ADC 보드(Digitizer)의 원리 및 응용 분야

최근 머신비전 업계의 새로운 기술 트렌드를 보면 비전카메라 외에도 센서, Laser, LiDAR 등 다양한 소스를 활용하는 방법들이 눈에 띄고 있다. 이에 따라 이번 기사에서는 아날로 그 Source 등을 디지털화하여 머신비전 산업에 활용하고자 할 때 필요한 고속 ADC보드 (Digitizer)의 원리와 그의 응용분야에 대해 이야기해보고자 한다.

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정

아날로그(Analog)와 디지털(Digital)이라는 용어는 쉽게 접할 수 있는 용어이다. 그러나 우리가 쉽게 접할 수 있는 용어일지라도 아날로그 와 디지털의 차이를 분명하게 설명할 수 있는 사람은 그리 많지 않다. 우리가 얻을 수 있는 자연적인 신호는 대게 아날로그이다. 이를 테면 소리, 파동, 바람의 세기, 빛의 밝기 등이다. 우리는 일반적으로 아날로그 신호들을 디지털로 변환하여 사용한다. 예를 들어 하늘에서 구름사이로 부터 아름다운 빛이 땅을 비추고 있다고 가정하고, 이것을 다른 사람에게 공유하고 싶을때 일반적으로는 카메라로 사진을 촬영(아날로그에서 디지털로 변환)하여 다른 사람에게 (디지털 데이터)전송을 할 것이다.

또 다른 예를 들면 핸드폰으로 통화할 때의 목소리는 말하는 사람의 목소리(아날로그)가 핸드폰의 마이크에 인식된 후 디지털 신호로 변화하여, 듣는 사람의 스피커에서 디지털화된 소리가 출력되는 것으로도 설명할 수 있다. 아날로그를 디지털로 변환하는 이유는 아날로그 신호는 끊김없이 연속된 신호이고, 신호의 세기를 아주 정밀하게 표현할 수 있으나 거리에 따라 신호의 세기가 약해지면서 결국 소멸된다. 또 아날로그 신호를 복제할 때 데이터가 변형되기 쉬운 특징을 가지고 있다.

디지털의 경우 0과 1로 이루어진 신호들이고 데이터가 외부 환경의 변화에 영향을 받지 않기 때문에 데이터의 안정성이 뛰어나고, 컴퓨터를 통한 다양한 신호처리가 가능하다.

<그림1>과 같이 임의의 아날로그 신호가 있다고 가정하자. 취득된 아날로그 신호는 표본화(Sampling) → 양자화(Quantization) → 부호화(Coding) 과정을 통하여 디지털로 변환이 된다.

<그림2>는 간단하게 표현된 ADC의 동작 과정이다. 샘플링의 사전적 의미는 어떠한 데이터에서 표본을 골라내는 일이다. 연속적인 아날로그 신호가 있다면, 샘플링 주파수가 높을수록 원본 아날로그 신호에 가까운 정보를 측정할 수 있다. 1초에 몇번의 샘플링을 하는지를 ‘SPS’(Sampling per second)로 표현하며, ADC의 가장 중요한 스펙 중 하나인 Sampling Rate 의 단위이다.

참고로 오디오 파일의 확장자를 보면 ‘샘플링 레이트(Sampling rate)’라 는 단어를 쉽게 찾을 수 있다. 음악 작업 표준 Sample rate은 44.1kHz이며, 이것은 44.1 KSps로도 표현할 수 있다. 자사의 ADC보드 APX-5360G3A와 비교하면 이 보드의 Sampling rate는 오디오 파일의 Sampling rate 대비 40816배의 차이가 난다. 이것은 자사의 ADC 보드가 연속적인 아날로그 신호를 고속으로 측정할 수 있음을 의미한다.

<그림3>과 같이 Sampling을 통해 측정한 전압의 값을 Digital 값으로 변환하는 과정을 Quantization이라 한다. 아날로그 신호를 디지털로 표현할 수 있는 범위는 bit 정보를 따라간다. 이러한 단위를 해상도(Resolution, 분해 능)라고도 부르며, ADC 보드를 선정하는데 있어 또 하나의 중요한 스펙 중 하나이다.

자사 제품은 12~16bit의 ADC 제품군이 있으며 이것은 가장 낮은 전압부터 가장 높은 전압까지의 범위를 12~16bit로 표현할 수 있다는 뜻이다. 12bit는 0 ~ 4096 값으로 표현, 14bit 는 0~16384 값으로 표현, 16bit는 0~65536로 표현이 가능하다. 측정된 샘플의 전압차를 해상도(bit)가 높을수록 세분화하여 디지털로 변환이 가능하다는 것을 의미한다.

<그림4>와 같이 양자화(Quantization) 된 후 이 값들을 0과 1만으로 표현된 디지털 값으로 표현하는 과정을 부호화(Encoding, coding)라고 하며, 이렇게 부호화가 완료되어 디지털로 변환된 값은 여러가지로 활용하여 사용이 가능하다.

다양한 아발데이터의 ADC 제품 및 기능

FPGA 커스터마이징: 아발데이터의 고속 아날로그 보드 시리즈는 400M~3.63Gsps의 다양한 샘플링 대역이 요구되는 계측 기기나 검사 기기, 통신 기기 용도에 대응하기 위해 개발되었으며, PCI-E 기반이므로 PC에서 프로세싱이 쉽게 가능한 장점이 있다. Altera FPGA의 탑재로 FPGA 커스터마이징이 가능하기 때문에 예를 들어 FFT연산이나 FIR/IIR등의 필터링 처리, 데이터의 평균화, 가산 평균, 데이터 변환 등의 기능을 탑재하거나, 유저가 원하는 기능을 탑재할 수 있다.

아날로그 데이터 로거: 아발데이터에서는 아래의 그림과 같이 고속 및 저속 아날로그 데이터 로거 제품시리즈가 있으며, PC 타입이 아닌 독릭접 으로 샘플링 데이터를 처리 및 저장하는 데이터 로거의 제품군도 준비되어 있다.

고속 ADC보드를 활용한 애플리케이션

Measurement Equipment: 고속 ADC 보드는 아니지만 최대 16ch을 지원하는 APX- 520(200KSps, 16ch, 18bit)을 사용하는 예시이며, 사람의 신체에 각 부분에 센서를 연결하여 신체가 움직일 때마다 측정 되는 아날로그 신호를 이용하여, 건강상태 측정 및 모션 캡처 등에서도 이용할 수 있다.

Medical Equipment: APX-5040(400Msps, 2ch, 14bit)을 이용한 OCT(Optical Coherence Tomography, 광 간섭 단층계) 검사의 사용 예시이다. 일반적인 Machine vision용 카메라에서는 정보를 취득할 수 없기 때문에 아날로그 Detector를 이용한다. OCT영 상은 빛을 주사하여 얻은 정보를 재구성하여 단층상을 표현하는 것으로 사람의 눈에 접촉하지 않고 빛투과가 가능한 범위에서 구조정보를 획득할 수 있다. 위의 예시는 의료용 OCT 이지만, 산업용 OCT의 경우 용접부 검사, 디스플레이 패널, 인쇄 회로 기판 검사, 2차전지 배터리 등 여러 어플리케이션에 사용되고 있다.

Measurement Equipment: APX-5200A(현 APX-5200B-1, 1Gsps, 2ch, 12bit)를 LiDAR(Light Detection And Ranging)를 이용한 지형 검사의 사용 예시이다. LiDAR는 대상물에 빛을 비추고 그 반사광을 광 센서를 통해 검출하여 거리를 측정하는 방식이며 육지 및 심해 지형 측정, 자율 주행 자동차, 휴대폰, 태블릿 등 광범위한 곳에서 이용되고 있다. 자사 고속 ADC보드와 LiDAR를 이용하여 항공뷰의 정밀 지형측정 등에 사용되고 있다.

고속 ADC 보드, 활용분야 점점 늘어나는 추세

저속 ADC 보드는 이미 많은 분야에서 사용되고 있지만, 산업시장이 점점 발전하면서 고속, 세분화 처리가 가능한 고속 ADC보드를 필요로 하는 분야가 점점 늘어나고 있다.

최근 국내에서는 투명 코팅막의 두께 측정 및 균일도 검사가 가능한, 산업용 OCT에 적용하여 성공적으로 론칭하는 등 새로운 산업 분야에서 검토가 진행되고 있다. 하지만 아직까지는 ADC보드가 다양한 산업분야에 보편화되어 있지 않고, 일반적으로는 생소하고 이해하기도 어려운 제품일 수도 있다고 생각되기에, 고속 ADC보드에 대한 기초지식과 애플리케 이션에 대해 소개함으로써 앞으로 더욱더 많은 산업 현장에 서 활용되기를 기대해 본다.

자료제공: 아발글로벌(www.aval-global.com)  Product Support Engineer 손윤석과장