Simcenter Testing Solutions AC & DC Coupling _Differences
2022-08-02T06:37:38.000-0400
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요약
Introduction to Coupling, What is meant by AC vs DC? What is Coupling? AC Coupling, DC Coupling, Simultaneous Strain Measurement Example: AC and DC Coupling, What kind of coupling should I use for my transducers? Does AC coupling only cutoff 0Hz? Where can I set AC or DC coupling? How to set high pass filter cutoff in TL
세부 정보
* Coupling 소개
Simcenter Testlab의 Channel setup 탭에서 Input mode 선택창을 통해 변환기에 알맞은 Coupling 종류를 선택합니다. 이번 Article에서는 Coupling과 AC, DC Coupling의 차이점 그리고 Simcenter Testlab에서 Input mode setting하는 방법 등을 안내합니다.
<그림 1 Simcenter Testlab의 Channel setup 탭에서 Input mode 선택창>
* 신호에서 AC(Alternating Current)와 DC(Direct Current)의 의미
DC는 주파수가 0Hz인 성분을 의미하고, AC는 주파수가 0Hz를 제외한 주파수가 있는 성분을 의미합니다.
하기 그림2의 좌측은 Time Domain이고, 우측은 Frequency domain을 나타냅니다.
좌측은 위에서 아래로 3개 등분되어, 좌측의 상단은 진폭의 변동이 없고, 진폭이 일정한 오프셋(Offset) 혹은 DC(Direct Current) 성분을 나타냅니다. 좌측 중간은 진폭의 변동(Fluctuation) 혹은 AC(Alternation Current) 성분을 나타냅니다. 그리고 좌측 하단은 DC성분과 AC성분이 중첩된 신호를 나타내며, 이는 원신호(Net Signal)이라 합니다. 원신호를 FFT를 통해 주파수 대역(Frequency Domain)에서 확인하게 되면, 우측 그래프와 같이 각 주파수 별로 성분들을 구분할 수 있습니다.
* Coupling(결합)이란?
<그림 3 SCADAS Mobile _ Coupling 예>
* AC Coupling
AC(Alternating Current) Coupling 혹은 Capacitive(용량성) Coupling 은 원 신호(Net Signal)에서 0Hz인 DC 성분을 제거하고 AC 성분만 통과시키는 것을 의미합니다. 이때 DC 성분들은 DC-Blocking 캐패시터를 통해 제거됩니다.
* DC Coupling
DC(Direct Current) Coupling 혹은 Direct Coupling은 신호의 AC 성분과 DC성분, 즉 원신호를 통과시키는 것을 의미합니다.
<그림 5 Strain Gauge에서 DC Coupling 한 신호>
* AC & DC Coupling 비교_Strain 측정
하기 실험에서, 두개의 게이지는 같은 빔의 동일한 위치에서 측정됩니다. 1번 게이지는 DC coupling으로, 2번 게이지는 AC coupling으로 셋팅합니다.
<그림 6 실험 셋업_1번 게이지 DC coupling, 2번 게이지 AC coupling>
<그림 7 동일한 위치에서 측정된 신호로 AC coupling과 DC coupling 비교 그래프>
<그림 10 Simcenter Testlab의 channel setup 탭에서 HPF Cutoff frequency 선택창 >
* AC & DC Coupling 설정하는 방법
AC& DC Coupling 설정하는 방법은 하기 그림 11과 같이 Channel setup 탭의 Input mode에서 설정 할 수 있습니다.
Simcenter Testlab의 Channel setup 탭에서 Input mode 선택창을 통해 변환기에 알맞은 Coupling 종류를 선택합니다. 이번 Article에서는 Coupling과 AC, DC Coupling의 차이점 그리고 Simcenter Testlab에서 Input mode setting하는 방법 등을 안내합니다.
<그림 1 Simcenter Testlab의 Channel setup 탭에서 Input mode 선택창>
* 신호에서 AC(Alternating Current)와 DC(Direct Current)의 의미
DC는 주파수가 0Hz인 성분을 의미하고, AC는 주파수가 0Hz를 제외한 주파수가 있는 성분을 의미합니다.
하기 그림2의 좌측은 Time Domain이고, 우측은 Frequency domain을 나타냅니다.
좌측은 위에서 아래로 3개 등분되어, 좌측의 상단은 진폭의 변동이 없고, 진폭이 일정한 오프셋(Offset) 혹은 DC(Direct Current) 성분을 나타냅니다. 좌측 중간은 진폭의 변동(Fluctuation) 혹은 AC(Alternation Current) 성분을 나타냅니다. 그리고 좌측 하단은 DC성분과 AC성분이 중첩된 신호를 나타내며, 이는 원신호(Net Signal)이라 합니다. 원신호를 FFT를 통해 주파수 대역(Frequency Domain)에서 확인하게 되면, 우측 그래프와 같이 각 주파수 별로 성분들을 구분할 수 있습니다.
<그림 2 신호의 AC 성분과 DC 성분>
* Coupling(결합)이란?
2개 이상의 회로 혹은 시스템 간에 에너지가 전달되는 작용을 의미합니다. 다시말해 센서 혹은 변환기를 각 케이블을 통해 FE(Front end)와 물리적인 접촉 혹은 결합을 하여, 변환기에서 변환된 에너지를 FE로 전달하는 것을 의미합니다.
<그림 3 SCADAS Mobile _ Coupling 예>
* AC Coupling
AC(Alternating Current) Coupling 혹은 Capacitive(용량성) Coupling 은 원 신호(Net Signal)에서 0Hz인 DC 성분을 제거하고 AC 성분만 통과시키는 것을 의미합니다. 이때 DC 성분들은 DC-Blocking 캐패시터를 통해 제거됩니다.
<그림 4 Strain Gauge에서 AC Coupling 한 신호>
* DC Coupling
DC(Direct Current) Coupling 혹은 Direct Coupling은 신호의 AC 성분과 DC성분, 즉 원신호를 통과시키는 것을 의미합니다.
<그림 5 Strain Gauge에서 DC Coupling 한 신호>
* AC & DC Coupling 비교_Strain 측정
하기 실험에서, 두개의 게이지는 같은 빔의 동일한 위치에서 측정됩니다. 1번 게이지는 DC coupling으로, 2번 게이지는 AC coupling으로 셋팅합니다.
<그림 6 실험 셋업_1번 게이지 DC coupling, 2번 게이지 AC coupling>
<그림 7 동일한 위치에서 측정된 신호로 AC coupling과 DC coupling 비교 그래프>
상기 그림 7에서는 같은 위치의 동일한 신호를 받아 AC coupling(녹색)과 DC coupling(빨강)의 신호 차이를 나타내는 그래프입니다. 원신호는 Offset volt(55µE) 에서 변동하지만, AC coupling 된 신호는 0volt에서 변동합니다.
* Coupling 타입에 따라 맞는 변환기 혹은 센서 정리
센서 정리함에 앞서, AC coupling의 주된 목적은 AD Convertion시 분해능을 높이기 위함입니다.
반면, DC Coupling은 느리게 변화하는 신호 모니터링 혹은 Offset 측정이 중요한 신호에 적합합니다.
AC 커플링 : ICP 마이크(Acoustic Pressure), ICP 가속도계, Strain Gauge (탄성/동적 거동에만 관심이 있는 경우)
모든 ICP/IEPE 변환기(ICP 변환기의 전압 공급은 0Hz이며 AC 커플링에 의해 제거됨)
DC 커플링 : Thermocouple, DC 가속도계(변동뿐만 아니라 중력으로 인한 오프셋도 측정), Strain Gauge(오프셋이 중요할 수 있는 경우, 즉 플라스틱 변형이 있는 경우)
* AC Coupling과 High pass filter
앞에서 AC Coupling은 0Hz인 DC 성분을 제거한다고 언급했지만, 실제로는 0Hz 보다 더 높은 주파수를 필터링합니다. 하기 그림 8은 AC Coupling의 필터모양을 보여줍니다. 여기서 필터 롤 오프(Roll off) 지점은 신호의 진폭의 0.707, 즉 - 3dB 감쇠에 해당됩니다. 하기 그래프를 참고하시면, -3dB 감쇠 부분인 0.707을 확인해 보면 0.5 Hz임을 확인할 수 있고, 0.5 Hz는 Cutoff Frequency라고 합니다. 그리고 "AC Coupling을 한다."는 의미는 0.5Hz 이상의 주파수만 통과하는 HP(High pass) Filtering 과 동일합니다.
* Coupling 타입에 따라 맞는 변환기 혹은 센서 정리
센서 정리함에 앞서, AC coupling의 주된 목적은 AD Convertion시 분해능을 높이기 위함입니다.
반면, DC Coupling은 느리게 변화하는 신호 모니터링 혹은 Offset 측정이 중요한 신호에 적합합니다.
AC 커플링 : ICP 마이크(Acoustic Pressure), ICP 가속도계, Strain Gauge (탄성/동적 거동에만 관심이 있는 경우)
모든 ICP/IEPE 변환기(ICP 변환기의 전압 공급은 0Hz이며 AC 커플링에 의해 제거됨)
DC 커플링 : Thermocouple, DC 가속도계(변동뿐만 아니라 중력으로 인한 오프셋도 측정), Strain Gauge(오프셋이 중요할 수 있는 경우, 즉 플라스틱 변형이 있는 경우)
* AC Coupling과 High pass filter
앞에서 AC Coupling은 0Hz인 DC 성분을 제거한다고 언급했지만, 실제로는 0Hz 보다 더 높은 주파수를 필터링합니다. 하기 그림 8은 AC Coupling의 필터모양을 보여줍니다. 여기서 필터 롤 오프(Roll off) 지점은 신호의 진폭의 0.707, 즉 - 3dB 감쇠에 해당됩니다. 하기 그래프를 참고하시면, -3dB 감쇠 부분인 0.707을 확인해 보면 0.5 Hz임을 확인할 수 있고, 0.5 Hz는 Cutoff Frequency라고 합니다. 그리고 "AC Coupling을 한다."는 의미는 0.5Hz 이상의 주파수만 통과하는 HP(High pass) Filtering 과 동일합니다.
<그림 8 Filter shape for 0.5Hz AC coupling >
그리고 HP 필터링의 Cutoff Frequency를 조절할 수 있습니다.
하기 그림 9와 같이 Simcenter TL의 상단에 Tools에서 Channel Setup Visibility로 들어가 HPCutOff를 추가하면,
그림 10과 같이 Channel setup에서 맨 우측 Column에서 HPF cutoff frequency를 선택할 수 있습니다.
하기 그림 9와 같이 Simcenter TL의 상단에 Tools에서 Channel Setup Visibility로 들어가 HPCutOff를 추가하면,
그림 10과 같이 Channel setup에서 맨 우측 Column에서 HPF cutoff frequency를 선택할 수 있습니다.
<그림 9 Simcenter Testlab의 channel setup 탭에서 HPF Cutoff frequency 선택창 추가 방법>
<그림 10 Simcenter Testlab의 channel setup 탭에서 HPF Cutoff frequency 선택창 >
* AC & DC Coupling 설정하는 방법
AC& DC Coupling 설정하는 방법은 하기 그림 11과 같이 Channel setup 탭의 Input mode에서 설정 할 수 있습니다.
<그림 11 Simcenter Testlab의 channel setup 탭에서 Input mode 선택창 >