[논문]마이크로프로세서를 이용한 특정 영역에서 고정밀 임피던스 측정 시스템 개발

유재춘; 이명의

doi:10.12673/jant.2019.23.4.316

마이크로프로세서를 이용한 특정 영역에서 고정밀 임피던스 측정 시스템 개발
Development of High Precision Impedance Measurement Systems in Specific Ranges Using a Microprocessor 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.4, 2019년, pp.316 - 321

유재춘 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학과) , 이명의 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학과)

초록
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본 논문에서는 정전류(constant current) 원리를 적용하여 각종 전기재료의 특정 대역 고정밀 임피던스 측정이 가능한 임피던스 측정 시스템을 마이크로프로세서를 사용하여 개발한다. 본 측정 시스템 보드에는 임피던스 측정장치를 포함하여 외부장치에서 디지털 데이터 취득을 위한 인터페이스 장치를 갖추고 있으며, 이와 같은 임베디드 보드에서 실행되는 펌웨어 프로그램으로 시스템 소프트웨어를 작성한다. 그리고 15-비트 ADC (analog-to digital converter)를 사용하여 특정 대역의 정밀 임피던스를 1/32768 정밀도로 측정하여 소수점 5자리까지 연산하여 출력할 수 있으며, 디지털 데이터를 관리하기 위해 개발된 측정장치와 일반 컴퓨터의 USB 인터페이스를 통해 데이터를 전송하여, 여타 측정 장비들 보다 범용적이고 사용이 용이한 인터페이스가 가능한 통신기능을 탑재한 임피던스 측정시스템을 개발하고 그 정밀도를 측정하여 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, by applying the constant current principle we develop an impedance measurement system which can measure the high precision impedance of various electric materials by using microprocessor. This measurement system board has an interface device for acquiring digital data from an external device including an impedance measuring device, and system software is also developed by a firmware program executed on such an embedded board. It can measure the high precision impedance of a specific band with 1/32768 precision by using 15-bit ADC(analog to digital converter) and calculate it to the five digits to the right of the decimal point(fraction part). Data is transmitted through a USB interface of a general computer and a measuring device to manage digital data. An impedance measurement system equipped with a communication function capable of a more general and easy-to-use interface than other equipment is developed and verified.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 임피던스 측정 방법 Fig. 1. Impedance measurement method.
그림 그림 2. 임피던스 측정을 위한 아날로그 회로 블록도 Fig. 2. Analog circuit block diagram for impedance measuring.
그림 그림 3. OP. Amp를 이용한 기본 회로도 Fig. 3. The basic concept of a circuit using OP. Amp.
표 표 1. 보편적인 임피던스 측정 방법 Table 1. Common impedance measurement methods.
그림 그림 4. 임피던스 측정을 위한 디지털 시스템 블록도 Fig. 4. Digital block diagram for impedance measuring.
그림 그림 5. 측정회로와 ADS1110, ATmega128의 결선도 Fig. 5. Circuit diagram of measuring and ADS1110, ATmega128.
그림 그림 6. LM317 정전류 회로의 바이어스 저항 회로도 Fig. 6. Bias resistor schematic of LM317 constant current circuit.
그림 그림 7. MCU의 동작 순서 Fig. 7. Operation sequence of MCU.
그림 그림 8. 구현된 측정시스템과 하이퍼터미널을 이용한 데이터 수신 Fig. 8. Implemented measurement system and data using HyperTerminal.
그림 그림 9. HP34401A Multimeter 측정값 취득 블록도 Fig. 9. Block diagram for HP34401A Multimeter measurement acquisition.
그림 그림 10. P34401A Multimeter로 측정 Fig. 10. HP34401A Multimeter measurement.
표 표 2. MCU 제어 프로그램의 주요 함수Table 2. A Major function of MCU control program.
표 표 3. 임피던스 측정값 비교 Table 3. Impedance measurement comparison.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 기존의 일반형 계측기에는 없는 인터페이스 장치를 사용하여 측정 데이터를 사용자 컴퓨터 화면에 출력하고 해당 데이터를 Text파일로 제공하여 디지털 데이터 취득이 용이하도록 구현하였다.
본 논문에서 제안한 시스템의 우수성을 검증하기 위해 1/4W 정밀막대저항(B급, 0.1%) 10Ω, 13Ω, 15Ω, 18Ω, 20Ω, 24Ω, 27Ω, 30Ω을 이용하여 임피던스를 측정하였다.
본 논문에서는 특정 대역의 정밀 임피던스를 1/32768 정밀도로 측정하여 소수점 5자리까지 연산하여 출력할 수 있으며, 디지털 데이터를 관리하기 위해 개발된 측정 장치와 일반 컴퓨터의 USB 인터페이스를 통해 데이터를 전송하고 저장할 수 있다. 이와 같은 장점으로 인해 데이터 관리용 디바이스와의 인터페이스가 어려운 문제를 해결하며 타 장비들과 보다 용이한 인터페이스가 가능한 통신기능을 탑재한 임피던스 측정시스템을 개발하고 그 정밀도를 측정하여 검증한다.
본 논문의 구성으로는 Ⅱ 장에서는 임피던스의 측정 원리를 설명하고 Ⅲ 장에서는 고정밀 임피던스의 측정시스템 구성과 설계를 제시하였다. 마지막으로 구현한 시스템을 통해 측정한 결과와 일반 계측기로 측정한 결과를 비교하여 정밀도를 검증하였다.
본 연구에서 전기재료의 특정 측정 범위에서 정전류 회로에 흐르는 전류량을 이용하여 전압을 산출하고 이를 임피던스로 변환하는 방법으로 정밀도 1/32768의 측정장치를 설계하여 구현하였으며, 측정 결과를 HP 34401A Multimeter의 측정 결과와 비교하였다.
본 임피던스 측정시스템에서는 아래의 식 (8)에 의해 바이어스 저항을 산출하였으며 0.01% 오차의 10 Ω 고정 저항과 0.1% 오차의 20 Ω 반고정 저항을 이용하여 25.614 Ω의 바이어스 전류회로를 구현하였다.
본 제안 시스템은 임의의 특정 대역을 얼마든지 가변하여 임피던스를 측정할 수 있도록 설계되었으며 보다 손쉬운 설명을 위해서 임피던스 측정대역을 0 Ω부터 32.767 Ω 에서는 2.048 Volt / ADC 값으로 32767이 된다.
본 논문에서는 특정 대역의 정밀 임피던스를 1/32768 정밀도로 측정하여 소수점 5자리까지 연산하여 출력할 수 있으며, 디지털 데이터를 관리하기 위해 개발된 측정 장치와 일반 컴퓨터의 USB 인터페이스를 통해 데이터를 전송하고 저장할 수 있다. 이와 같은 장점으로 인해 데이터 관리용 디바이스와의 인터페이스가 어려운 문제를 해결하며 타 장비들과 보다 용이한 인터페이스가 가능한 통신기능을 탑재한 임피던스 측정시스템을 개발하고 그 정밀도를 측정하여 검증한다.

대상 데이터

이러한 기능을 수행하기 위해 마이크로컨트롤러에 AD 컨버터와 UART통신 기능이 제공되어야 한다. 따라서 Atmel 사의 ATmega128 컨트롤러를 사용하여 임피던스 측정시스템을 구축하였으며 임베디드 보드는 ATmega128 MCU, ADS1110 16비트 ADC, LCD포트, 시리얼통신에 필요한 MAX232, 전원회로로 구성된다. 원래 ADS1110은 16-비트 해상도를 갖지만, 2의 보수를 사용하지 않고 양의 영역에서만 사용하기 때문에 본 논문에서는 15- 비트만이 사용된다.

데이터처리

본 논문의 구성으로는 Ⅱ 장에서는 임피던스의 측정 원리를 설명하고 Ⅲ 장에서는 고정밀 임피던스의 측정시스템 구성과 설계를 제시하였다. 마지막으로 구현한 시스템을 통해 측정한 결과와 일반 계측기로 측정한 결과를 비교하여 정밀도를 검증하였다.
1%) 10Ω, 13Ω, 15Ω, 18Ω, 20Ω, 24Ω, 27Ω, 30Ω을 이용하여 임피던스를 측정하였다. 제안한 시스템의 측정 결과값은 측정시스템과 PC를 USB to RS232C 케이블로 연결하여 하이퍼터미널로 데이터를 취득하였으며, 각각의 정밀막대저항의 측정 평균값과 상대표준편차는 표3의 구현한 시스템의 Mean과 %RSD와 같은 결과를 보이며, 일반적으로 사용하는 계측기의 측정값과 비교하기 위해 HP 34401A Multimeter 로 측정한 평균값과 상대표준편차를 표에 같이 나타냈으며, 측정값을 취득하기 위해서는 그림9와 같이 Keysight 82357B USB/GPIB interface를 사용하였으며 측정은 그림 10과 같이 측정하였다.

이론/모형

본 임피던스 측정 장치의 핵심 아이디어는 정전류 회로에 흐르는 전류량을 이용하여 전압을 산출하고 이를 식(6)에 의해 MCU에서 저항으로 변환하는 방법으로 정전류 IC로 LM317을 사용하였다.
따라서 Atmel 사의 ATmega128 컨트롤러를 사용하여 임피던스 측정시스템을 구축하였으며 임베디드 보드는 ATmega128 MCU, ADS1110 16비트 ADC, LCD포트, 시리얼통신에 필요한 MAX232, 전원회로로 구성된다. 원래 ADS1110은 16-비트 해상도를 갖지만, 2의 보수를 사용하지 않고 양의 영역에서만 사용하기 때문에 본 논문에서는 15- 비트만이 사용된다.

성능/효과

본 측정시스템에서는 모든 특정 대역의 임피던스를 측정할 수 있으며, 본 제안 시스템의 동작을 실험하기 위해서 위의 식이 성립되기 위한 조건으로 ADC는 0부터 2.048 Volt 이며 ADC의 분해능은 15 bit로 32768 단계의 값을 갖는다. 따라서 0 Volt에서는 ADC 값으로 0, 그리고 2.

후속연구

전기재료에 존재하는 오차율(절연저항 및 접촉저항)을 정밀하게 측정할 수 있어 전기재료 특성 분석 및 저항의 오차율 고도화로 관련 제품의 생산 품질 향상에 기여할 것으로 사료된다. 또한 측정한 디지털 데이터를 컴퓨터에 손쉽게 저장함으로서 생산되는 각종 제품의 생산 관리 및 이력 관리로 회사의 경쟁력 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.
전기재료에 존재하는 오차율(절연저항 및 접촉저항)을 정밀하게 측정할 수 있어 전기재료 특성 분석 및 저항의 오차율 고도화로 관련 제품의 생산 품질 향상에 기여할 것으로 사료된다. 또한 측정한 디지털 데이터를 컴퓨터에 손쉽게 저장함으로서 생산되는 각종 제품의 생산 관리 및 이력 관리로 회사의 경쟁력 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전류회로에서 전기저항이 의미하는 것은 무엇인가	전류회로에서는 전기저항이 곧 전압과 전류의 비를 의미한다. 그러나 교류회로에서는 코일이나 축전기에 의해 전압과 전류의 위상이 달라지므로 복소 임피던스를 사용하여 저항 값과 위상을 함께 나타낸다[2].
	임피던스란 무엇인가	임피던스란 저항, 코일, 축전기가 직렬로 연결된 교류회로의 합성저항을 통상 의미하고 있다. 임피던스는 전압과 전류의 비율 외에 위상도 함께 나타내는 벡터 량으로 복소수 \(Z=R+ix\; \) (\(i\)는 허수 단위)로 표시하며 실수부분 R은 저항 값이며, 허수부분 \(x\) 는 리액턴스이다[1].
	임피던스를 측정할 때 고려해야 하는 요인은 무엇인가	임피던스를 측정하기 위해서는 여러 측정 방법 중에서 장단점을 고려하여 적절한 방법을 선택해야 한다. 먼저 측정에 필요한 사항과 조건을 고려한 후, 주파수 범위, 측정 정확도, 작동의 편의성들을 고려하여 가장 적합한 방법을 택해야 한다. 하나의 측정 방법에 모든 측정 기능이 포함될 수 는 없으므로, 여러 측정 방법 중에서 최적의 조건을 고려하여 가장 좋은 방법을 선택해야 한다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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