Simcenter Testing Solutions Differences between Single ended input mode & Differential input mode in SCADAS HWs
2022-07-05T07:38:01.000-0400
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요약
EMF(Electric and Magnetic field)'s effect Differences-between-Single-ended-input-mode-Differential-input-mode Demonstration Channel setup tips
세부 정보
EMF(Electric and Magnetic Field) Noise와 Single ended input Mode와 Differential input mode에 대한 설명과 두 개의 차이점 그리고 활용 방안을 안내합니다.
하기 그림(Front End 사용 예시1)과 같이 가속도계와 같은 변환기(Transducer)와 SCM or SCL(SCADAS Mobile or Lab)를 이어주는 Cable 혹은 Wire 근처에 Power cable (220 Volts at 60Hz 한국기준) 있을 경우 Test Lab에서 알 수 없는 60Hz 신호가 잡힌 경우는 없으실까요?
대부분의 Cable 들은 이러한 간섭을 막기 위해 내부에 차폐용 Shield로 감싸여져 있지만, 그런데도 불구하고 EMF 간섭이 발생하여 하기 그림 <Origin Signal and EMF 그림 1>과 같이 신호 변형이 발생합니다.
<Origin Signal and EMF 그림 1>에서 그 안에 있는 보라색은 가속도계로 부터 받은 신호를 의미하고, 빨간색은 EMF(Electric and Magnetic field)로 인해 발생한 Noise를 의미합니다.
좌측 상단에 회색 상자는 Cable의 선(Wire)을 의미하고, 그 위에 EMF 표시된 화살표는 외부로부터 EMF 간섭이 생김을 의미합니다. 그리고 오른쪽 상단에 SCADAS output으로 표시된 보라색 파형은 원신호와 EMF Noise가 중첩되여 변형 되었음을 나타내며, 이러한 신호들은 Time Domain에서 확인하는 것은 어렵고, FFT를 통해 Frequency Domain을 통해 주파수가 서로 다른 신호들을 확실하게 구별할 수 있습니다.
여기서 중요한 점은 Noise의 Amplitude와 Origin Signal의 Amplitude의 상대적 차이입니다. 만약에 Noise 진폭 대비 Origin Signal의 진폭이 클 경우 Output Signal에 크게 영향을 끼치지 않습니다. 다만 대부분의 변환기에서 나오는 출력 전압 신호는 그 크기가 작아 EMF에 간섭 받을 확률이 높습니다.
변환기에서 나오는 출력 신호들은 대부분 작아 증폭이 필요하며, SCM or Lab 등 DAQ 장비들은 HW 내부에 신호 증폭기가 내장되어 있고, 증폭기 입력단에 어떻게 연결되어 있는지에 따라 Single ended input mode와 Differential Input mode로 나뉩니다.
Single ended input mode는 단일 입력단에 내부 와이어가 연결되어 있으며, 단일 입력단과 Ground의 간의 전차를 측정하여 증폭합니다. 이 경우 상단에서 설명해 드린 EMF(Electric and Magnetic Field) 간섭 Noise를 제거하기 어렵습니다.
반면, Differential Input Mode는 입력단의 양측에 내부 와이어가 연결되어 있으며, 하기 <Differential input mode 그림 1>와 같이 양단에 들어오는 신호들의 차를 측정하여 이를 증폭합니다. 이 과정에서 양단에 원신호들은 서로 180도 위상차로 들어오며, Noise는 동상으로 들어오게 됩니다. 이중 (-) 입력단으로 들어오는 신호들은 증폭기 내부에서 반전이 되고, 이에 따라 원신호들은 중첩이 되어 증폭이 됩니다. 반면 Noise 들은 중첩 상쇄가 됩니다. (이는 CMRR(Common Mode Rejection Ratio)과 관련이 있습니다.)
하기 사진<Strain Gauge _ Full Bridge and Quarter Bridge 사진 1>은 두 개의 Wire를 각각 Full Bridge(Differential input)과 Quarter Bridge(Single ended input mode)로 연결하여 1개의 변환기에서 받은 같은 신호를 가지고 Single ended Input Mode와 Differential input mode 사이에 Noise Rejection을 비교 시연합니다.
하기 링크를 들어가시면, Strain Gauge로 Noise Rejection을 비교 시연 영상을 보실 수 있습니다.
해당 영상에서 확인 하실 부분은 다음과 같습니다.
1. Full Bridge gauge(Differential input)와 Quarter Bridge gauge(Single ended input mode) 둘 중 Time Domain에서 어느 게이지에서 더 많은 Noise가 발생하는지 확인
2. 영상에서 a power brick(Noise 발생기_110V 60Hz_영상기준)가 Strain gauge 근처에 있을 경우, 어느 Gauge가 더 EMF의 영향을 받는지 확인
Direct YouTube link : https://youtu.be/I4Z51QlSYnQ
영상에서 확인하였듯이 Time domain에서 Quarter Bridge gauge(Single ended input mode)에서 EMF가 없이도 더 많은 Noise가 감지되며, EMF 에도 취약함을 보입니다.
다음 그래프<Full Bridge gauge and Quarter Bridge gauge in Frequency Domain1>에서는 앞서 시간 도메인에서 비교했던 두 게이지의 출력 신호들을 FFT를 통해 주파수 도메인에서 비교합니다 녹색이 Full Bridge gauge(Differential input)이고 빨간색이 Quarter Bridge gauge(Single ended input mode)입니다.
<Full Bridge gauge and Quarter Bridge gauge in Frequency Domain2>에서는 60Hz에서 Power brick에서 발생했던 EMF Noise의 Amplitude를 더욱 확실게 비교할 수 있습니다.
Test Lab에서 Channel setup 활용방안으로는 다음과 같습니다.
사용하시는 센서가 Single ended input mode 혹은 Differential input mode 확인이 필요하실 경우, 채널 설정에서 커플링 열(Tools --> Channel Setup Visibility)을 추가합니다. 설정한 입력 모드에 따라 커플링이 자동으로 적용됩니다. 추가로 Strain gauge 중 Full bridge는 Differential이지만, 나머지 Half and Quarter bridge 들은 Single ended 이며, 여기에 ICP는 Single ended입니다.
만약 다음 그림<Channel setup in TL2>과 같이 Input mode를 Voltage AC, Voltage DC 혹은 Active sensor로 설정할 경우에는 Coupling이 자동으로 Single ended로 설정이 되므로, 만약 Differential Sensor를 사용하실 경우 직접 Differential로 설정해야 합니다.
<Channel setup in TL 2>
하기 그림(Front End 사용 예시1)과 같이 가속도계와 같은 변환기(Transducer)와 SCM or SCL(SCADAS Mobile or Lab)를 이어주는 Cable 혹은 Wire 근처에 Power cable (220 Volts at 60Hz 한국기준) 있을 경우 Test Lab에서 알 수 없는 60Hz 신호가 잡힌 경우는 없으실까요?
<Front End 사용 예시1>
대부분의 Cable 들은 이러한 간섭을 막기 위해 내부에 차폐용 Shield로 감싸여져 있지만, 그런데도 불구하고 EMF 간섭이 발생하여 하기 그림 <Origin Signal and EMF 그림 1>과 같이 신호 변형이 발생합니다.
<Origin Signal and EMF 그림 1>에서 그 안에 있는 보라색은 가속도계로 부터 받은 신호를 의미하고, 빨간색은 EMF(Electric and Magnetic field)로 인해 발생한 Noise를 의미합니다.
좌측 상단에 회색 상자는 Cable의 선(Wire)을 의미하고, 그 위에 EMF 표시된 화살표는 외부로부터 EMF 간섭이 생김을 의미합니다. 그리고 오른쪽 상단에 SCADAS output으로 표시된 보라색 파형은 원신호와 EMF Noise가 중첩되여 변형 되었음을 나타내며, 이러한 신호들은 Time Domain에서 확인하는 것은 어렵고, FFT를 통해 Frequency Domain을 통해 주파수가 서로 다른 신호들을 확실하게 구별할 수 있습니다.
<Origin Signal and EMF 그림 1>
여기서 중요한 점은 Noise의 Amplitude와 Origin Signal의 Amplitude의 상대적 차이입니다. 만약에 Noise 진폭 대비 Origin Signal의 진폭이 클 경우 Output Signal에 크게 영향을 끼치지 않습니다. 다만 대부분의 변환기에서 나오는 출력 전압 신호는 그 크기가 작아 EMF에 간섭 받을 확률이 높습니다.
변환기에서 나오는 출력 신호들은 대부분 작아 증폭이 필요하며, SCM or Lab 등 DAQ 장비들은 HW 내부에 신호 증폭기가 내장되어 있고, 증폭기 입력단에 어떻게 연결되어 있는지에 따라 Single ended input mode와 Differential Input mode로 나뉩니다.
Single ended input mode는 단일 입력단에 내부 와이어가 연결되어 있으며, 단일 입력단과 Ground의 간의 전차를 측정하여 증폭합니다. 이 경우 상단에서 설명해 드린 EMF(Electric and Magnetic Field) 간섭 Noise를 제거하기 어렵습니다.
반면, Differential Input Mode는 입력단의 양측에 내부 와이어가 연결되어 있으며, 하기 <Differential input mode 그림 1>와 같이 양단에 들어오는 신호들의 차를 측정하여 이를 증폭합니다. 이 과정에서 양단에 원신호들은 서로 180도 위상차로 들어오며, Noise는 동상으로 들어오게 됩니다. 이중 (-) 입력단으로 들어오는 신호들은 증폭기 내부에서 반전이 되고, 이에 따라 원신호들은 중첩이 되어 증폭이 됩니다. 반면 Noise 들은 중첩 상쇄가 됩니다. (이는 CMRR(Common Mode Rejection Ratio)과 관련이 있습니다.)
<Differential input mode 그림 1>
하기 사진<Strain Gauge _ Full Bridge and Quarter Bridge 사진 1>은 두 개의 Wire를 각각 Full Bridge(Differential input)과 Quarter Bridge(Single ended input mode)로 연결하여 1개의 변환기에서 받은 같은 신호를 가지고 Single ended Input Mode와 Differential input mode 사이에 Noise Rejection을 비교 시연합니다.
<Strain Gauge _ Full Bridge and Quarter Bridge 사진 1>
하기 링크를 들어가시면, Strain Gauge로 Noise Rejection을 비교 시연 영상을 보실 수 있습니다.
해당 영상에서 확인 하실 부분은 다음과 같습니다.
1. Full Bridge gauge(Differential input)와 Quarter Bridge gauge(Single ended input mode) 둘 중 Time Domain에서 어느 게이지에서 더 많은 Noise가 발생하는지 확인
2. 영상에서 a power brick(Noise 발생기_110V 60Hz_영상기준)가 Strain gauge 근처에 있을 경우, 어느 Gauge가 더 EMF의 영향을 받는지 확인
Direct YouTube link : https://youtu.be/I4Z51QlSYnQ
영상에서 확인하였듯이 Time domain에서 Quarter Bridge gauge(Single ended input mode)에서 EMF가 없이도 더 많은 Noise가 감지되며, EMF 에도 취약함을 보입니다.
다음 그래프<Full Bridge gauge and Quarter Bridge gauge in Frequency Domain1>에서는 앞서 시간 도메인에서 비교했던 두 게이지의 출력 신호들을 FFT를 통해 주파수 도메인에서 비교합니다 녹색이 Full Bridge gauge(Differential input)이고 빨간색이 Quarter Bridge gauge(Single ended input mode)입니다.
<Full Bridge gauge and Quarter Bridge gauge in Frequency Domain1>
해당 그래프에서는 EMF Noise의 Harmonic 성분들을 확인할 수 있지만, 두 신호의 Amplitude를 확인하기 어려워, 60 Hz 근방으로 확대한 <Full Bridge gauge and Quarter Bridge gauge in Frequency Domain2>를 통해 두 신호의 진폭 크기를 비교합니다.
<Full Bridge gauge and Quarter Bridge gauge in Frequency Domain2>
<Full Bridge gauge and Quarter Bridge gauge in Frequency Domain2>에서는 60Hz에서 Power brick에서 발생했던 EMF Noise의 Amplitude를 더욱 확실게 비교할 수 있습니다.
Test Lab에서 Channel setup 활용방안으로는 다음과 같습니다.
사용하시는 센서가 Single ended input mode 혹은 Differential input mode 확인이 필요하실 경우, 채널 설정에서 커플링 열(Tools --> Channel Setup Visibility)을 추가합니다. 설정한 입력 모드에 따라 커플링이 자동으로 적용됩니다. 추가로 Strain gauge 중 Full bridge는 Differential이지만, 나머지 Half and Quarter bridge 들은 Single ended 이며, 여기에 ICP는 Single ended입니다.
<Channel setup in TL>
만약 다음 그림<Channel setup in TL2>과 같이 Input mode를 Voltage AC, Voltage DC 혹은 Active sensor로 설정할 경우에는 Coupling이 자동으로 Single ended로 설정이 되므로, 만약 Differential Sensor를 사용하실 경우 직접 Differential로 설정해야 합니다.
<Channel setup in TL 2>