고속, 고성능 디지타이저 보드 선택을 위한 핵심요소

자료제공 : 주식회사 티에스코퍼레이션

머신비젼 업계에서는 다소 생소하게 느껴질 수도 있는 아날로그 입출력 인터페이스 보드에 대해 소개하기 위하여 주식회사 티에스코퍼레이션의 성홍열 대표이사가 이 글을 작성했다. 일반적으로 주변에서 쉽게 이용되는 온도, 압력, 유량, 진동 등을 계측하는 센서는 아날로그 신호를 출력하며, 제어를 위해 사용되는 액추에이터도 아날로그 신호로 동작되는 것이 대부분이다. 다만 계측, 검사 등으로 사용되는PC에서 위와 같은 아날로그 신호를 처리하기 위해서는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하기 위한 인터페이스 보드가 필요하게 된다. 이 글은 이러한 애플리케이션에 사용되고 있는 일본의 Avaldata사의 고속, 고성능 디지타이저 보드에 대해 소개하고, 디지타이저 보드 선정 시 중요한 요소에 대해 설명 하고자 작성 되었다.

Avaldata의 고속 아날로그 보드(Express Converter)시리즈는 20Msps~1Gsps영역의 샘플링 속도가 요구되는 계측기기, 검사기기, 통신기기용으로 개발된 제품으로, 고속 ADC 디바이스와 Avaldata의 PCI Express IP 코어 기술의 조합을 통해 데이터의 누락 없이 고속 샘플링 한 데이터를 PC로 전송이 가능하다. 일부 모델은 탑재된 FPGA의 일부를 고객에게 오픈 하여, 고객의 목적에 맞게 커스터마이징도 가능하다.

오실로스코프와 디지타이저 보드 비교
우선 디지타이저 보드를 처음 접하는 독자들의 이해를 돕기 위해 산업계측용으로 많이 사용되는 오실로스코프와 비교하여 특징과 장점 및 단점에 대해 알아보자.
오실로스코프는 전자회로의 트러블슈팅을 위해 주로 사용되며, 최근 전자회로의 고속화에 따라 샘플링 속도는 100Gsps를 넘는 고속 모델도 나와 있다. 분해능은 대부분 8bit로 낮으며 문제가 발생한 타이밍의 파형정보를 확인 하는 용도로 사용되나, 외부로 연결할 수 있는 인터페이스가 없어 외부로 데이터를 전송하는 애플리케이션에는 적합하지 않다.
위 그림은 Avaldata사의 PCI Express 버스 타입의 제품으로 PC에 장착하여 사용이 가능하다. 샘플링 속도는 20Msps~1Gsps정도지만 12bit~16bit의 고 분해능을 가지고 있어 높은 SNR이 필요한 신호분석에 적합하다. 또한 고속 인터페이스를 가지고 있어 데이터를 연속적으로 외부로 전송 할 수 있다는 장점이 있어, 검사장치, 계측장치, 영상 분석 장치 등 많은 분야에서 사용되고 있다.

디지타이저보드 선정기준
샘플링 속도와 신호 대역폭을 기준으로 디지타이저 보드를 선정할 경우, 디지타이저보드가 입력할 수 있는 주파수 범위를 의미하는 신호 대역폭이 샘플링 속도를 정하는 중요 포인트가 되며 측정하고자 하는 신호의 주파수를 확인하여 적절한 속도의 보드를 선정하면 된다. 아래에서 샘플링 속도와 신호 대역폭의 관계에 대해 알아보자.
위는 Avaldata사의 디지타이저보드를 이용하여 200Msps 샘플링속도에서5가지의 다른 입력신호(10㎒, 50㎒, 100㎒, 150㎒, 190㎒)를 샘플링 한 파형이며, 디지타이저보드의 신호 대역폭은 DC~200㎒로 설정 하였다.

샘플링 속도 대비 입력신호가 1/20에 해당하는 Case1: 10㎒와 190㎒에서는 신호의 재현성이 높고 신호의 진폭도 눈으로 확인 할 수 있으며 이 두 입력신호에서의 파장이 일치함을 알 수 있다. 1/4에 해당하는 Case2: 50㎒와 1/2에 해당하는 Case3:100㎒에서는 신호의 재현성이 낮고 본래 신호의 상태를 눈으로 확인하기 어려워진다.
추가로 신호 속도를 150㎒ 올리면 신호의 진폭이 완전히 없어지며, 50㎒의 신호를 샘플링 한 것과 비슷하게 되는 현상이 일어난다.

Fast Fourier Transform(고속 푸리에 변환)
앞의 테스트에서 150㎒와 50㎒, 190㎒와 10㎒가 동일한 결과를 나타냄을 알 수 있었지만, Fast Fourier Transform을 실행해 보면 이 현상에 대해 좀 더 자세하게 이해 할 수 있다. 샘플링 속도 200Msps에서, 입력신호를 190㎒로 하면 맨 앞의 10㎒ 지점에 원래는 없었던 주파수가 나타난다.
이런 관계는 샘플링 속도의 1/2 주파수, 샘플링 주파수 부분을 안쪽, 바깥쪽으로 접어 나가는 것과 같이 복제 된다. 이러한 복제는 논리상으로 높은 주파수 방향으로 끊임없이 이어 지며 이러한 현상을 Aliasing(에일리어싱) 현상이라 부른다.

Anti-aliasing Filter
Anti-aliasing filter의 Cut off주파수가 디지타이저 보드 메이커에 따라 다르므로 측정하고자 하는 신호의 주파수 보다 광대역 디지타이저 보드를 선정할 필요가 있다. Avaldata의 디지타이저 보드의 경우는 폭넓은 고객이 사용 할 수 있도록 Anti-aliasing filter의 Cut off 주파수, -3dB가 되는 지점을 각 디지타이저 보드의 Nyquist frequency(나이퀴스트 주파수)로 설정 하고 있다.

디지타이저 보드의 노이즈 성능 지표
디지타이저 보드의 노이즈 사양으로는 4가지 성능 지표가 있으며, 우선SNR(Signal to Noise Ratio)는 입력 신호와 그 외 기타 주파수 성분의 비율이다. 다만 고주파 성분은 노이즈에서 제외된다. 이상적인 정현파에서는 고주파 성분이 발생하지만 신호가 조금이라도 비선형성을 가지고 있으면, 반복 주파수와 고주파 성분으로 분해되므로 입력신호의 정배수로 고주파가 표현된다. 고주파는 입력신호 자체에 원인이 있다고 보기 때문에 노이즈 성분에서 제외한다. SINAD(Signal to Noise And Distortion Ratio)는 고주파도 포함한 입력 신호와 그 외 기타 주파수 성분의 비율을 계산한 값이며, SNR보다는 항상 낮은 값을 나타낸다. SFDR(Spurious Free Dynamic Range)은 입력신호와 그 다음으로 높은 주파수와의 비율을 말하며 입력신호에 기인하는 고주파성분도 포함된다. ENOB(Effective number of bits)는 유효한 비트수를 표시하는 지표를 의미하며 SINAD로 ENOB를 산출 할 수 있다.

표2에 기재된 사양에 따르면 APX-5360은 분해능이 12bit이며 SNR값은 56.3dB이다. 입력신호의 값을 1이라고 가정하면 노이즈 성분의 총계는 0.001531정도가 된다.

분해능과 SNR
분해능이 높은 디지타이저보드를 사용하면 높은 SNR을 획득할 수 가 있다. 측정 할 신호의 진폭이 클 경우에는 문제가 없지만, 디지타이저 보드의 Full scale 대비 -40dB(약1%)정도의 미세한 신호를 측정할 경우 Full scale입력으로 -70dB의 성능을 가지는 디지타이저 보드라고 하더라도 SNR은 입력 신호 대비 -30dB이 된다.
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 유리하다.

향후 전망
PCI Express 인터페이스를 채용하고 있는 솔루션에서는 앞으로도 고속화가 진행 될 것임이 틀림없다. PCI Express 는 현재 2.0에서 3.0, 4.0으로 메모리는 DDR4에서 DDR5로 진화 해 갈 것이며 디지타이저 보드도 ADC가 5Gsps가 넘는 제품, 500㎒,16bit에 4채널을 동시에 샘플링 가능한 제품도 조만간 출시 될 것으로 보여 진다. 향후 고성능 디지타이저 보드를 검토할 경우에는 위에서 소개한 성능 이외에도 신호간의 동기오차, 외부 클럭의 사용방법, FPGA에 의한 신호처리의 필요성 등을 고려하여 선정할 필요가 있다.