Simcenter Testing Solutions How to read THD(Total Harmonic Distortion) in a calibration report

안녕하세요, 계약된 장비에 한하여 Siemens Simcenter에서 Hardware Calibration Service를 제공합니다.
Calibration 후에는 Calibration Report를 제공하는데요. 이 리포트에는 SNR(Signal to Noise Ratio), SFF(Spurious Free Floor) 그리고 THD(Total Harmonic Distortion) 등 검정 결과를 포함하고 있습니다.
이번 Article에서는 그중 THD(Total Harmonic Distortion)에 대해 설명합니다.

1. What's Harmonic
 

THD를 설명하기에 앞서 Harmonic(고조파)에 대해 설명드리겠습니다.
Harmonic (고조파)는 고주파(High Frequency)와 혼용되어 씌는 경우가 있는데, 이 둘은 전혀 다릅니다. 고주파는 높은 주파수를 가진 전자기파 혹은 파장을 의미하며, 고조파는 원천 주파수를 제외한 원천 주파수의 배수 주파수 성분을 통칭합니다.  

 

<그림 1. 고조파 성분 설명>

 

위의 그림 1에서 왼쪽은 주파수 성분을 가진 신호를 의미하고, 오른쪽 신호는 출력 신호를 의미합니다. 그리고 그 사이에 있는 System은 여러 가지 기계장치들을 의미하는데, 이번 Article에서는 SCADAS 시스템들 그중에서도 Conditioner( 혹은 Input modules)를 의미합니다. SCADAS 시스템의 설명은 하기 링크된 YouTube clip을 참고하시기 바랍니다. 

Direct YouTube link: https://youtu.be/VYlKLA4fdlg

출력 신호는 입력신호와 달리 여러 주파수 성분들을 포함하고 있는데, 이 중에 입력 신호의 주파수와 같은 주파수를 원천 주파수(Fundamental Frequency)라고 합니다. 그리고 원천 주파수의 배수 주파수 성분들을 Harmonic(고조파)라고 합니다. 특징으로는 주파수가 배수 배로 늘을수록 진폭이 작아집니다.
고조파 발생의 원인은 반도체소자의 물성 혹은 접합 등으로 인해 입출력 전류/전압이 비선형적으로 작동하기 때문입니다.

 

<그림 2. Harmonic이 신호에 끼치는 영향>
 

그림 2를 통해 Harmonic 성분의 유무에 따라 파형이 달라짐을 한눈에 비교할 수 있습니다. 

 
2. What's THD(Total Harmonic Distortion)
 

이번 차트에서는 THD(Total Harmonic Distortion)_전체 고조파 왜곡률에 대해 설명드리겠습니다.
그림 3.는 원천 주파수와 고조파를 구분합니다. 그리고 방정식 1에서 Hn은 각 n 번째 Harmonic의 진폭을 의미하고, F는 원천 주파수의 진폭을 의미합니다. 

 

<그림 3. 원천 주파수 및 고조파 구분>

 

<방정식 1. THD _ Total Harmonic Distortion>

 

즉, THD는 출력에 나타나는 모든 고조파 성분들의 에너지와 원천 신호(원천 주파수)의 에너지의 비를 표시하여 고조파의 왜율을 의미합니다.

 

<그림 4. Calibration report 내 THD 설명>

 

THD의 단위는 %이고, 실제 Calibration Report 상에는 그림 4와 같이 dB 값으로 표시합니다.

 
3. How to read THD Specification in calibration report
 

그럼 Calibration report에서 THD를 읽는 방법에 대해 설명하기 앞서 THD 값과 성능의 상관관계에 대해 설명드립니다.
THD는 값이 클수록 좋을까요? 신호처리 관점에서 좋다는 건 "왜곡(Distortion) 없다."라는 의미입니다. 그리고 Harmonic들은 그림 2와 같이 원천 신호를 변형시킵니다. 
즉, THD가 크다는 것은 왜곡이 많이 되었음을 의미하며, 반대로 "THD 값이 낮을수록 신호처리 성능이 좋다."라는 의미입니다. 

 

 

<그림 5. THD Spec. table in a calibration report>
 

위 그림 5는 Calibration report에서 THD의 Specification table입니다. 
Range 별로 THD 결과 기준이 달라지는데, Range가 10V일 경우 최댓값은-104dB, 0.316V일 경우 최댓값이 -91dB으로 다릅니다. 그림 4에 안내한 방정식을 사용해 dB value를 %로 역산할 수 있습니다. 
예시로 THD 값이 -94dB일 경우 실제 왜곡률을 %로 표기하면 대략 0.002%이고, 이는 원천 신호와 출력 신호 간의 오차율이 0.002%라는 의미입니다.