이 장에서 다룰 내용
- MCU 내장 ADC와 외장 ADC 선택
- 센서 신호 Conditioning
- DAC 출력과 기준전압
- 아날로그 GND와 디지털 GND
- 샘플링 주기와 필터링
7.1 아날로그 센서 입력의 기본 구조
아날로그 센서 입력은 센서 출력, 보호회로, 필터, 증폭 또는 Level Shift, ADC 입력으로 이어진다. 센서 출력이 0-10V인지, 4-20mA인지, mV 수준인지에 따라 회로가 달라진다. MCU ADC가 0-3.3V만 받을 수 있다면 입력 범위를 맞추는 회로가 필요하다.
산업용 장비에서는 센서 케이블이 길고 주변에 모터와 Solenoid가 있어 노이즈가 섞일 수 있다. 입력단에는 과전압 보호와 필터를 두고, ADC Pin 가까이에는 샘플링 안정성을 위한 작은 Capacitor를 검토한다. 다만 필터가 너무 크면 응답 속도가 느려져 실제 변화를 놓칠 수 있다.
Pre-Aligner의 Vacuum Sensor, Analog Distance Sensor, Edge Sensor 보조 신호처럼 장비 판단에 쓰이는 센서는 정확도와 응답 속도를 함께 봐야 한다. 단순 모니터링 값인지, 제어 루프에 들어가는 값인지에 따라 회로와 샘플링 주기가 달라진다.
7.2 내장 ADC와 외장 ADC
MCU 내장 ADC는 비용과 회로가 간단하다는 장점이 있다. 온도, 전압 모니터링, 느린 센서 입력, 대략적인 상태 확인에는 충분한 경우가 많다. 하지만 정확도, 노이즈, 샘플링 속도, 분해능, 동시 샘플링이 중요하면 외장 ADC를 검토해야 한다.
외장 ADC는 SPI나 I2C로 연결되며, 기준전압과 Layout에 더 신경 써야 한다. 16bit 이상의 고분해능 ADC를 사용해도 전원 노이즈와 GND 설계가 좋지 않으면 실제 유효 비트는 낮아진다. 따라서 외장 ADC는 부품 하나로 정확도가 해결되는 것이 아니라 아날로그 Front-end 전체 설계와 함께 봐야 한다.
선정 기준은 측정 목적이다. 단순히 Vacuum이 충분한지 보는 용도라면 내장 ADC와 적절한 필터로 충분할 수 있다. 미세 위치나 Edge 신호처럼 작은 변화량을 기준으로 판단해야 한다면 외장 ADC, Op Amp, 기준전압, Shield Cable까지 함께 검토해야 한다.
7.3 기준전압과 측정 정확도
ADC 값은 기준전압을 기준으로 변환된다. 기준전압이 흔들리면 센서 값이 실제로 변하지 않아도 ADC 결과가 바뀐다. MCU 전원 3.3V를 그대로 기준전압으로 쓰는 경우 전원 노이즈가 측정값에 영향을 줄 수 있다.
정확한 측정이 필요하면 별도의 Voltage Reference를 사용하거나 ADC 전원과 기준전압을 필터링한다. 기준전압 IC는 초기 정확도, 온도 드리프트, 출력 노이즈, 부하 안정성을 확인해야 한다. Layout에서는 기준전압 경로를 짧고 조용하게 만들고, Digital Switching 신호와 떨어뜨린다.
측정 정확도는 ADC 분해능만으로 결정되지 않는다. 센서 오차, 저항 분배 오차, Op Amp Offset, 기준전압 오차, 온도 변화, Noise, Calibration 방법이 모두 합쳐진다. 사양서에는 "12bit ADC 사용"보다 "측정 오차 목표"를 먼저 적는 것이 좋다.
7.4 RC Filter와 Op Amp 입력단
RC Filter는 간단한 저역통과 필터로 노이즈를 줄이는 데 자주 사용된다. 하지만 R과 C 값은 입력 임피던스, ADC 샘플링 시간, 응답 속도에 영향을 준다. 저항이 너무 크면 ADC Sample-and-Hold Capacitor를 충분히 충전하지 못해 측정 오차가 생길 수 있다.
Op Amp는 신호를 증폭하거나 Buffering하거나 Level Shift하는 데 사용된다. 센서 출력 임피던스가 높거나 ADC 입력 조건이 까다로울 때 Buffer가 도움이 된다. 그러나 Op Amp도 입력 Offset, Bandwidth, 출력 Swing, 전원 범위, 안정성 조건을 확인해야 한다.
필터와 증폭 회로는 계산만으로 끝나지 않고 실제 파형을 봐야 한다. 오실로스코프로 센서 출력, 필터 후단, ADC 입력 Pin을 측정해 노이즈와 응답 속도를 확인한다.
7.5 DAC와 아날로그 출력
DAC는 디지털 값을 아날로그 전압이나 전류로 바꾸는 회로다. 조명 밝기 제어, 기준전압 설정, Analog Command 출력, Sensor Offset 보정에 사용할 수 있다. MCU 내장 DAC가 있는 경우 간단한 제어에는 충분하지만 출력 구동 능력과 정확도를 확인해야 한다.
외부 장비로 아날로그 출력을 내보낼 때는 출력 Buffer와 보호회로가 필요하다. 0-10V 출력이 필요하면 Op Amp로 전압 범위를 확장해야 하고, 4-20mA 출력은 전류 출력 회로가 필요하다. 외부 커넥터로 나가는 DAC 출력은 ESD와 단락 보호를 고려한다.
DAC 출력은 부팅 중 상태도 중요하다. Reset 중 출력이 0V인지, 중간 전압인지, High-Z인지에 따라 연결된 장비가 오동작할 수 있다. Analog Command가 Motor Driver나 조명 Driver에 연결된다면 초기 상태와 Error 상태를 명확히 정의해야 한다.
7.6 센서 캘리브레이션
센서는 이상적인 값만 내보내지 않는다. Offset, Gain 오차, 온도 변화, 개체 차이가 있다. Calibration은 이런 차이를 보정해 장비가 일관된 값을 사용하게 하는 과정이다.
Calibration Data는 어디에 저장할지 정해야 한다. MCU 내부 Flash, 외부 EEPROM, 상위 Controller Database에 저장할 수 있다. 보드 교체 시 Calibration Data가 함께 이동해야 하는지, 센서 교체 시 다시 보정해야 하는지도 정해야 한다.
Loadport의 센서 Threshold, Pre-Aligner의 Edge Sensor 기준값, Vacuum Sensor 기준값은 장비 조립 후 보정될 수 있다. 생산 검사와 현장 서비스에서 Calibration 절차가 가능하도록 Test Mode와 명령 체계를 준비하는 것이 좋다.
체크리스트
- ADC 입력 범위와 센서 출력 범위가 충분한 여유를 가지는가?
- 내장 ADC로 충분한지 외장 ADC가 필요한지 측정 목적 기준으로 판단했는가?
- 기준전압 오차가 전체 측정 오차에 얼마나 영향을 주는가?
- RC Filter가 응답 속도를 지나치게 늦추지 않는가?
- DAC 출력의 Reset 초기 상태와 Error 상태가 정의되었는가?
- Calibration Data 저장 위치와 절차가 정해졌는가?