Analog Signal Interface Circuit

Objective

• Analog회로와 인터페이스 시 생길 수 있는 문제들을 이해
• Analog회로에서 사용하는 인터페이스 회로 학습

Reference

아날로그 입력 회로

아날로그 입력 회로 설계시 고려사항

• 노이즈 제거

신호를 샘플링 하기 전 고주파 노이즈를 할 수 있다. 즉 저역 필터를 갖는다. 그리고 필터의 차단 주파수를 조정할 수 있다.

• 증폭

신호의 전압이 MCU가 처리 할 수 있는 전압 범위(0~3.3V)로 조정할 수 있다. 0.1 ~ 10 의 조정 가능한 Gain을 갖는다.

아날로그 입력 회로 설명

• OP-Amp 의 선택

• 공급 가능한 전압(Biasing 전압)이 5V 혹은 3.3V 이고, 출력 전압이 0~3.3V 이어야 하므로, Rail-to-rail 특성을 갖는 Single-supply OP-Amp 를 사용한다.

• MCP 6004: 바이어싱 전압을 3.3V로 하여 사용

  

• 전압분배회로(A)

• 출력 전압의 크기를 감소시킨다.

• $$ V_{1} = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \times V_{In} $$

• Non-inverting amplifier(B)

• 출력 전압의 크기를 조정한다.
• $$ V_{2} = (1+\frac{R_{3}}{R_{4}}) \times V_{1}$$
• Low pass filter(C)
• 고주파수 노이즈를 제거한다.
• $$ V_{Out} = \frac{1}{R_{5}C_1s + 1} \times V_{2}$$

• 위의 아날로그 입력 회로는 다음과 같은 특성을 지닌다.

  • Gain = $$ \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \times (1+\frac{R_{3}}{R_{4}})$$
  • cutoff frequency = $$\frac{1}{2\pi R_{5}C_1} [Hz]$$
  • 아날로그 입력 회로를 위의 그림과 같이 설계 시 다음의 특성을 지닌다.
  • Gain : 0.652
    • 0 ~ 5V 전압 범위에서 XMC4500 ADC의 전압 범위인 0 ~ 3.3V로 전환
  • cutoff frequency : 10k Hz
    • 10k Hz 이상의 노이즈 제거

아날로그 입력 회로 시뮬레이션

• 입력 전압에 따라 다음과 같은 출력을 가진다.

• 위와 같이 회로 설계 시 다음과 같은 주파수 특성을 갖는다.

아날로그 입력 회로 튜닝

• 다음의 조합표와 같이 Gain 값을 튜닝할 수 있다.

R2 [Ohm]	R4 [Ohm]	Gain
1.2k	47k	0.1
5.1k	12k	0.5
None	3k	5
None	1k	10

• 다음의 조합표를 사용하여 차단 주파수를 튜닝 할 수 있다.

R5 [Ohm]	cutoff frequency [Hz]
33k	5k
15k	10k
3.3k	50k
1.5k	100k

아날로그 출력

아날로그 출력 회로 설계 시 고려사항

• 출력 신호 전압 범위

실제 시스템이 사용하는 전압 범위로 조정한다.

아날로그 출력 회로 설명

• Non-inverting amplifier 회로를 사용하여 출력전압 범위 조정
• MCP6004 Basing 전압 : 5V
• 입력 전압의 전압범위를출력 시스템의 전압 범위를 0~5V로 디자인
• 위의 회로는 다음과 같은 특성을 지닌다.
• $$ V_{OUT} = (1 + \frac{R_2}{R_3})V_{IN} $$
• Gain : $$1 + \frac{R_2}{R_3} $$
• 위의 회로와 같이 아날로그 출력 회로를 디자인 시 다음과 같은 특성을 지닌다.
• Gain : 2
  • XMC4500 DAC 전압 0.3V ~ 2.5V를 0.6V ~ 5V로 전환

아날로그 출력 회로 튜닝

R2 [Ohm]	Gain
13k	1.3(출력 전압 : 0 ~ 3.3V)