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 Sensor Applications
아듀이노 응용소스
작성자 avrtools™        
작성일 2016/02/02
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 342   
  Arduino 정밀 전력계의 LPF
Arduino 정밀 전력계의 필터 (LPF)
참조
: http://www.elektor-labs.com/project/140169-2-filter-for-practical-4-channel-adc.14399.html
제목 : 4-channel ADC를 위한 140169-2 필터

Elektor BoB 140169-1 v2.0 필터 모듈 (USD 21.00)
  
 
TI사의 A/D 변환기 ADS1015 혹은 ADS1115를 사용한 정밀 전력계의 필터와 절연증폭기.
우리는 ADS1115 A/D 변환기 140169-2 BoB를 만들었다.
이것은 정밀 전력계의 채널 4개로 즉정하려는 전원신호의 잡음을 효과적으로 제거한다.
 
Elektor 정밀 전력계의 필터 기판 BoB 140169-2 (4ch OPA377 LPF) USD19.00 
   
 
Elektor 정밀 전력계의 필터 기판의 회로 BoB 140169-2 (4ch OPA377 LPF)
  
 
 
Elektor 정밀 전력계의 필터의 설명 (BoB 140169-2)
4 채널 1KHz LPF는 정밀 전력계의 AD 모듈을 위한 멋진 필터다.
 
최대 대역폭은 아마도 조금은 낮다. (선택된 최대 샘플 주파수는 860 Hz이다).
우리가 만들려고 하는 전력계는 대역폭이 100KHz인 switched-capacitor 절연 증폭기로 안전하다.
(내전압 4 KV 이상) 물론, 이 대역폭은 A/D 모듈에는 너무 넓다.

필터의 출력은 넓은 대역의 잡음과 절연 증폭기의 스위칭 가공 잔해가 남아있다.
우리는 Sallen-Key 원리로 3차 Butterworth 필터 4개를 작은 기판에 설계했다.
A/D 모듈의 입력에는 샘플링 주파수 1/2 이하의 주파수들은 없도록 제시되어야 한다.
3차 필터의 차단 주파수가 약 10Hz라도 16 비트 분해능은, 이 전력계에서 매우 실용적은 아니다.

필터 출력 사이에 절연 증폭기로 차동 신호를 보호하므로 써,
캐패시터의 당연한 오차 (저항은 크지 않다)로 부터 위상 변화를 방지하기 위해 대역폭은 상당히 넓어 진다
부품들의 주파수는 기본 주파수 수준의 30 dB 이하로 검토해야 한다고 생각한다.
대역폭을 매우 조금 유지하려면 40 Hz로 할 수 있다,

전력계에서 사용 전압과 전류의 정밀한 증폭도와 위상은 이미 우리들의 관심이었다.
전력 측정에서 고조파에 큰 영향을 주는 이유는 부품들이 이상적이 아니라고 가정한다.
필터의 부품(R1..R12, C1..C12) 값들은 차단 주파수 1KHz로 계산된다.
이것은 높은 것 같으나 모든 잡음은 제거될 것이다.
역시 50 혹은 60 Hz에서 어떤 위상은 조금 변화할 것이다.

우리는 TI 사로 부터 OPA377 rail-to-rail 증폭기를 선택했다.
좋은 기판 배치를 이유로 한개의 채널에 한개의 단일 증폭기를 사용하였다.
우리들의 목표는 매우 작은 신호의 측정이다.
230V에서 1mA의 전류를 고려하였다. 이것은 거의 1W의 1/4 이다.
만일 0.1mA 이하를 멋지게 측정하려면 OPA377도 저렴한 값이 아님을 고려하라.
그러나 이것은 CMOS 입력 증폭기로 놀라운 잡음제거 성능이 있다.

세라믹 0603 캐패시터의 오차를 5% 안으로 유지하기 위해, 22nF 보다 높은 값이 있다.
저항은 약 23 kΩ로 상당히 높다. 작은 저항 값은 잡음 성능을 개선한다.
그러나 캐패시터의 오차는 적은게 더 중요하다.
각각의 필터들 사이에서 위상차는 비중이 높기 때문이다.

OPA377의 입력소비(bias) 전류는 전형인 0.2 pA 이다. (최대 10 pA)
그래서 저항식 외부 offset 회로는 소개하지 않는다.
입력 편차(offset)와 온도당 offset 흔들림(drift)은 최대 약 1mV이다.
(통상 0.25 mV) 그리고 각 온도 변화에서 0.32 μV/°C 이다.

어떤 고정된 직류 offset라도 소프트웨어에서 보정할 수 있다.
매우 낮은 주파수의 잡음은 상대적으로 높다.
그러나 이것은 COMS 입력에서 통상적이다.

Elektor 정밀 전력계의 필터 조립
기판은 ADC 기판과 전력계 위에 얹기로(add-on) 설계하었다.
19.05x19.68 mm의 같은 크기로 그것을 만들기로 정했다.
그러나 1/10" (21.59 x 19.68 mm)로 길어졌다.
부품이 장착된 좁은 두 측면은 공간을 확보해야 한다.
 
ADC 기판에서도 가깝지 않은 주 기판에 얹으려면 그들 사이에 고정해야 한다.


위쪽은 필터 부품들 R1..R12 그리고 C1..C12 이다.
밑면은 4개의 OPA377 들과 전원변동의 결합방지(decoupling) 캐패시터(C13..C16)들 이다.
결합방지 정전용량은 증폭기의 전원에 포함된 고주파 잡음(noise)을 제거한다.
 

입력과 출력 커넥터는 가능한 서로 근접토록 필터 기판의 위에 위치(placed)한다.
K1/K3과 K2/K4는 동일하다. 전원은 K4에서 준다. (K4는 주 기판에 연결된다)
그들 두개의 커넥터는 간단히 병렬로 연결된다.
K1과 K2는 ADC 기판으로 연결되고 두개의 2.54mm 간격의 5핀소켓을 사용할 수 있다.

우리는 기판 소켓을 고정하는 구멍을 핀보다 크게(1mm) 만들었다,
사용하는 형태는 TE 연결용-Amp 사의 2-5330808-7 이다.
그러나 1000 개의 가격이라도 조금 비쌌다.
그래서 여기서는 더 재치있게 두개의 기판 연결에 일반 소켓을 사용했다.

소형화는 높이를 증가시킨다. (두 기판 사이의 거리),
아래 면의 두 커넥터는 둥근 핀으로 K3과 K4에 사용된다
큰 지름은 기판 안으로도 납땜을 해야 한다. 주 기판위의 소켓은 작은 것이 고정된다.
 
표1 세라믹 캐패시터 (MLCC)의 선택
표1은 E12 값과 C1..C12의 교체 값과 그들의 이론적으로 일치하는 R1...R12 값을 보여준다.
차단 주파수는 항상 맞는 1KHz와 같다. 
주파수는 반비례하는 저항의 이론적인 값으로 쉽게 다시 계산될 수 있다.

세라믹 캐패시터(MLCC)는 E24와 E12 계열 값에서 선택이 잘 안된다면,
결과는 통과대역의 증폭도에 너무 많은 영향을 주게될 것이다.
저항과 정전용량은 생산하는 계열에서 E12(10% K급), E24(5% J급), E96(1% F급)으로 구분된다.
그리고 결국 그들은 E96 (1% 오차 F급) 계열 값의 근처로 가깝게 결정될 것이다.

1KHz를 위해 입수 가능한 C1,C2,C3의 값에 따라서 R1, R2, R3를 바꾸어야 한다.
C1  C2  C3  R1[kΩ]  R2[kΩ]  R3[kΩ]
10n 22n 1n5 21.452 24.424 23.316
8n2 18n 1n2 26.360 29.324 29.446
6n8 15n 1n 31.764 35.378 35.171
5n6 12n 820p 38.436 43.551 43.706
4n7 10n 680p 45.914 51.689 53.151
3n9 8n2 560p 55.352 62.410 65.165
3n3 6n8 470p 65.355 74.233 78.788
2n7 5n6 390p 79.619 91.225 94.127
2n2 4n7 330p 97.019 112.96 107.81
1n8 3n9 270p 118.87 136.91 130.70
1n5 3n3 220p 144.06 160.34 160.28
1n2 2n7 180p 179.44 200.93 191.72


Elektor 정밀 전력계 필터의 성능 측정결과.
우리가 설계한 전력계에서 비록 실제 중요하지 않더라도,
저주파 정밀 분석기와 고차-고조파(TH+N) 측정 결과는 조금 실망스런 측정이었다.

우리는 최소한 어쨋든 opamp의 부품 규격보다는 높은,
세라믹 필터 캐패시터(MLCC)의 좋은(higher) 고차-고조파 특성을 기대했다.
(통상(typ.) 1KHz와 1 Vms 에서 0.00027%),
소비 전류는 (5V 공급) 모든 2.5V 입력에서 약 2.8mA 이다.

Plot A
(Amplitude_1V_in_BW_100kHz.png)는 하나의 출력에서 주파수-증폭도를 보여준다.

 
대역 통과 필터는 가능한 낮은 실제 측정값을 사용했다. 입력 신호는 1 Vrms.
50KHz의 출력 레벨은 대략 97 dB의 잡음을 동반한다.
알맞는 3차-오더 필터를 쓸 때, 2 KHz에서 20 KHz 까지의 값은 60 dB로 내려간다.

Plot B
(4xAmplitude_1V_in.png) 같은 1 Vrms를 인가, 4개의 필터의 차단주파수에서 확대.
 
편차는 400 Hz에서 약 0.1 dB이다. 나쁘지 않다.
우리의 시작품에서 그런대로 두개의 캐패시터는 5%와 다른 하나는 10%다. (22 nF).
50 혹은 60 Hz에서는 거의 편차가 없다.

Plot C
(4xPhase_1V_in_2.png)는 필터의 입력과 출력의 주파수-증폭도를 보여준다.

50 혹은 60 Hz에서는 편차가 크다.
그래서 차동입력으로 ADC의 CMRR을 저하시키지 않도록 필터를 분리하여 사용했다.
CMRR은 common mode rejection ratio이며 전원전압 잡음 제거 능력을 말한다.

Plot D 와 E
(4xTHD+NvsLVL.png and 4xTHD+NvsLVL_2.png는 출력 레벨의 THD+N을 보여준다. )

세라믹 캐패시터가 원인으로 왜율(distortion)이 1.15 V까지 꾸준히 증가한다.
1.15 V와 1.2 V사이는 opamp가 원인으로 확장된다. 부품 규격에서는 어떤 것도 찾을 수 없었다.
부품 규격의 폭로, 아마도 어떤 규격들은 1Vrms에서 만든것은 사실일 것이다. (THD+N과 같음).
하나의 채널에서 3개의 캐패시터를 제거한 것이 틀림없다.(맞다).

Plot F
(THD+NvsLVL_no_caps.png)는 캐패시터를 제거한 출력의 THD+N 성능을 보여준다.

앞의 Plot는 깨끗하므로 왜율(distortion)이 원인이다. 
1V에서 THD+N은 이제 0.0007 % 보다 작다.(70 kΩ의 열 잡음은 약 0.0005 %, B=22 kHz 이다).

확실히 (혹시 모르고 있었다면) 세라믹 전극을 저주파에서 사용하는 것은 대부분 좋지 않다
이 주파수가 한계이다. 이 필터는 계측과 다른 영역에서 볼 때 우리에게 행운이었다.
우리는 오직 어떤 점에서는 입력이 더 비직선성으로 된다고 추측한다.
 
OPA377의 부품규격에서 CMRR은 전원공급 레일이 1.3V 이하로 규정되어 있다.
만일 전원공급 레일이 1V 이내라면 역시 입력 편차(offset)는 증가한다.
전원공급 레일이란 양전원을 사용하는 opamp로 동시에 공급하는 전압이다.

Plot G
(Amplitude_1V_in_BW_100kHz_sym_in_out.png)는 필터 2개를 차동입력으로 사용한 주파수-증폭도를 보여준다.

우리는 1 V에서 주파수 분석기의 대역필터는 최대 대역폭으로 측정했다. 
최대 대역폭의 증폭도는 90dB 보다 조금 낮다.
단일 입력의 측정 Polt A와 비교하면 대역필터는 잡음이 바닥으로 떨어진다.
100 KHz 레벨은 약 112 dB 이다. Plot A보다 15 dB 개선되었다.

Plot H (THD+NvsLVL_sym_in_out.png)는 출력의 THD+N 성능을 보여준다.
단일 입력으로 측정한 값을 비교한 THD-N 성능은 몇% 지만 역시 개선되었다.
정확한 비교를 위해 차동입력으로 측정한 레벨은 단일입력 레벨의 2배다. 
우리는 50와 60 Hz를 측정했다.

부품 목록 (Bill of materials)
R1,R4,R7,R10 = 21k5, 1 %, 0W1, SMD 0603
R2,R5,R8,R11 = 24k3, 1 %, 0W1, SMD 0603
R3,R6,R9,R12 = 23k2, 1 %, 0W1, SMD 0603
 
C1,C4,C7,C10 = 10 nF, 5 %, 50 V, C0G/NP0 or X7R, SMD 0603
C2,C5,C8,C11 = 22 nF, 5 %, 50 V, C0G/NP0 orX7R, SMD 0603
C3,C6,C9,C12 = 1n5, 5 %, 50 V, C0G/NP0 or X7R, SMD 0603
C13,C14,C15,C16 = 100 nF, 10 %, 50 V, X7R, SMD 0603

IC1,IC2,IC3,IC4 = OPA377AIDBVT
K1,K2 = (receptacle), 기판 구멍 (through hole)은 5, 간격(pitch) 100mil (2.54 mm) 
K3,K4 = (header), 기판 구멍 (through hole)은 5, 간격(pitch) 100 mil (2.54 mm)

100 mil은 종래의 DIP IC의 pin 표준간격으로 통상적으로 넓은 2.54 mm를 사용한다.
최근의 SDIP 혹은 SOP, SOIC는 1/2인 1.27 mm의 간격의 pin을 사용한다.
 
경제적인 전원 분석기를 설계한다면 LPF를 소프트웨어로 구현할 수도 있다.
단순히 전력측정 코드를 검토한다면,  LPF는 꼭 필요하지 않다.
그러나 정밀한 전력계를 설계하려 한다면, 이 LPF는 필수 회로이다.

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