오늘 설명드릴 내용으로는 바로 Single ended와 differential 이라는 내용입니다.

전체적으로 설명 드리고 이 둘의 차이점까지 같이 확인 해 보겠습니다.

전달 드리는 내용은 특정 분야에 국한된 것이 아니고

여러 분야에서 알아두면 좋은 내용이니 업무에 도움이 많이 되셨음 좋겠습니다.

이 내용은 데이터 신호 처리 이해에 있어서 기본이 되는 내용 중 하나 입니다.

오늘의 주제인 Single ended와 differential 의 차이는 송 수신 간에 전기적 도선 구성에 의한 구분으로 나뉘어집니다.

여러분, 전압이라는 것을 알고 계시나요? 전압은 우리가 흔하게 접하는 것입니다.

지금 바로 옆에만 봐도 콘센트가 있고 거기에 전압이 흐르고 있죠.

이 전압은 어떻게 판명을 할까요? 이 말뜻은 '전기의 압력' 이라는 것과 같습니다.

그러면 압력은 뭘까요?? 압력이라 함은 사전적으로는 단위 면적당 받는 힘으로 생각할 수 있습니다.

모든 자연은 힘의 균형이 한 쪽으로 쏠려 있으면 이 힘을 맞추려고 노력합니다.

그 예로는 열역학 0법칙이 있고, 또 제가 설명하려던 압력의 의미와도 상통합니다.

제가 설명하려던 압력의 정의는 높은 힘에서 낮은 힘으로 이동할 때의 힘입니다.

하나의 예를 들어볼까요?

우리가 지하철 역에서 지하철을 기다리고 있다고 가정해 봅시다.

열차가 들어올 때 무슨 현상이 일어나나요?

갑자기 계단을 통해서 바람이 엄청나게 들어옵니다.

해당 현상은 일정하게 유지되고 있던 기압이 순간 빠른 속도로

큰 부피를 가진 물체가 들어와 기압이 줄어 들면서 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것입니다.

이 역시 '기압' 이라는 압력의 힘인 것이죠.

그럼 다시 본론으로 돌아와서 전압을 한번 볼까요?

여기 정말 간단한 회로가 있습니다.

사진에는 표시가 되어 있지 않지만 V=IR 옴의 법칙을 통해 전류는 2A가 흐른다는 것을 알 수 있습니다.

직렬 회로에서 흐르는 전류의 양은 동일하고

총 전압의 합은 각 저항에 걸리는 전압의 합과 같으니 2Ω에서 4V, 4Ω에서 8V임을 알 수 있습니다.

그래서 총 12V가 나오게 되지요.

여기서 우리는 필요한 경우 간단하게 멀티 테스터기나 데이터 측정 장치를 통해서

전압을 측정 합니다. 전압을 측정할 때 +와 -를 찍게 되는데요. 여기서 +와 -를 찍는다는 의미가 뭘까요?

한 마디로 +에는 실제 전압의 힘이 있고, -는 0V, 즉 그라운드입니다.

+에 전압의 힘이 있으니 신호선에서 신호가 실려있다고 보면 되겠죠?

따라서 +와 -를 찍는 다는 것은 위 회로를 예로 들면 12V에서 0V 차이를 찍는 것입니다.

12V - 0V = 12V 이렇게 나타내어지는 것이지요.

그래서 만약 멀티미터 극성을 바꿔서 찍으면 부호가 반대로 나옵니다.

그 이유는 0V - 12V 이기 때문이죠. 즉 신호는 +에서 -까지의 '전위차' 인 것으로 이해하면 됩니다.

여기까지 이해가 되셨나요?? 그럼 이제 본 주제로 넘어가도록 하겠습니다!

Single ended 와 Differential의 차이를 이제부터 알아볼건데요. 

다른 곳에비해 보다 쉽게 설명하기 위해 초점을 맞춰보았습니다!

Single ended는 단일 종단 방식이라고 하는데 공통모드(common-mode)라고도 합니다.

가장 일반적인 신호 처리 시 사용되는 내용입니다.

이 신호처리 방식은 이름에 답이 나와있습니다. 싱글엔드 => 한쪽으로 끝난다.

공통모드 => 공통으로 사용한다. 이 말뜻이 뭘까요?

해답은 바로 앞서 설명 드렸던 그라운드에 있습니다.

이 신호 방식은 그라운드를 공통(common)으로 쓰며

그 때문에 수 많은 +신호를 계측하기 위한 그라운드가 한 곳으로 (single end)

다 모이는 것입니다!

가장 대표적으로 쓰이는 Single ended 신호 방식은 RS-232 통신이 있습니다.

단일 종단 방식은 가장은 가장 전통적인 2개의 도선 신호 전송 방식입니다.

신호가 실리는 한 개의 도선과 접지 역할을 하는 한 개의 도선으로 신호를 주고 받습니다.

그리고 신호는 접지를 기준으로 측정된 + / - 값으로 판단하게 됩니다.

그리고 여러 개의 신호들이 이 그라운드를 공유하여 사용할 수 있는 것이죠.

따라서 보통 단일 종단 방식은 n개의 신호를 보낼 때 n+1개의 전송선이 필요하다 합니다. 다 이해되셨죠?ㅎㅎ

그렇다면 장점은 무엇이 있을까요??

단일 종단 방식은 그라운드를 공유한다는 방식으로 인해 경제적으로 저렴합니다.

당연히 하나하나 따로 있는거보다 하나로 동일 효과를 내면 경제적인게 당연하겠죠?

그리고 당연히 배선상에서 유리한 점을 가지게 됩니다.

당연히 복잡한 여러가닥보다는 마감이 같은 곳으로 모이는 게 깔끔하죠?

하지만 여러 신호선의 그라운드를 공유하다보니 노이즈에 취약해질 수 밖에 없답니다.

이게 가장 큰 단점으로 꼽히죠.

그럼 Differential은 뭘까요?? 차동신호라고도 불리는 이 방식은 역시 이름에 답이 있습니다.

앞에 설명드린 단일 종단 신호의 경우

다음과 같은 신호를 받을 때 일정한 레벨의 그라운드 제공을 위해 GND 신호를 같이 보내게 됩니다.

따라서 정확히 0V를 판별하여 정확한 신호를 판독해내죠.

차동신호 같은 경우 간단히 얘기해드리자면 단일 종단과는 다르게 각 신호마다

마이너스 신호선이 따로 있다고 생각하셔도 무방합니다.

그리고 그 신호는 그 두 도선간의 차이(differential)로 확인하게 되죠.

Vdiff=VA(t)−VB(t)

차동신호는 주파수와 진폭이 같으나 위상이 반대인 신호를 보내 확인합니다.

그래서 차동신호는 신호를 전송하는데 필요한 라인을 2n 개로 정의하고 있습니다.

이 방식을 쓰는 이유는 무엇일까요??

눈치 빠르신 분들은 알아차리셨겠죠??바로 노이즈에 강하다는 것입니다.

보시는 것처럼 신호는 위상이 반대지만 노이즈의 경우 동일상으로 들어오기 떄문에

차동이 일어나는 과정에서 노이즈가 제거되게 됩니다.

그러면 단점은 무엇일까요?? 마찬가지로 그 반대인 비용적인 측면입니다.

단일 종단 방식에 비해 각 신호마다 차동 신호를 주는 선을 만들어야 하며

배선도 상대적으로 어렵고 공간 면에서의 활용성도 떨어지게 되는 것이죠.

이렇게 설명은 모두 마쳤는데요! 이 내용을 저희 제품을 통해서 한번 확인 해 볼까요?

Druck에서 취급하고 있는 UNIK5000 압력 센서입니다.

사용자가 커스터마이징 하여 쓸 수 있는 아주 효율적인 센서인데요.

커스텀 항목 중 입 출력 선을 정하는 것도 있습니다.

이렇게 3선식, 4선식을 정할 수 있습니다.

앞에 설명을 잘 들으셨다면 바로 이해하실 수 있을거에요.

3선식은 그라운드를 전원과 신호선이 공통으로 쓰는 방식, 4선식은 전원과 신호선이 각각 있는 것입니다.

아까 단일 종단 신호는 n+1이라고 했으니 n은 여기서 전원, 신호이니 3선이 되는 것이고

차동신호는 2n이므로 4선이 되는 것을 확인할 수 있습니다.

혹시 해당 센서가 궁금하시면 검교정기 블로그도 한번 방문해주세요 ^^

https://blog.naver.com/kostech6704

그럼 또 다른 장비로 알아볼까요?

이 장비는 Hi-Techniques 사의 FreeStyle이라는 장비입니다.

간단히 소개드리자면 강력한 내구성 및 SAR 방식의 24-bit ADC로 우월한 데이터 수집을 자랑하는 제품입니다.

총 8개의 채널로 구성되어 있는 FreeStyle은 각 채널마다 신호를 받을 수 있는 데요. 그 옵션을 보면

다음과 같이 일반 DC와 Diff DC로 나눠져 있는 것을 확인할 수 있어요.

즉 프리스타일은 단일 종단 신호 및 차동신호에 대해 각자의 앰프를 제공하여

더 정확하게 측정할 수 있다는 것입니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

#참고 사이트

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?nav=2&no=6247&sh=%EC%B0%A8%EB%8F%99+%EC%8B%A0%ED%98%B8

http://audio-engineer-lounge.blogspot.com/2015/02/single-ended-signalling-differential.html