15. 비파괴 검사 - 초음파현미경(C-SAM) 주요 구성요소 (Digitizer / ADC converter)

초음파 검사기의 주요 구성 요소는 transducer, pulser/receiver, Digitizer(ADC converter)  크게 세가지로 구분된다. ADC converter는 Analog to Digital Converter의 줄임말로 아날로그 신호를 디지털 값으로 반환해주는 역할을 합니다. ADC converter의 성능은 초음파 영상의 신호대비 잡음비, 분해능, 정확도, 동적 범위 등에 큰 영향을 미칩니다. 이번 포스팅에서는 ADC converter에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

1. ADC converter의 블록도

receiver로부터 얻어진 아날로그 신호는 특정 샘플링 주파수로 샘플링되는 샘플 블록에 적용됩니다. 변동하는 신호에서 다음 신호를 input 할 때까지 hold 블록에서 고정 신호로 유지하며, 이 고정 신호는 quntize 블록에서 이산 값으로 양자화 됩니다. 마지막 encoder 블록에서 이산 진폭을 이진수로 변환하여 코딩 변환합니다. 

출처 : https://www.electricaltechnology.org/2019/02/analog-to-digital-converter-adc.html

2. ADC converter 성능을 나타내는 사양

초음파 영상 품질향상을 위해서는 전력소모를 낮추면서 분해능, 샘플링 레이트가 높고, 노이즈로 인한 왜곡이 낮은 ADC를 선정해야합니다. 

 

1) sampling rate (변환 속도)

Sampling은 시간축에서 신호를 나누는 것을 뜻합니다. 원신호가 샘플링되는 주파수가 높을수록 출력되는 신호를 원신호와 유사하게 복원할 수 있지만, 샘플링 주파수가 너무 높으면 데이터의 양이 너무 많아져 처리하기 어렵다는 단점이 있습니다.

sampling rate는 샘플링 주파수를 의미하며 1초동안 최대 몇 개의 디지털 데이터가 출력되는지에 관한 성능을 의미합니다. 초당 몇개의 데이터를 샘플링하는지를 SPS(Sample per second 라고 하고 100kSPS의 경우 1초동안에 100,000개의 데이터가 출력된다는 것을 의미합니다. 이것을 시간으로 변환하면 10us에 1개의 데이가 얻어진다는 것을 알 수 있습니다. 일반적으로 초음파 검사기에서는 사용하는 센서 주파수의 10배 이상을 sampling rate로 사용합니다. 

 

 

2) Quantization

: 샘플링을 통해 측정한 전압값을 digital로 바꾸는 과정을 quantization이라고 합니다. 이때 표현할 수 있는 단위의 수가 8bit이면(0~255) 256개로, 10bit이면 1024개로 더 정밀하게 표현될 수 있습니다. ADC 컨버터의 분해능은 연속된 아날로그 신호를 어떻게 진폭방향으로 미세하게 분해할 것인가에 따라 결정되기 때문에 이러한 단위를 resolution이라고 부르며 ADC컨버터의 중요한 스펙중에 하나입니다. 이 분해능에 따라서 측정값의 정확도가 달라질 수 있습니다. 아래 그래프를 보면 4~6사이의 값은 0의 출력값을 가지는 것과 같이 분해능에 따라 데이터에 손실이 발생할 수 밖에 없는데 이런 손실을 보상하고 최소화시키는 방법이 중요하게 요구됩니다. 일반적으로 10비트 이상의 양자화 비트 수를 갖는 ADC를 고해상도 ADC 라고 합니다. 

출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=3lastbaek5&logNo=222054702522

3) SNR

SNR은 signal to Noise Ratio의 약자로 ADC의 SNR은 아래 그림에서 진폭이 가장 높은 빨간색의 fundamental 신호와 파란색 noise floor의 비로 정의됩니다. 이때 fundamental 전압신호(carrier)와 hamonics 시놓를 제외하고 noise floor를 계산합니다. 

출처 : https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=rlaghlfh&logNo=221385737830&parentCategoryNo=&categoryNo=6&viewDate=&isShowPopularPosts=true&from=search

 

4) DR (Dynamic range)

- 일반적으로 동적 범위 (dynamic range)sms ADC가 변환할 수 있는 최소 전압에 대한 최대 전압의 비율입니다. 최대 전압이 5V, 12bit 변환기 일 때, ADC가 측정가능한 최고 전압은 5V/4096 = 1.22mV입니다. 따라서 ADC의 동적 범위는 5/1.22mV = 4096 = 72.2dB입니다. 

 

5) 출력형태

ADC 컨버터 출력인 디지털 데이터의 출력 형식에는 크게 시리얼 형식과 패러렐 형식이 있습니다. 고속의 컨버터의 경우 대부분 패러렐 출력으로 되어있습니다. 12비트의 ADC컨버터를 페러럴 출력으로 전송한다면 12개의 디지털 출력 핀에서 1초동안 10,000,000개의 데이터가 나오게 됩니다. 만약 이것을 시리얼 출력으로 나오게 할 경우에는 그 12배, 즉 120sps의 전송속도가 필요해집니다. 한편, 고속이 아닌 ADC컨버터의 경우 시리얼 출력을 사용하면 출력에 사용하는 IC핀수를 줄여 소형 패키지로 만들 수 있기 때문에 시리얼 출력이 주로 사용됩니다.

 

3. 그 밖에 검토할 조건

1) 입력 전압 범위

: 입력전압 범위가 넓을수록 1비트당 전압이 커져 노이즈의 영향이 작아지기 때문에 입력신호가 + 극성 뿐인 경우에는 Unipolar입력(0~3V) , +/- 양쪽인 경우에는 bipolar 입력(-5~5V)을 갖춘 IC를 선택해야합니다. 

2) 입력 주파수 대역폭

신호에서 중심주파수 기준 신호가 집중적으로 존재하는 구간을 정의하는 방법에 따라 주파수 대역폭은 달라질 수 있습니다. 3dB대역폭은 최고값 신호의 절반에 해당하는 대역폭을 뜻하며, 일반적으로 3dB 아날로그 입력 대역폭을 사용합니다. 

3) 입력 채널 수

복수의 신호를 다룰 경우, 입력단에 4~8 채널의 멀티플렉서가 내장된 ADC컨버터를 사용해야합니다. 

 

* 첨부

- 링크1 : 센서 신호에 따른 고성능 데이터 컨버터

- 링크2 : ADC 컨버터의 기초 

- 링크3 : ADC의 다이나믹 레인지

- 링크4 : ADC 컨버터 기본 블록 다이어그램