GSps가 넘는 제품을 개발중이며, 500Mhz, 16bit에 4채널을 동시에 샘플링 가능한 제품(APX-5056, 제품 보러가기)도 최근  출시가 되었습니다. 향후 고성능 디지타이저를 검토하실 경우에는 이번 포스팅에서 소개한 성능이외에도 신호간의 동기 오차, 외부 클럭의 사용방법, FPGA에 의한 신호처리의 필요성 등을 고려하여 사용에 가장 적합한 제품을 선정하시기리를 바랍니다.