[센서] Dynamic Range란? (SNR, Signal Noise Rate, dB)

 

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Dynamic Range 정의

저희 회사에서는 진동 시험기를 운용하기 위해서 진동 제어기(Vibration Controller)와 가속도센서(Accelerometer) 등을 사용하여 진동 시험을 진행합니다. 여기서 각 파트 별로 다이나믹 범위를 설정하고 있는데 이에 대해 알아보겠습니다. 

 

Dynamic Range는 각 장치의 성능을 표현하는 기본적인 값입니다. 근복적인 의미로 들어가면 표현할 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값 사이의 범위(Span of small to large acceleration amplitude)입니다. 이는 진동의 가속도가 될 수 있고 음향(Sound)에서는 음압이 될 수도 있습니다. 

 

Analog to Digital Converter에서는 아래와 같이 비트로 Dynamic Range를 표현 합니다. 

 

 

단위는 dB(데시벨)로 표현 합니다.

 

 

 

 

 

진동 시험기 시스템에서의 Dynamic Range

 

 

 

위 그림과 같이 진동 시험기는 제어기(Controller)가 Drive 신호를 증폭기(Amplifier)로 전달하면 증폭된 신호가 Shaker를 통해 진동으로 변환 됩니다. 해당 진동 값은 가속도 센서(Accelerometer)에서 읽혀져서 Control 신호로 다시 제어기로 들어가게 됩니다. 

 

제어기의 궁극적인 목표는 Control 신호와 Drive 신호를 동일하게 맞추는데 있습니다. 위 그림과 같이 Dynamic Range는 단순히 Controller의 Dynamic Range에 의해 결정되지 않습니다. 시스템 전체의 파트와 구성에 따라 Dynamic Range 값이 변하게 되는 것입니다. 

 

 

 

 

가속도 센서 Dynamic Range와 SNR

앞서 Dynamic Range란 신호가 낼수 있는 최대와 최소의 비라고 하였습니다. 여기서 최소 값은 노이즈 바닦층(Noise floor)를 의미 합니다. 결국 Dynamic Range란 Signal to Noise Ratio(SNR)을 dB로 표현한 식인 것입니다. 

 

일반적으로 Noise Floor는 RMS(Root mean square)로 표현 합니다. 위 그림은 100mV/g 가속도 센서입니다. 전체 범위는 -50~+50g의 값을 가지고 Noise Floor는 0.0001grms(1~10kHz)를 가집니다. 

 

Noise Floor를 Flat 하다고 가정을 하고 사인 파형의 Grms를 구하면 0.707x50Gpk = 35.4Grms를 구할 수 있습니다. 그리고 SNR은 35.4/0.0001=354000이고 약 111dB(=20log(354000))의 Dynamic Range가 나옵니다. 

 

 

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