제품기초지식

우리는 최대 샘플링 속도 100 MS/s를 지원하는 16채널의 고속 데이터 수집 장치 SL1000을 개발했습니다. 이 장치는 1kV 절연을 제공하면서도 PC 기반 장치로, 새로 개발된 GIGAZoom 엔진을 통해 데이터 압축을 구현하여 대량의 데이터에도 불구하고 마치 단일 장치처럼 PC 모니터에서 고속으로 파형을 갱신할 수 있습니다. 본 논문에서는 SL1000의 고속 데이터 수집 기능과 기술에 대해 설명합니다.

소개

컴퓨터화는 자동차와 같은 기계전자 분야에서 가속화되고 있습니다. 예를 들어, 하이브리드 엔진에서는 에너지 절약을 위해 엔진 출력을 보조하는 고효율 고전압 인버터 모터가 사용됩니다. 또한, 수많은 ECU(전자 제어 장치)를 사용하여 부품을 세밀하게 제어함으로써 성능을 향상시킵니다.

이와 같이 기계전자 및 전력전자 분야에서는 비교적 저속의 기계적 또는 물리적 현상의 측정과 함께 고속 및 고전압 전기 신호 측정에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 고속 및 저속 복합 측정에 대한 수요에 대응하기 위해, Yokogawa는 DL750과 WE7000과 같은 파형 측정 장치를 제공해왔습니다. 더 높은 속도와 고립된 측정 수요를 충족시키기 위해, 우리는 PC 기반 측정을 기반으로 한 새로운 고속 데이터 수집 장치 SL1000과 100 MS/s의 속도로 1-kV 허용 공통 모드 전압을 지원하는 새로운 측정 모듈을 개발했습니다. 이 장치의 세부 사항은 다음에서 설명합니다. 

그림 1은 SL1000의 외관을 보여줍니다.

특징 

그림 2는 SL1000의 전체 블록 다이어그램을 보여 줍니다. 

입력 신호는 입력 모듈 내부의 감쇠기(ATT)와 증폭기(AMP)에서 정규화된 후, A/D 변환기에서 디지털화됩니다. 디지털화된 신호는 입력 부분과 본 장치 사이의 절연장치에서 절연되며, 본 장치 내의 GIGAZoom 엔진(고속 데이터 압축 엔진)으로 전송됩니다. 본 장치에는 입력 모듈을 위한 8개의 슬롯이 있으며, 각 슬롯은 두 개의 채널을 갖고 있어 최대 16채널을 동시에 측정할 수 있습니다. 입력 모듈에는 새롭게 개발된 고속 100 MS/s 12비트 절연 모듈 720210과 11개의 DL750 모듈이 포함되어 있습니다. 또한 전압 신호뿐만 아니라 열전대(온도), 변형, 가속도 등과 같은 물리적 양을 측정하기 위해 센서와 직접 연결할 수 있는 모듈도 있습니다.

GIGAZoom 엔진은 데이터 수집과 관련된 모든 작업을 수행합니다. 입력 모듈에서 A/D 변환기를 제어하는 타이밍, 트리거 감지, A/D 변환기에서 변환된 데이터를 수집 메모리에 기록, 수집 메모리 관리, 디스플레이 데이터를 생성하기 위한 수집 메모리에서 데이터 읽기 및 압축, 저장을 위한 수집 메모리에서 데이터 읽기 등입니다.

그림1.  SL1000 외관

그림 2. SL1000의 전체 블록 다이어그램

대용량 저장 장치로는 본 장치에 40GB HDD(선택 사양)를 설치하여 실시간으로 대량의 데이터를 저장 할 수 있습니다. 데이터는 앞서 언급한 고속 인터페이스를 사용 하여 PC의 HDD와 내부 HDD에 동시에 실시간으로 저장할 수 있습니다. 데이터는 최대 1.6 MS/s (100 kS/s × 16채널) 속도로 연속적으로 기록할 수 있습니다. 

고속 및 고절연 모듈 720210의 특징

새롭게 개발된 입력 모듈 720210은 샘플링 속도 100 MS/s, A/D 해상도 12비트, 주파수 대역폭 20 MHz를 지원하며, 1-kV 고전압 절연을 실현할 수 있는 고속 데이터 수집 기능을 갖추고 있습니다.

이러한 고속 샘플링 속도와 고전압 절연을 실현하기 위해, 우리는 모듈에서 디지털화된 데이터를 광학적으로 변환하여 광섬유를 통해 본 장치로 전송하는 절연 방법을 개발했습니다. 그림 3은 이 방법의 원리를 보여줍니다. 입력 신호는 증폭기에서 정규화되고, 모듈의 A/D 변환기에서 디지털화됩니다. 디지털화된 데이터는 직렬 데이터로 변환된 후, 반도체 레이저 다이오드(LD)에 의해 광 신호로 변환되어 광섬유를 통해 본 장치로 전송됩니다. 

본 장치에서는 포토다이오드(PD)가 광 신호를 전기 신호로 변환하며, 이 신호는 병렬 데이터로 변환됩니다. 클록 신호는 본 장치에서 입력 모듈로 동일한 방식으로 전송됩니다. 

                               그림3. 고전압 절연 원리

데이터는 이러한 클록 신호에 동기화된 A/D 변환기에서 샘플링되며, 입력 모듈에서 본 장치로 데이터가 전송됩니다. 반도체 레이저 다이오드의 데이터 전송 속도가 매우 높기 때문에, 하나의 장치로 대량의 데이터 전송이 가능하며, 그 결과 절연 구간을 매우 컴팩트 하게 만들 수 있습니다. 광섬유 자체는 절연 특성이 있으며, 그 길이가 고전압 절연에 필요 한 거리보다 길기 때문에, 신호 입력 측과 본 장치 사이에서 1-kV의 고전압을 견딜 수 있는 거리가 실현되었습니다. 이 방법을 채택함으로써 약 100 × 200 mm 크기의 컴팩트한 모듈에서 100 MS/s, 2채널, 1-kV 고전압 절연을 달성할 수 있습니다.

고속 데이터 압축 엔진(GIGAZoom엔진)의 기능

고집적 메모리 장치의 등장으로 이제 본 장치에 고용량 메모리를 장착할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 고속 샘플링으로 데이터를 장기간 입력할 수 있습니다. 한편, 이러한 데이터를 본 메모리에서 표시하기 위해서는 대량의 데이터를 PC로 전송하고, 이 데이터를 PC에서 변환하여 표시해야 합니다. 이로 인해 본 장치와 PC 간의 통신 속도가 병목 현상이 되어, PC에서 파형을 고속으로 표시하는 데 한계가 발생합니다.

SL1000은 본 장치에 고속 데이터 압축 기능(GIGAZoom 엔진)을 탑재하여 PC에서 파형을 고속으로 표시할 수 있도록 돕습니다. GIGAZoom 엔진은 데이터를 PC의 디스 플레이 레스터에 맞게 수집 메모리에서 압축한 후, 데이터 를 PC로 전송하는 기능을 가지고 있습니다. 이는 본 장치 에서 PC로 전송해야 하는 것은 압축된 디스플레이 데이터만으로 고속 파형표시를 실현할 수 있게 합니다.

본 장치에서 데이터를 압축하여 PC로 전송함으로써 고속 파형 표시를 실현합니다. 

이 기능은 100 Mwords 이상의 긴 메모리도 포함된 전체 파형 입력을 PC 메모리에 즉시 표시하고 확인할 수 있게 해줍니다. 또한, 수집 메모리의 어느 부분이든 본 장치에서 데이터를 즉시 압축하여 PC로 전송하고 표시할 수 있습니다. 그 결과, 독립형 측정 장치와 같은 디스플레이 업데이트 및 확대 표시가 PC 모니터에서 실현됩니다. GIGAZoom엔진은 내부 HDD나 PC의 HDD에 지정된 시간에 대량의 데이터를 기록할 수 있는 실시간 하드 디스크 기능을 갖추고 있습니다. 데이터 양이 1GB를 초과하더라도, 압축된 데이터에서 파형을 표시할 수 있습니다. 

멀티샘플 레이트

SL1000은 각 모듈에 대해 다른 샘플링 속도로 데이터를 입력할 수 있습니다. 

최대 네 가지 샘플링 속도가 지원됩니다. 이 기능을 통해 느린 현상에는 느린 샘플링 속도로 데이터 를 입력하고, 빠른 현상에는 빠른 샘플링 속도로 데이터를 입력할 수 있습니다. 

그림4.  Wizard (PC) 설치

각 샘플링 속도 간의 타이밍 위상 차이가 기록되므로, 이 위상 차이 데이터를 기반으로 서로 다른 샘플링 속도의 데이터를 타이밍을 맞추어 보정할 수 있습니다. 

따라서 각 그룹의 데이터는 동일한 시간 축에서 표시됩니다.

어퀴지션 소프트웨어의 특징 

 SL1000의 기록 작업을 제어하는 수집 소프트웨어는 직관 적인 조작이 가능하도록 설계되었습니다. PC에 설치된 수집 소프트웨어를 시작하면, 이 소프트웨어 는 자동으로 본 장치와 연결된 입력 모듈의 유형을 인식 합니다. 설정은 설정 마법사(Setup Wizard)를 통해 진행됩니다. 

그림 4는 설정 마법사를 보여줍니다. 설정 마법사는 시스템 구성, 측정 조건, 기록 조건, 디스플레이 순서로 설정을 안내 합니다. 모든 항목을 설정하면 측정을 시작할 수 있습니다.

수집 소프트웨어는 툴바에서 직관적으로 조작할 수 있는 제어판을 채택하고 있습니다. 그림 5는 수집 소프트웨어의 제어판을 보여줍니다.

그림 5와 같이 주요 작업인 측정 시작/정지, 기록 시작/정지, 일시 정지 등을 이 제어판에서 모두 수행할 수 있습니다.

그림5. 컨트롤 패널

독립형 상태에서의 작업은 본 장치의 START 키를 눌러 시작됩니다. 데이터는 미리 설정된 조건에 따라 입력되며, 데이터는 내부 HDD에 반복적으로 저장될 수 있습니다.

어플리케이션 

그림 6은 자동차용 모터 인버터의 측정 예를 보여 줍니다. 자동차 모터 인버터 개발에는 인버터의 다양한 부분에서 전압과 타이밍을 동시에 측정하는 것이 필요합니다. 인버터 스위칭 장치의 동작 속도가 증가함에 따라, 인버터 성능을 정확하게 측정하기 위해 더 빠른 샘플링 속도가 요구됩니다. 또한, 전력 효율성을 높이기 위해서는 고전압 해상도로 정확한 측정이 필요합니다. 인버터의 동작 전압은 수백 볼트를 초과하며, 측정은 접지 전압뿐만 아니라, 그림 6에서 보이는 것처럼 인버터 스위칭 장치의 이미터와 컬렉터 간의 전압이나 삼상 모터의 라인 전압과 같은 측정 지점 간의 전압도 요구됩니다. 이 때문에 입력 채널의 높은 절연이 필수적입니다. 

 SL1000은 100 MS/s 고속 샘플링, 12비트 고해상도 A/D, 1-kV 허용 공통 모드 전압, 최대 16채널의 다채널 동시 입력을 실현하여 하나의 장치로 이러한 측정을 수행할 수 있습니다.

그림 6. 자동차 인버터 측정 예

결론

이 보고서에서는 SL1000의 주요 특징과 구성에 대해 소개했습니다. 다채널 고전압 절연 및 고속 샘플링과 같은 기능을 최대한 활용함으로써, SL1000은 자동차 응용 분야를 비롯한 메카트로닉스 및 전력 전자 분야에서 고속 및 저속 현상과 같은 여러 현상을 동시에 관찰하는 데 적용될 수 있습니다.

참고문헌

(1) NAKAYAMA Etsuro, SUZUKI Satoru, UCHIDA Izuru, NIMI Yoshihisa, “ScopeCorder DL750,” Yokogawa Giho, Vol. 47, No. 3, 2003, p. 111-114 in Japanese