신호 소스(Grounded/Floating)와 접지 모드(DIFF/RSE/NRSE)

이번 시간에는 신호 소스와 접지 모드(터미널 설정)에 대해서 알아보겠습니다. DAQ 시스템이란 결국엔 사용되는 센서의 출력 신호를 DAQ 장비가 측정하는 것인데요. 센서와 장비간 물리적인 연결을 할 때 신호 소스 타입이 어떻게 되는지, 그리고 신호 소스 타입에 맞추어 적절한 접지를 잡아주는 것이 관건이라고 하겠습니다. 센서의 경우에도 종류가 워낙 다양하지만 결국에는 전기적인 신호로 변환시켜 출력을 보내주게 되므로 대부분의 센서 출력은 전압(또는 전류)이라고 볼 수 있습니다. '전압'이란, 두 지점 사이의 전위차를 말하며 전류가 흐를 수 있도록하는(전하가 이동시킬 수 있는) 능력입니다.

신호 소스 타입(Grounded vs Floating)

신호 소스 타입의 경우 크게 접지된 신호(Grounded Signal)와 플로팅 신호(Floating Signal)로 나뉩니다.

1. 접지된 신호(Grounded Signal)

접지된 신호는 말 그대로 신호의 한쪽이 Ground 처리가 되었다라는 의미로 우리 일상에서 흔히 보는 벽면에 있는 콘센트를 예시로 생각하시면 되겠습니다. 저같은 경우 처음 접지라는 단어를 접할 때 전기선 한쪽을 땅에 연결한다는 의미로 "Earth" or "Ground(GND)"라고만 생각하였는데요. 접지에도 종류가 굉장히 많이 있는 것을 알게 되었습니다. 올바른 접지 처리를 하여야지만 정확한 신호 측정이 가능하며 그 외에도 인체 감전 방지, 기기를 보호하는 목적으로 사용합니다.

2. 플로팅 신호(Floating Signal)

플로팅 신호는 참조되지 않은 신호 소스를 말합니다. 일반적인 플로팅 신호 소스는 배터리, 열전쌍, 변압기, 절연 증폭기 등이 있습니다. 흔히 가정에서 사용하는 일반적인 건전지를 생각해보시면 될 것 같네요. 소스 터미널 모두가 전원 공급 접지에 연결되지 않기 때문에 각 터미널은 시스템 접지에 독립적입니다.

접지 모드(DIFF/RSE/NRSE)

터미널 설정이라 부르기도하며 접지 모드는 크게 차동(DIFF, Differential), 단일 종단형(RSE, Referenced Single Ended), 참조되지 않은 단일 종단형(NRSE, Non Referenced Single Ended) 3가지가 있습니다.

1. 차동(DIFF, Differential)

신호 송신부측에서 차동 신호(+와 - 신호선이 한 쌍으로 180° 위상 차이를 가짐)가 나올 때 수신부측에서 차동 모드로 설정하여 사용하는 방식입니다. DAQ 디바이스 기준으로 놓고 본다면 신호 측정을 위해 CH+와 CH- 두 개의 입력핀이 필요로하게 되지만, 공통 모드 전압 및 공통 모드 노이즈를 제거해줄 수 있기에 가장 원신호를 깔끔하게 복원할 수 있는 장점이 있습니다.

수식 : \(V_{diff}=V_{input(CH 0+)}-V_{input(CH 0-)}\)

2. 단일 종단 참조형(RSE, Referenced Single Ended)

시스템 접지 기준으로 전위차를 계산하는 방식입니다. 각 신호에 대해 하나의 채널 입력 핀만 있으면 사용 가능하기에 차동 신호보다 2배 더 많은 입력 신호를 측정 가능합니다. 하지만 공통 모드 전압을 제거하지는 않으며 노이즈의 영향을 받을 수 밖에 없습니다.

수식 : \(V_{diff}=V_{input(CH 0+)}-AI_{GND}\)

3. 참조되지 않은 단일 종단형(NRSE, Non Referenced Single Ended)

시스템 접지에 참조되지 않은 단일 종단형 측정 방식입니다. RSE의 변형 기술이라고도 불리우며 시스템 접지가 아닌 SENSE라고하는 Common Point를 참조하여 측정하는 방식입니다. RSE와 마찬가지로 각 신호에 대해 하나의 채널 입력 핀만 필요로하며 공통 모드 전압을 제거하지 않습니다. 시스템 접지가 아닌 SENSE 핀을 기준으로 전위차를 측정하는데 이 때 SENSE 핀은 플로팅 상태입니다.

수식 : \(V_{diff}=V_{input(CH 0+)}-AI_{SENSE}\)

측정 시스템에서의 신호와 접지 모드 요약

요약해보자면 우리가 측정하고자 하는 신호가 플로팅인지 접지된 신호인지, 신호 소스에 따른 모드는 차동, RSE, NRSE 중 적합한 모드를선택해야 합니다. 아래의 테이블표는 해당 내용을 요약해본 것인데 여기서 주의할 점은 접지된 신호 소스의 경우 RSE 방식을 권장하지 않는다는 것입니다. 디바이스와 신호 소스원 사이에서 접지 루프가 형성됨으로써 자칫 잘못하면 디바이스에 손상을 줄 수 있기 때문입니다.