컨수머 전자 시스템의 성능을 향상시키는 최신 센서들- 1부

컨수머 전자 시스템의 성능을 향상시키는 최신 센서들- 1부

by 글/ 스티브 타라노비치(Steve Taranovich) 기자 EDN

향후 수년간 센서 분야의 상당한 발전이 예상되고 있다. 특히 내부 자산관리와 글로벌 트래킹 같은 좀 더 정밀한 내비게이션 기술에 대한 수요가 크다. 이 기술은 휴대폰, 태블릿, 게임기, 랩탑 내부의 가속도계, 자이로스코프, 자력계를 포함한 관성 및 모션 센서 컨수머 시장에 상당한 영향을 줄 것이다. 이 글은 다양한 센서 옵션 및 아날로그 센서와 컨디션 회로를 데이터 처리 및 인텔리전트 기능이 추가된 디지털 분야와 적절하게 연결하는 방법에 대해 설명할 것이다. 또한 많이 사용되는 일부 옵션에 내재된 트레이드 오프와 디스크리트 방식 대 고집적 방식에 대해서도 논의할 것이다. 하나의 사이즈로 모두 적용 가능한 범용 방식은 종종 시스템에 필요한 성능을 얻는데 문제가 있을 수 있다. 비록 많은 경우 설계자들은 제약된 시장 출시시기로 인해 고집적 방식을 좀 더 선호하지만 고객들에게 인기 있는 설계가 되지 못할 수 있다. 설계자들은 성공적인 컨수머 시장 제품을 만들기 위해서 크기와 가격으로 성능과 기능 사이의 균형을 맞추어야 한다. 센서는 터치, 온도, 영상, 빛, 위치, 움직임, 압력 같은 아날로그 세계에서 동작하며, 이들을 활용하는 휴대폰, 스마트폰, 노트북, MP3 플레이어, 게임기는 어디에나 존재한다. 가장 인기 있는 센서들은 오락, 정보 기술, 통신, 가전기기 등에서 우리의 삶에 활기를 불어 넣어준다. 최신 설계에 사용되는 대부분의 터치 센서는 커패시티브 또는 저항성이다. 커패시티브 센서는 키패드, 로테이터, 버튼 같은 다양한 감지 애플리케이션에 적합하며, 저항성 터치 스크린 센서는 주로 내장 ADC와 4선 저항 기술을 함께 사용하여 터치 스크린 애플리케이션에 설계 편리성과 뛰어난 유연성을 제공한다. 커패시티브 터치 스크린 커패시티브 터치 스크린 패널은 ITO(Indium Tin Oxide)같은 투명 전도체로 유리 코팅된 유전체로 구성된다. 인체 또한 전기 전도체이므로 스크린 표면을 건드리게 되면 스크린의 정전기장에 왜곡을 가져오게 되며, 이는 커패시턴스 변화로 측정된다. 터치 스크린 컨트롤러를 선택할 때, CDC(Capacitance to Digital Converter) 정밀도, (주로 ADC의 디지털 필터가 처리하는) 제품의 잡음 처리 능력, 호스트 프로세서 또는 CDC 칩의 첨단 알고리즘과 이 칩의 WinCE(Windows Compact Edition) 또는 리눅스 드라이버와 소프트웨어 기능 제공 사항 등 몇 가지 측면을 고려하여야 한다. 이러한 기능은 손가락 존재 유무 판단, 움직임, 터치 스크린 상의 의도된 활동을 정확하게 검출하는 시스템을 개발할 수 있게 해준다. ST마이크로일렉트로닉스는 고집적의 커패시티브 및 저항성 다중 채널 터치 솔루션과 터치 키/터치 스크린 애플리케이션용 S-Touch 시리즈 컨트롤러를 사용하는 호스트 프로세서와 문제없이 연결되는 컨트롤러를 제공한다. 또한 이 회사의 센서 제품에는 움직임, 가속도, 경사도, 진동 측정을 위한 MEMS(Microelectromechanical System) 모션 센서, 메탈 바디 근접 감지를 위한 근접 검출기, 아날로그와 디지털 온도 센서가 있다. 일반적으로 터치 스크린 컨트롤러는 매우 적은 커패시턴스 값을 디지털로 변환해야 하므로 24bit 컨버터를 사용한다. 이러한 컨버터에는 아sk로그디바이스의 24bit 2채널 AD7746 CDC가 있다. 이 디바이스는 온칩 여기 소스와 온칩 시그마 델타 모듈레이터 입력 사이를 연결하는 커패시턴스를 측정한다. 온칩 사각파 여기 신호는 변환 동안 터치 스크린의 커패시턴스에 적용되고, 모듈레이터는 연속적으로 커패시터를 통해 전하를 샘플링한다. 디지털 필터는 모듈레이터 출력을 처리한다 모듈레이터 출력은 0과 1의 밀도 정보를 담고 있는 0과 1의 흐름이다. 그 후 CDC는 디지털 필터에서 나오는 교정 계수를 적용하여 데이터의 크기를 조정한다. 이제 직렬 인터페이스에서 나오는 최종 결과를 확인할 수 있으며, 이 결과는 직렬 버스를 통해 외부 호스트 프로세스로 전달된다.(그림 1) 디바이스의 환경 보상을 고려할 때, 포유 커패시턴스의 변동을 야기할 수 있는 실내 온도 변화를 염두에 두자. 트랜지스터의 베이스-에미터 전압 접점 같은 보상을 위해서 외부 온도 센서를 사용할 수 있지만 트랜지스터부터 칩 입력까지의 PCB(Printed Circuit Board) 저항 보상에 주의를 기울여야 한다. 저항성 터치 스크린 저항성 터치 스크린 패널은 여러 개의 레이어로 구성되며, 가장 중요한 레이어는 좁은 간격으로 나뉘어진 2개의 얇은 전기 전도 레이어이다. 손가락 같은 사물이 패널의 외부 표면의 한 지점을 누르면 두 금속 레이어는 해당 지점에서 연결된다. 그 후 패널은 연결된 출력을 지닌 전압 디바이더 쌍으로 동작하여 전류 변화를 야기한다. 패널은 이를 터치 이벤트로 등록하고 처리를 위해 컨트롤러로 보낸다. 저항성 터치 스크린 컨트롤러 선택에는 커패시티브 터치 스크린 컨트롤러 선택에 사용되는 것과 동일한 기준들이 많이 사용될 수 있다. 이러한 기준에는 ADC 정밀도, 컨트롤러 칩과 호스트 프로세서 또는 모두에서 발생할 수 있는 디지털 필터링에 필요한 잡음 처리 기능, 환경 요인 보상, 주로 호스트 프로세서에 상주하는 첨단 알고리즘 사용 기능(저항성 제품용)과 WinCE 또는 리눅스 드라이브와 소프트웨어 기능 활성화가 있다. 일반적으로 12bit ADC가 충분히 정밀하지만 일부 디바이스는 잡음 면역과 긴 리드에 대한 내성을 제공하는 비율 측정식(Ratiometric) 변환 기법을 제공한다. 여기 소스는 ADC 레퍼런스에 의해 구동되기 때문에 2진 결과값에는 레퍼런스 드리프트 오류가 없다. 저항성 터치 스크린에 대한 환경 보상을 구현하기 위해서 데이터 컨버터에 영향을 줄 수 있는 온도 변동을 감지하는 온칩 측정 또는 실내 온도에 따른 저항 변화 보상을 제공하는 오프칩 감시 기능을 사용할 수 있다. 저항성 터치 스크린 컨트롤러의 예로, 맥심의 저전력 MAX11811이 있다. 이 디바이스는 첨단 저전압 프로세서를 채택한 전력에 민감한 휴대형 시스템과 동작하며, 12bit SAR(Successive Approximation Register) ADC와 저항성 터치 스크린 패널과 연결되는 멀티플렉서를 포함한다. 디지털 직렬 인터페이스는 통신을 제공한다. MAX11811는 터치 스크린 측정에 대한 디지털 전처리 기능을 포함하여 버스 로딩과 애플리케이션 프로세서 요구 사항을 줄여준다. 온도 센서 패시브 온도 센서에는 RTD(Resistance Temperature Detector), 서모커플, 서미스터가 있다. 일반적으로 RTD와 서미스터는 증폭기 회로에 연결되어 온도에 비례하는 전압을 제공한다. 표 1은 패시브와 액티브 온도 센서 비교이다. RTD는 정밀하고 반복성을 지니며, 낮은 드리프트 오류와 −200°C ~ +850°C의 온도 범위를 지닌다. 또한 이들 센서는 비선형성으로 인해 선형화를 필요로 하며 마이크로컨트롤러의 룩업 테이블을 사용하여 구현될 수 있다. 일반적으로 센서는 리드 저항 오류를 최소화시키기 위해 차동 출력을 지닌 브리지 설정으로 동작한다. 차동 증폭기 또는 계측기 증폭기는 센서를 증폭 및 필터링 시키는데 사용될 수 있다. 반면에 TI는 2개의 정밀 전류 소스를 갖춘 모노리식, 4~20mA, 2선 XTR105 전류 송신기로 통합 방식을 제공한다. 이 디바이스는 1개의 IC에서 플래티넘 RTD 온도 센서와 브리지, 계측기 증폭기, 전류 출력 회로에 대한 완벽한 전류 여기를 제공한다. 보통 엔지니어들은 TI의 RCV420 같은 4~20mA의 차동 리시버로 트위스티드 페어를 사용하여 장거리를 전송할 때 2~20mA 표준 차동 출력을 사용한다. 다재 다능한 선형화 회로는 RTD에 2차 교정을 제공하며 일반적으로 선형성은 40배 향상된다.(그림 2) 서모커플은 튼튼하며 −184°C ~ +2300°C의 온도 범위를 제공하면서 저렴하다. 반면에 단점은 높은 비선형성을 지니고 상당한 선형화 알고리즘을 필요로 한다는 것이다. 또한 전압 출력이 상대적으로 낮으므로 아날로그 증폭기 게인 스테이지와 냉 접점 보상이 필요하다.(그림 3) 서모커플은 절대 온도를 측정하는 대신에 두 지점 사이의 온도 차이를 측정한다. 서모커플이 단일 온도를 측정하려면 일반적으로 냉 접점인 한 접점을 알려진 레퍼런스 온도로 유지시키고 감지하고자 하는 온도는 다른 접점이 된다. 비록 알려진 온도의 접점을 지니는 것이 연구소 교정에 유용하지만 대부분의 측정 및 제어 애플리케이션에는 불편하다. 대신 서모커플은 계측기에서 입력 연결부 온도를 측정하기 위해서 서미스터 또는 다이오드 같은 열에 민감한 디바이스를 사용하는 인공적인 냉 접점을 통합하였다. 단자 사이의 온도 기울기를 최소화시키기 위해서 특별한 주의를 기울여야 한다. 따라서 알려진 냉 접점으로부터 전압을 시뮬레이션하고 적절한 연결을 교정시킬 수 있다. * 이 기사는 2부에서 계속 이어집니다.

* 출처 : http://www.ednkorea.com/article-15216-컨수머전자시스템의성능을향상시키는최신센서들1부-asia.html