죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

약한 신호를 정밀하게 측정 가능한 동기 검파 활용법

PDF 다운로드

글/루이스 오로즈코(Luis Orozco), 시스템 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스

동기 검파는 다양한 계측 애플리케이션에서 잡음층 아래에 묻혀 있는 약한(Low level) 신호를 추출하는 데 유용한 기법이다. 아주 작은 저항값을 측정하거나, 배경 조명이 강할 때의 광 흡수나 반사를 측정하거나, 또는 심지어 잡음 수준이 높을 때의 스트레인 측정하는 경우가 대표적인 예이다.

다양한 전기 및 물리 시스템에서는 주파수가 DC에 가까워질수록 잡음이 증가한다. 예를 들어 연산 증폭기에서 1/f 잡음(1/f noise)이 있고 야외 광 측정 시스템이 태양이나 백열구, 형광등 등 기타 조명으로 인해 주변의 빛이 계속 변화하는 환경에 있다고 해 보자. 측정 기기를 이러한 낮은 주파수대의 잡음원으로부터 멀리 떨어뜨려놓을 수 있다면 SNR(signal-to-noise ratio)을 높이고 훨씬 약한 신호도 잡아낼 수 있다. 예를 들어 표면에서 반사된 빛의 양을 측정하고자 하면 몇 kHz의 광원을 변조함으로써 그렇지 않았을 때 더 낮은 주파수에서 잡음에 묻혀버릴 신호를 측정할 수 있다. 그림 1은 신호를 변조함으로써 잡음층 아래에 존재하는 신호와 복구 가능한 측정값을 가지는 신호 사이에 어떠한 차이가 존재하는지를 보여준다. 센서의 가진신호(excitation signal)를 변조하는 방법에는 몇 가지가 있다. 가장 쉬운 변조 방법은 가진신호를 반복해서 켰다 끄는 것이다. 이는 LED 구동, 또는 스트레인 게이지 브릿지로 가는 전압 같은 기타 여기(excitation) 유형에 적합하다. 특히 많은 분광 계측기에서 사용되는 백열구처럼 가진원(excitation source)을 전기적으로 변조하기 쉽지 않은 경우 유용하다. 이러한 경우 변조는 기계 디스크로 빛을 절단하는 것만큼 쉽다.

그림 1에서 신호를 복구하기 위해서는 관심 주파수 외의 모든 주파수를 제거하는 협대역 필터(narrow band-pass filter)를 설계해 신호의 진폭을 측정하면 된다. 그러나 사실상 개별 부품을 사용해 초협대혁(하이 큐, high Q) 필터를 설계하는 것은 무척 까다로운 일이다. 사양에서 극단적으로 좁은 대역의 필터가 요구된다면 이는 거의 불가능할 수도 있다. 그 대신에 동기식 복조를 사용해 변조된 신호를 DC로 다시 옮길 수 있다. 이 동안 레퍼런스 신호에 동기화되지 않은 기타 신호들은 제거한다. 이러한 기법을 사용하는 계측 방식을 로크인 증폭기(lock-in amplifier)라고 한다.

로크인 증폭기는 그림 2에 나타난 애플리케이션을 사용해 간단히 설명해볼 수 있다. 1kHz에서 변조된 광원을 측정면에 비추고 포토다이오드로 표면에서 반사되는 빛의 양을 측정하는 데 이때 반사되는 빛의 양은 축적된 오염물질의 양에 비례한다. 레퍼런스 신호와 측정 신호 모두 사인파(주파수와 위상은 같으나 파장은 다르다)라고 가정해 보자. 또, 포토다이오드를 구동시키는 레퍼런스 신호의 파장이 고정되어 있고 측정 신호의 파장은 반사된 빛의 양에 따라 변한다고 가정하자(다른 애플리케이션에서 이는 측정하는 물리적 매개 변수에 따라 좌우된다). 두 개의 사인파를 증폭시키면 두 입력 사인파의 합과 차에서의 주파수 성분을 구할 수 있다. 이경우 두 사인파가 동일한 주파수를 가지며 등식 1을 통해 하나의 신호가 DC를, 나머지 신호가 원 주파수의 두 배 값을 가지게 되는 이유를 확인할 수 있다(사인 값이 마이너스 값을 가진다는 것은 180°의 위상 변이가 있다는 뜻이다). 저역 필터는 신호의 DC 성분을 제외한 나머지를 제거한다...(중략)