1. 무슨 공부를 하는 것인지 정리
키워드 : 센서, DAQ, 신호 컨디셔닝, 7-Segment, 센서 원리, 엔코더, 센서 인터페이스 회로, Illuminance 센서, OP-amps, IR/Ultrasonic sensor, Data Acquisition, Load cell, Temperature sensor, Analog Filters, Digital Filters, IMU sensor 이러한 주제를 가지고 기본 센서 기술들을 배우게 된다.
2. 필요한 기본 용어 정리
아날로그
자연적인 신호(정보) 거시적인 자연에서 얻는 신호. 햇빛의 밝기, 소리의 높낮이나 크기, 바람의 세기, 가공이 용이하지 않아 상품화가 쉽지 않다. 아날로그 신호를 가공의 용이함을 위해 디지털 신호로 변환하면 필연적으로 그 과정에서 신호에 손상이 가해지기 마련이다. 길이, 각도, 전류와 같이 외부적인 원인에 의해 연속적으로 변하는 것들을 물리량으로 나타내는 일
디지털
인공적인 신호, 자료를 표현하고 처리하는 방식의 한가지. 자료를 특정한 최소 단위를 가지는 이산적인 수치를 사용하여 나타낸다. 아날로그에 비해 외부 교란이나 노이즈에 의한 정보 변조가 덜하다. 디지털 자료는 복제, 삭제, 편집 등의 데이터 가공이 용이하며, 원칙적으로 복제된 결과물이 원본과 차이가 없게 된다. 아날로그 자료를 일정한 주기로 샘플을 채집하여 디지털로 변환하는 샘플링 과정에서 원본 자료와 획득된 정보 사이에 차이가 발생할 수 있다. 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 따르면 대역제한된 연속 신호는 신호의 최대 주파수 2배 이상으로 샘플링 하면 원본 신호를 완벽히 복원할 수 있다. 초당 샘플링 회수는 아날로그 주파수 보다 2배 더 높아야 앨리어싱 현상이 일어나지 않는다. 샘플링을 할 때와 샘플링된 신호를 아날로그로 복원할 때 로우 패스 필터가 사용되는데, 이상적인 로우 패스 필터를 구현하는게 불가능하여 손실이 발생한다. 샘플링이 세로로 신호를 자른다면 양자화는 가로로 자른다고 생각하면 쉽다. 샘플링의 경우 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 의해 특정 조건하에서 손실이 발생하지 않지만, 양자화는 양자화 노이즈라 불리는 손실이 무조건 발생한다.
디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하는 것을 변조, 아날로그 신호를 다시 지지털 정보로 되돌리는 것을 복조라고 한다. 이러한 변조 및 복조를 수행하는 대표적인 기계가 바로 모뎀이다. 컴퓨터의 디지털 신호를 전화선으로 송신 가능한 아날로그 신호로 변환하고 다시 이를 컴퓨터가 인식 가능한 디저털 신호로 변환 하는 기능을 한다. 디지털 컴퓨터에서 모든 자룔를 디지털 방식으로 처리한다. 문서와 통계 자료, 음성 자료, 영상 자료도 이산적인 값으로 처리한다. 디지털 자료는 복제, 삭제, 편집이 간편하며 복사물과 원복의 차이가 없다는 것이 특징이다.
DAQ
아날로그 신호르르 디지털 정보로 변호나하여 컴퓨터로 받아야 하는데 이러한 과정을 Data Acquisition 자료 취득이라고 말한다.
A/D
직독이 불가능한 자연 신호를 직독할 수 있도록 변환하는데 필요한 과정이 A/D변환이다. 예를들어 입력 전압 레벨을 0~10V로 설정하고, 5V의 아날로그 값을 12bit 분해능을 갖는 A/D Convertor 로 읽었을 때 2048 값을 갖게 된다. 컴퓨터 화면상에 표시하여 전압을 직독 할 수 있다. 10V/4096의 값이 최소 분해능이란 말로 표현된다. 더 정밀한 계측을 원하면 16비트, 32비트 그 이상의 비트를 사용하면 된다.
D/A
D/A Coversion 은 디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하는 역할을 말합니다. 사람의 목소리를 녹음(A->D) 메모리에 저장 후 다시 불러오기 (D->A). 변환속도나 분해능이 음질을 좌우하게 된다. 흔히 접하는 전화 신호를 전자 교환기에서는 8Khz의 속도로 샘플링 하여 내부에서 처리한 후 외부로 보낼 때 다시 D/A 변환을 하게 되는데, 전화회선을 이용하여 음악을 전송하거나 한다면 완벽한 음향재생이 어렵다. 변환 속도나 분해능을 업그레이드 하면 좋다.
분해능
2^비트승. 분해능이 높을수록 정확하게 변환을 할 수 있습니다. 일반적으로 12비트가 보급되어 있습니다. 단, 아무리 A/D Conversion 을 정밀하게 하여도 센서자체의 정밀도를 초과해서 표현 한다면 잘못된 표현(이런 경우 과설계) 글므로 센서자체의 정밀도를 파악하고 있어야 합니다.
샘플링
1초에 몇 번의 A/D Conversion 을 수행하는가를 샘플링 속도 라고 말합니다. 물리량이 얼마나 빨리 변하는가에 따라 그 속도에 맞는 카드를 선택해야 한다. 수위 변화시 333kHz 변환기 사용한다면, 비용, 시간의 낭비와 쓸데없는 노이즈가 발생하게 됩니다. 그러나 사람의 음성이나 고속 충돌 자동차 실험 데이터를 취득하는 경우 가능한 변환속도가 빠른 A/D Convertor 가 내장된 보드를 선택하여 사용해야 할 것이다. 처리 방식도 ISA-BUS 보다 PCI-BUS를 선호하고 포트에서 직접 읽는 방식보다는 DMA 방식을 이용하는 것이 유리합니다.
센서
온도, 압력, 습도 등 여러 종류의 물리량을 검출하거나 계측하는 기능을 갖춘 소자를 말합니다. 사람의 눈, 코, 귀, 혀 등과 같은 감각을 대신하는 역할을 합니다. 즉, 인간의 오감에 해당되는 것이 감지기이고, 컴퓨터는 뇌에 해당되는 것입니다. 출력 신호로 전기 신호를 많이 사용하는데, 증폭, 축적, 원격조작이 쉽고, 뇌에 해당하는 컴퓨터에 입력할 때 취급하기 쉽기 떄문이다.
