계측 story

계측데이터 노이즈 제거 수단 - PC Low-High Pass Filter

2021-04-01
조회수 7787


계측장비에 노이즈를 제거하기 위한 수단으로 이러한 필터 기능이 내장 되어있습니다.


GL840의 경우 고사양의 장비가 아니기 때문에 이동평균 필터가 사용되었는데요.

GL980이나 GL2000의 경우는 앞서 말씀드린 low pass filter가 내장되어 있습니다.


계측장비에 필연적으로 존재하는 노이즈를 제거하기 위해 "필터"라는 기능이 내장 되어있습니다.


이해를 돕기 위해 GRAPHTEC의 GL Series 제품들을 예시로 설명 하겠습니다.

GL840의 경우 고사양의 장비가 아니기 때문에 이동평균 필터가 사용되었는데요.

GL980이나 GL2000의 경우는 앞서 말씀드린 low pass filter가 내장되어 있습니다.

<GL980 datasheet 中>

<GL980 datasheet 中>

                                              <GL980 datasheet 中>


필터 동작 원리

그러면 이러한 필터들은 어떠한 원리로 동작할까요?

우선 이 필터들은 RC 회로로 구성되어 있습니다. 

Resistor - Capacitor로써 저항과 캐패시터로 구성된 회로입니다. 

이름 그래도 저주파를 통과시키는 'Low pass filter', 

고주파를 통과시키는 'High pass filter'로 구분할 수 있습니다.



<이미지 출처 : https://blog.naver.com/lagrange0115/220659006305>

            <이미지 출처 : https://blog.naver.com/lagrange0115/220659006305>


왼쪽이 Low Pass, 오른쪽이 High Pass filter로 가장 일반적인 회로도입니다.


주파수는 저주파부터 고주파까지 다양한 대역이 존재하고 

각자 사용자가 필요한 대역을 통과시키는 역할을 수행하게 됩니다. 

계측기에서 low-pass 필터가 들어간 이유는 고주파에 대한 노이즈는 불필요하기 때문에 있는 것이지요.


이 원리를 설명하는 데는 수학적인 공식이 필요하나 여기서는 그것에 대한 설명은 하지 않겠습니다. 

복잡한 공식보다는 말로 쉽게 설명해 드리겠습니다.

왼쪽이 Low Pass, 오른쪽이 High Pass filter로 가장 일반적인 회로도입니다.


주파수는 저주파부터 고주파까지 다양한 대역이 존재하고 

각자 사용자가 필요한 대역을 통과시키는 역할을 수행하게 됩니다. 

계측기에서 low-pass 필터가 들어간 이유는 고주파에 대한 노이즈는 불필요하기 때문입니다.


이 원리를 설명하는 데는 수학적인 공식이 필요하나 여기서 그것에 대한 설명은 하지 않겠습니다. 

복잡한 공식보다는 말로 쉽게 설명해 드리겠습니다.

Low-pass filter

여기서 R은 저항, C는 캐패시터입니다. 

해당 필터는 low pass filter이므로 저주파를 통과시키고 고주파를 제거하는 역할을 수행합니다.  

여기서 캐패시터의 역할이 중요하게 되는데요. 캐패시터는 직류는 통과하지 못하고 

교류는 통과시킬 수 있는 특성이 있습니다. 

이 말은 즉 직류에 가까운 파형(주파수가 낮을수록) 캐패시터 임피던스가 증가하여 통과하기 힘들고, 

교류에 가까운 파형(주파수가 높을수록) 캐패시터 임피던스가 낮아져 통과를 할 수 있게 됩니다.

여기서 R는 저항, C는 캐패시터입니다. 

해당 필터는 low pass filter이므로 저주파를 통과시키고 고주파를 제거하는 역할을 수행합니다.  

여기서 캐패시터의 역할이 중요하게 되는데요. 캐패시터는 직류는 통과하지 못하고 

교류는 통과시킬 수 있는 특성이 있습니다. 

이 말은 즉 직류에 가까운 파형(주파수가 낮을수록) 캐패시터 임피던스가 증가하여 통과하기 힘들고, 

교류에 가까운 파형(주파수가 높을수록) 캐패시터 임피던스가 낮아져 통과를 할 수 있게 됩니다.



다음 그림과 같이 저주파는 C를 통과하지 못하여 그대로 아웃풋 출력으로 나가고 

고주파는 캐패시턴스의 저항을 낮추기 때문에 통과가 되어 Ground로 빠지게 되는 원리입니다.

 

High pass filter

다음 그림과 같이 저주파는 C를 통과하지 못하여 그대로 아웃풋 출력으로 나가고 

고주파는 캐패시턴스의 저항을 낮추기 때문에 통과가 되어 Ground로 빠지게 되는 원리입니다.

 

High pass filter로 좀 더 자세한 설명해드리겠습니다.


마찬가지로 캐패시터가 고주파만 통과시키기에 최초에 저주파는 

바로 필터링이 되고 고주파만 이동하게 됩니다. 

앞서 말씀드렸듯이 캐패시터의 임피던스 값이 고주파 성분은 적어지고 

저주파 성분은 높아지게 되는데 임피던스에 대한 공식으로 간단히 설명드릴 수 있습니다.


임피던스 = 1 / 2π fC (f : 진동수, C : 캐패시터 용량)으로 표현이 되는데 

임피던스가 커지려면 진동수, 즉 주파수가 적어져야 하는 것을 확인할 수 있습니다. 

따라서 고주파가 흐른다는 것은 임피던스가 낮아진다는 것이고 

저주파가 흘렀다는 것은 임피던스가 높은 것으로 볼 수 있습니다.


마찬가지로 캐패시터가 고주파만 통과시키기에 최초에 저주파는 

바로 필터링이 되고 고주파만 이동하게 됩니다. 

앞서 말씀드렸듯이 캐패시터의 임피던스 값이 고주파 성분은 적어지고 

저주파 성분은 높아지게 되는데 임피던스에 대한 공식으로 간단히 설명드릴 수 있습니다.


임피던스 = 1 / 2π fC(f : 진동수, C : 캐패시터 용량)으로 표현이 되는데 

임피던스가 커지려면 진동수, 즉 주파수가 적어져야 하는 것을 확인할 수 있습니다. 

따라서 고주파가 흐른다는 것은 임피던스가 낮아진다는 것이고 

저주파가 흘렀다는 것은 임피던스가 높은 것으로 볼 수 있습니

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