센서 장치 및 센싱 방법{SENSOR DEVICE AND SENSING METHOD}
본 발명은 센서 장치 및 센싱 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소형, 고분해능의 ADC를 포함하는 센서 장치 및 센싱 방법에 관한 것이다.
다양한 기술분야에서 다양한 센서 장치가 사용되고 있는데, 센서 측정값을 디지털 신호로 변환하기 위해서는 ADC(analog-digital converter)가 필요하다. 종래의 ADC 기술 중의 하나인 펄스 폭 변환 기술(펄스 폭 변환기를 이용한 방법)은 여러 가지 장점이 있지만, 칩으로 구현할 때 펄스 폭을 크게 할 수가 없어서 분해능을 높이기가 어렵다. 즉, 소형의 칩으로 구현하기 위해서는 커패시터의 값이 작아지는데, 펄스 폭을 크게 하기 위해서 전류의 충전되는 전류의 크기를 지나치게 작게 하면 노이즈에 민감해지게 때문에 전류의 값을 일정값 이하로 작게 할 수도 없다. 따라서 펄스 폭을 일정값 이상으로 증가시킬 수 없고, 분해능도 높이기 어렵다.
특허문헌 1: 한국 공개특허공보 2001-0101464 A (공개일: 2001. 11. 14.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 펄스 폭 변환 기술을 이용하는 ADC를 포함하는 센서장치 및 센싱 방법에서, 소형의 장치에서도 높은 분해능을 갖도록 하는 것이다.
본 발명의 센서 장치는, 외부 환경에 따라 다른 전압값을 출력하는 측정전압 발생부(10); 입력된 전압값과 비례하는 주기의 펄스를 발생시키는 펄스 발생부(30); 상기 펄스 발생부(30)의 출력을 분주하는 분주부(40); 상기 분주부(40)의 출력 펄스의 길이를 클럭 단위로 측정하는 카운터부(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 센서 장치는, 상기 측정전압 발생부(10)의 출력 전압값을 샘플링하여 유지하는 S/H부(20)를 추가적으로 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 센서 장치는, 2개 이상의 S/H부(20), 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)를 포함하고, 상기 측정전압 발생부(10)는 2개 이상의 S/H부(20)에 연결되고, 각각의 S/H부(20)의 출력전압은 서로 다른 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)에 연결되어, 전압측정의 병렬처리가 가능하도록 할 수 있다. 상기 펄스 발생부(30)는 커패시터, 전류원, 스위치, 비교기를 포함할 수 있다. 상기 센서 장치는, 분주부(40)의 출력 펄스에서 펄스 발생부(30) 출력의 펄스 폭 외의 성분을 제거하는 회로를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 상기 분주부(40)는 2 n 분주부(divider)일 수 있다.
본 발명의 센싱 방법은, 측정전압 발생부(10), 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)를 포함하는 센서 장치를 이용하는 센싱 방법으로서, 외부 환경에 따라 측정전압 발생부(10)가 다른 전압값을 출력하는 제1단계; 펄스 발생부(30)가 입력된 전압값과 비례하는 주기의 펄스를 발생시키는 제3단계; 분주부(40)가 펄스 발생부(30)의 출력을 분주하는 제4단계; 카운터부(50)가 분주부(40)의 출력 펄스의 길이를 클럭 단위로 측정하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 센싱 방법은, S/H부(20)가 측정전압 발생부(10)의 출력 전압의 특정 순간의 전압값을 저장한 후 출력하는 제2단계;를 제1단계와 제3단계 사이에 포함할 수 있다. 상기 제4단계는 2배씩 분주하는 과정을 n번(n은 정수) 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다.
펄스 폭 변환 기술을 이용하는 ADC를 포함하는 센서에서, 소형의 장치이면서도 높은 분해능을 가져서 매우 작은 값의 변화도 측정할 수 있다
도 1은 본 발명에 의한 센서장치의 개념도
도 2는 S/H부의 구성도
도 3은 펄스 발생부의 실시예의 구성도
도 4는 분주부의 실시예의 구성도
도 5는 도 3과 도 4의 회로에서의 전압 그래프
도 6은 도 3과 도 4의 변형 실시예
도 7은 도 6의 회로에서의 전압 그래프
도 8은 측정전압 발생부의 출력전압의 예
도 9는 병렬 고속 변환 회로의 예
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명에 의한 센서장치의 구성도이다. 본 발명에 의한 센서장치는 측정전압 발생부(10), S/H부(20), 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)를 포함한다. 측정전압 발생부(10)는 외부 환경에 따라 다른 전압값을 출력한다. S/H부(20)는 측정전압 발생부의 출력 전압값을 샘플링하여 유지하는 역할을 한다. 펄스 발생부(30)는 S/H부(20)의 출력전압값과 비례하는 주기의 펄스를 발생시킨다. 분주부(40)는 펄스 발생부(30)의 출력을 분주하는 역할을 한다. 카운터부(50)는 분주부(40)의 출력 펄스의 길이를 클럭 단위로 측정한다. 이때 분주부(40)의 분주 비율을 올릴수록 분해능이 향상된다.
측정전압 발생부(10)는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 종래의 센서에서 많이 사용되는 방식은 외부환경(온도, 습도 등)에 따라 저항이 변하는 소자나 커패시턴스가 변하는 소자를 이용하는 것이다. 저항이 변하는 소자에 일정한 전류를 흘리면 외부환경에 따라 전압이 달라지게 된다. 외부환경에 따라 커패시턴스가 달라지는 소자에 일정한 전류를 흘리게 되면 외부환경에 따라 전압의 증가속도가 달라진다. 외부환경에 따라 커패시턴스가 달라지는 소자에 일정한 전압을 가하면 외부환경에 따라 전류의 양이 달라지고, 이 전류를 저항을 통해 흐르게 하면 저항에 걸리는 전압의 크기가 달라진다. 외부환경에 따라 출력전압이 달라지게 하는 기술은 종래에 공지되어 있으므로, 자세한 설명은 생략한다. 외부환경에 따라 출력전압을 달라지게 소자의 출력은 매우 약한 것이 일반적이므로 증폭기를 사용할 수도 있다. 증폭기는 설계상의 필요에 따라 다양한 종류의 증폭기(예를 들면, 전압-전압 증폭기, 전류-전압 증폭기, 전압-전류 증폭기 등) 중 선택하여 사용할 수 있다. 상기의 증폭기의 사용은, 외부환경에 의한 신호가 작기 때문에 사용하는 것으로, 증폭기를 사용하지 않더라도 상당한 큰 값을 가질 경우에는 증폭기가 필요 없다. 또한, 측정전압 발생부(10)는 필터 회로를 추가적으로 더 포함할 수 있으며, 외부환경에 의한 신호에 잡음이 없을 경우 필터 회로가 요구되지 않는다.
종래의 센서에서 측정전압 발생부(10)는 외부환경(온도, 습도 등)에 따라 저항이 변하는 소자나 커패시턴스가 변하는 소자를 이용하는 것이 일반적이지만, 그러한 소자를 이용하지 않고 외부환경의 측정전압값을 발생시킬 수도 있다. 예를 들어 심전도를 측정하는 경우 심전도 전압을 얻을 수 있는 지점에 전극만 연결하면 측정전압 발생부(10)로서 동작할 수 있다. 이러한 경우, 그 신호가 매우 작을 수 있으므로 증폭기를 포함하는 것이 바람직하다.
도 2는 S/H부의 구성도이다. S/H부(20)는 입력전압을 샘플링하여 유지하는 샘플 앤 홀드(Sample & Hold)회로이다. S/H부(20)의 스위치(SW SH )가 닫혀 있을 때는 커피시턴스(C SH )의 전압이 입력전압(Vin)과 같지만, S/H부(20)의 스위치(SW SH )가 열리면, 커피시턴스(C SH )의 전압은 스위치(SW SH )가 열리는 순간의 값으로 유지된다. 이때의 출력전압은 주변환경을 측정한 전압값이므로, 측정 전압(sensing voltage)라는 의미에서 그 명칭을 Vsen으로 할 수 있다.
측정전압 발생부(10)의 출력에는 노이즈가 있을 수 있으므로, 필터 회로를 설치하는 것이 바람직하다. 측정전압 발생부(10)와 S/H부(20) 사이에 노이즈를 제거하는 필터 회로를 설치할 수도 있고, S/H부(20)와 펄스 발생부(30) 사이에 노이즈를 제거하는 필터 회로를 설치할 수도 있다.
본 발명의 센서장치에 있어서, S/H부(20)의 입력전압이 일정한 시간 이상 동안 변화하지 않을 경우, S/H부(20)는 없앨 수 있다.
도 3은 펄스 발생부의 실시예의 구성도이다. 도 3의 펄스 발생부는 커패시터(C S1 ), 전류원(I S1 ), 스위치(SW 1 ), 비교기(comp 1), NAND게이트(NAND gate)를 포함한다. 비교기(comparator, comp 1)는 OP앰프로 구현할 수 있다.
커패시터(C S1 )의 한 쪽 끝은 접지되어 있고 다른쪽 끝은 전류원(I S1 )에 연결되어 있다. 스위치(SW 1 )는 커패시터(C S1 )에 병렬로 연결되어 있다. 비교기(comp 1)의의 +입력은 Vsen (S/H부의 출력전압)에 연결되고, 비교기(comp 1)의 -입력은 커패시터(C S1 )와 전류원(I S1 )의 연결점에 연결된다. 비교기(comp 1)의 출력과 Start 신호가 NAND게이트(NAND gate)의 입력이 되고 NAND게이트의 출력이 high상태가 될 때 스위치(SW 1 )가 닫힌다. Start 값이 low상태일 때는 NAND게이트의 출력값이 high상태가 되어 스위치(SW 1 )이 닫히므로, 도 3의 펄스 발생부는 작동하지 않는다. Start 값이 high상태로 바뀌면, NAND게이트의 출력값이 low상태가 되어 스위치(SW 1 )이 열린다. 스위치(SW 1 )이 열려 있는 상태에서는, 전류원(I S1 )에 의해 커패시터(C S1 )에 축전되는 전하량이 증가하게 되고, 커패시터(C S1 )에 축전되는 전하량이 증가함에 따라 커패시터(C S1 )의 전압(V C1 )이 증가하게 된다. V C1 이 증가하여 Vsen보다 커지게 되면, 비교기(comp 1)의 출력 전압 V P1 은 high상태에서 low상태로 반전되게 된다. V P1 은 high상태가 low상태로 되면, NAND게이트(NAND gate)의 출력값이 high상태가 되어 스위치(SW 1 )이 닫힌다. 스위치(SW 1 )이 닫히면 커패시터(C S1 )의 전압(V C1 )은 다시 0이 되고, V P1 은 low상태에서 high상태로 반전되게 된다. V P1 은 high상태로 되면, NAND게이트(NAND gate)의 출력값이 low상태가 되어 스위치(SW 1 )이 열린다. 즉 V P1 은 low상태와 high상태를 반복하게 되는데, 펄스의 폭과 주기는 Vsen 의 크기에 비례한다.
도 3에서의 NAND게이트를 AND게이트(AND gate)로 바꾸고 AND게이트 출력값이 high상태일 때 스위치(SW 1 )이 열리도록 구성하여도 동일하게 동작한다. NAND게이트의 출력에는 버퍼를 추가적으로 설치하여 일정 이상의 지연 시간을 가지도록 하는 것이 바람직하다.
도 3에서는 비교기의 +입력으로 Vsen 값이 입력되나, 비교기의 -입력으로 Vsen 값이 입력되도록 회로를 변형할 수도 있다.
이때 V C1 의 값은 램프(ramp)형태로 증가하므로, 도 3의 회로(비교기를 포함한 회로)는 전류모드 램프 적분기(Current mode ramp integrator)라 할 수 있다.
V P1 의 펄스 폭이 Vsen 의 크기에 비례하므로, 펄스의 폭을 측정하면, Vsen 의 크기를 알 수 있다. 만일 펄스의 폭이 몇 개의 클럭 주기와 같은지를 판단하는 방법으로 Vsen 의 크기를 판단한다고 할 때, Vsen 의 분해능을 높이기 위해서는 클럭 주기에 비해 펄스의 폭이 매우 큰 것이 바람직하다. 그러나 클럭 주기를 줄이는 것, 즉 클럭 주파수를 늘리는 것에는 한계가 있다. 클럭 주파수를 지나치게 높이면 전력 소모가 증가하고 오동작의 위험이 증가하는 문제점이 있기 때문이다. 또 V P1 의 펄스 폭을 늘리기 위해서는 커패시터(C S1 )의 커패시턴스를 증가시키거나 전류원(I S1 )의 전류 값을 줄여야 하지만, 커패시턴스를 증가시키려면 커패시터(C S1 )의 크기가 증가하여 장치의 소형화를 달성할 수가 없고, 전류원(I S1 )의 전류 값을 줄이면 노이즈에 취약해지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 펄스 발생부(30)의 출력을 분주부(40)에 통과시켜 펄스의 폭을 증가시킨다.
도 4는 분주부의 실시예의 구성도이다. 분주부(40)(divider)는 여러 가지 방식으로 구현될 수 있으나, 도 4의 분주부에서는, 다수 개의 D플립플롭이 직렬로 연결되어 있고, 각각의 D플립플롭은 출력 Qb 가 입력 D로 연결되어 있어서 입력 CK의 상태가 2번 변할 때, 출력 Q의 상태가 1번 변한다. 도 4의 D플립플롭이 직렬로 n개가 연결되어 있으면 입력의 상태변화 횟수를 2 n 배 만큼 작아지게 변경하므로, 2 n 분주부(divider)라고 부를 수 있다. 본 발명의 분주부(40)(divider)는 입력의 상태변화 횟수를 일정 비율로 감소시켜 주는 회로로서, 도 4의 형태 외에도 설계상의 필요에 따라 다양한 형태로 변경될 수 있다. 도 4의 분주부(40)는 2배씩 분주하는 회로를 여러 개 직렬로 연결하였으나, 2배가 아닌 정수배(예를 들면, 3배나 10배 등)로 분주하는 것도 이론상 가능하다. 그러나 2배씩 분주하는 경우 회로가 단순하고 가장 효율적이므로, 도 4와 같이 2배씩 분주하는 회로를 여러 개 직렬로 연결하는 것이 바람직하다.
도 5는 도 3과 도 4의 회로에서의 전압 그래프이다. 즉 도 3의 회로와 도 4의 회로를 연결했을 때 회로의 여러 지점의 전압값을 비교한 그래프이다. T P1 은 V P1 이 high상태일 동안의 시간이고, T SW 은 V P1 이 low상태일 동안의 시간이다. Start 값이 high상태로 바뀌면,V P1 은 T P1 의 펄스 폭과 T P1 + T SW 의 주기를 가지고 규칙적으로 변화하게 된다. V P1 은 V ref 값이 될 때까지 증가하게 되는데, 도 3에서 V ref 값은 Vsen값과 같다. 일반적으로 도 4의 D플립플롭을 통과할 때마다 펄스 폭과 주기가 2배씩 증가하므로, V P1 이 D플립플롭을 1개 통과한 후의 값은 각각 V P2 , V P4 , ... ,V P1024 와 같이 부를 수 있다. V P1024 의 펄스 폭 512(T P1 + T SW )는 펄스 폭이 넓어 분해능이 높고, Vsen값에 비례하여 증가하는 값이므로, V P1024 의 펄스 폭이 몇 클락에 해당하는지를 판단하면, Vsen값을 높은 분해능으로 알 수 있다.
카운터부(50)는 분주부(40)의 출력 펄스의 폭이 몇 클럭에 해당하지를 판단하는 회로로서, 여러 가지 방법으로 구현될 수 있다. 가장 간단한 구현 방법은 카운팅 회로(클럭 입력이 들어올 때마다 N 비트 출력값이 1씩 증가하는 회로)에서 분주부(40)의 출력값을 카운팅 회로의 인에이블 입력으로 받아들이는 방법이다. 이렇게 회로를 구현하면 분주부(40)의 출력값이 high 상태일 때만 카운팅 회로가 동작하므로, 분주부(40)의 출력값의 펄스폭이 몇 클럭에 해당하는지를 측정할 수 있다. 이러한 방법을 적용한다면, 측정하려는 펄스가 high상태로 변할 때 카운팅 회로의 값을 0으로 초기화하는 과정이 필요하다. 카운터부(50)의 구체적인 회로는 설계상의 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
또한 도 3과 도 4에 도시된 실시예는, 불필요한 시간 요소(스위칭 시간, 클럭 지연 시간)을 계산하여 분주부의 펄스 폭에서 그 불필요한 시간요소를 제거하는 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 도 6은 도 3과 도 4의 변형 실시예이다. 즉, 도 3의 회로, 도 4의 회로, 카운터부(50)가 연결된 회로를 변형한 예이다. 도 7은 도 6의 회로에서의 전압 그래프이다.
도 6의 회로의 장점은 출력전압(V P_OUT )에서 T SW 가 제거된 512T P1 의 펄스폭을 갖는 것이다. 즉 최종 펄스 폭에 포함된 불필요한 시간 요소(스위칭 시간, 클럭 지연 시간)를 제거하는 회로를 삽입하여, 펄스 발생부(30)에서 발생한 펄스의 폭을 정수배만큼 정확히 증폭하여 정확도를 향상시킬 수 있다. 따라서 도 6의 회로는, 분주부(40)의 출력 펄스에서 '펄스 발생부(30) 출력의 펄스 폭 외의 성분'을 제거하는 회로를 추가적으로 더 포함하는 것이라 할 수 있다. 이때 도 6의 회로의 펄스 발생부(30)는 S/H부(20)의 출력전압값과 비례하는 펄스 폭을 갖는 펄스를 주기적으로 발생시켜야 한다.
카운터부(50)에서 클럭 단위로 측정된 디지털 값은 메모리 소자(예를 들면, 레지스터)에 저장되게 된다.
본 발명의 센서 장치는 분해능을 높이는 장점이 있으나, 측정시간이 증가하는 단점이 있다. 그 결과, 시간의 변화에 따른 전압의 변화를 정확하게 표현할 수 없는 단점이 있다.
도 8은 측정전압 발생부의 출력전압의 예이다. 측정전압 발생부(10)의 출력 전압 Vin은 시간에 따라 변한다. 시간의 변화에 따른 전압의 변화를 정확하게 측정하기 위해서는 짧은 시간 간격으로 전압을 측정하는 것이 바람직하지만, 한 시각(예를 들면, t = t1)에서의 전압 측정이 완료되기 이전에는 다른 시각(t = t2)에서의 전압 측정을 시작할 수 없는 문제점이 있다.
만일 샘플링한 전압값을 병렬로 처리한다면, 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 도 9는 병렬 고속 변환 회로의 예이다. 도 9의 회로에서는 S/H부(20), 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)가 n개씩 마련되어 있으므로, 1개씩 있는 경우보다 n배 조밀한 시간 간격으로 전압을 측정할 수 있다. 따라서 시간의 변화에 따른 전압의 변화를 정확하게 표현할 수 있게 된다. 다시 말하면, 본 발명의 센서 장치에서는, 2개 이상의 S/H부(20), 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)를 포함하고, 측정전압 발생부(10)는 2개 이상의 S/H부(20)에 연결되고, 각각의 S/H부(20)의 출력전압은 서로 다른 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)에 연결되어, 전압측정의 병렬처리가 가능하도록 할 수 있다.
본 발명에 의한 센싱 방법은, 측정전압 발생부(10), S/H부(20), 펄스 발생부(30), 분주부(40), 카운터부(50)를 포함하는 센서 장치를 이용하는 센싱 방법으로서, 다음의 단계를 포함한다. 제1단계: 외부 환경에 따라 측정전압 발생부(10)가 다른 전압값을 출력하는 단계 제2단계: S/H부(20)가 측정전압 발생부(10)의 출력 전압의 특정 순간의 전압값을 저장한 후 출력하는 단계 제3단계: 펄스 발생부(30)가 입력된 전압값과 비례하는 주기의 펄스를 발생시키는 단계; 제4단계: 분주부(40)가 펄스 발생부(30)의 출력을 분주하는 단계 제5단계: 카운터부(50)가 분주부(40)의 출력 펄스의 길이를 클럭 단위로 측정하는 단계
본 발명의 센싱 방법에 있어서, S/H부(20)의 입력전압이 일정한 시간 이상 동안 변화하지 않을 경우, 제2단계는 없앨 수 있다.
상기 제5단계에서 클럭 단위로 측정된 값은 디지털 값으로서, 메모리 소자(예를 들면, 레지스터)에 저장되어야 하므로, 본 발명에 의한 센싱 방법은 다음의 제6단계를 추가적으로 더 포함할 수 있다.
제6단계: 레지스터가 클럭 단위로 측정된 값을 저장하는 단계
10: 측정전압 발생부
20: S/H부
30: 펄스 발생부
40: 분주부
50: 카운터부 |
