전기전자

ADC 측정 오차: 분압 저항과 샘플링 시간

분압 비율이 맞는데 ADC 값이 달라진다면? 입력 임피던스, 샘플링 시간, RC 필터와 채널 전환을 함께 검토하는 방법을 계산 예시로 설명합니다.

나로시스템 · 설계 노트2026-11-085분 읽기

멀티미터로 확인한 전압은 맞는데 MCU가 읽은 값은 다를 때가 있습니다. 분압 저항의 비율만 확인하면 놓치기 쉬운 원인이 ADC 입력의 정착 시간입니다. 배터리 전압이나 센서 출력을 측정하는 제품에서는 회로의 출력 임피던스와 펌웨어의 샘플링 설정을 한 묶음으로 검토해야 합니다.

1. ADC 입력은 저항이 무한대인 전압계가 아닙니다

많은 MCU의 SAR ADC는 샘플링 스위치를 통해 내부 커패시터에 입력 전압을 획득한 뒤 변환합니다. ST의 AN2834는 입력 소스 저항과 내부 스위치 저항이 커패시터의 충전 시간에 영향을 준다고 설명합니다. 샘플링 구간이 짧으면 입력이 충분히 정착하기 전에 값이 결정되어 추가 오차가 생길 수 있습니다.

여기서 샘플링 시간은 입력을 획득하는 구간이고, 샘플 주기는 다음 결과를 얻기까지 반복되는 시간입니다. 측정을 1초에 한 번만 하더라도 실제 획득 구간을 짧게 설정하면 문제가 남을 수 있습니다. 정확한 타이밍은 사용하는 MCU의 ADC 동작 모드와 매뉴얼을 확인해야 합니다.

2. 같은 분압 비율이라도 ADC가 보는 저항은 다릅니다

다음은 이상적인 10 V 전압원에 상단 저항 R1과 하단 저항 R2를 연결하고 중간 노드를 측정하는 계산 예입니다. 입력 과전압 보호나 실제 부품 오차를 포함한 완성 회로가 아닙니다.

무부하 출력은 Vout = Vin × R2 / (R1 + R2)입니다. 이상적인 전압원일 때 분압기의 등가 출력 저항은 Rth = R1 × R2 / (R1 + R2)이고, 분압기에 계속 흐르는 전류는 I = Vin / (R1 + R2)입니다.

검토 항목	예시 A	예시 B
상단 R1 / 하단 R2	30 kΩ / 10 kΩ	300 kΩ / 100 kΩ
10 V 입력 시 무부하 출력	2.5 V	2.5 V
등가 출력 저항 Rth	7.5 kΩ	75 kΩ
분압기에 흐르는 전류	250 µA	25 µA

두 회로의 비율은 같지만 B는 전류를 줄이는 대신 출력 저항이 10배 커집니다. 따라서 같은 ADC 설정으로 동일한 결과를 얻는다고 단정할 수 없습니다. 실제 소스의 출력 저항, 추가 직렬 저항, 입력 누설과 보호 소자의 영향도 포함해야 합니다. 표의 저항값이 특정 MCU에 적합하다는 의미는 아닙니다.

3. 먼저 샘플링 시간을 검토하고 처리량을 다시 계산합니다

ST의 STM32G4 권고 자료는 높은 소스 임피던스에 더 긴 샘플링 시간이 필요하며, 그만큼 최대 데이터 속도가 줄어드는 관계를 설명합니다. 선택한 칩의 데이터시트에서 허용 입력 저항과 샘플링 조건을 확인하고 ADC 클럭을 기준으로 실제 시간을 계산하십시오.

예를 들어 가상의 설정이 ADC 클럭 20 MHz, 획득 구간 40클럭이라면 획득 시간은 40 / 20 MHz = 2 µs입니다. 이 숫자는 계산 방법을 보여주기 위한 것이며 실제 MCU에 40클럭 선택지가 있거나 2 µs면 충분하다는 뜻이 아닙니다. 전체 측정 주기에는 변환 구간과 채널 수, 오버샘플링 및 트리거 조건도 반영해야 합니다.

개발 중에는 허용된 범위에서 샘플링 시간을 늘려 평균값이 달라지는지 비교할 수 있습니다. 값이 바뀐다면 입력 정착 부족을 조사할 근거가 되지만, 그것만으로 원인이 확정되지는 않습니다. 기준전압과 전원 상태, 입력 범위, 보정 절차도 함께 확인하십시오.

4. 커패시터와 버퍼는 서로 다른 절충을 만듭니다

Analog Devices의 SAR ADC 입력 설계 자료는 RC 필터가 광대역 잡음을 줄이고 샘플링 순간의 전하 요구를 완화할 수 있지만, 지나친 대역 제한은 정착을 늦출 수 있다고 설명합니다. 따라서 ADC 핀에 커패시터를 크게 추가하는 것만으로 문제를 해결하려 해서는 안 됩니다.

앞의 분압기에 외부 10 nF를 연결한 단순 1차 회로만 생각하면 Rth × C는 A에서 75 µs, B에서 750 µs입니다. 이는 외부 노드의 시정수이며 ADC 내부 획득 시간과 같지 않습니다. 입력이 변하거나 분압 전원을 켠 직후에는 이 노드가 안정될 시간도 필요합니다. 내부 샘플링 회로까지 포함한 설계에는 해당 칩의 모델과 조건을 사용합니다.

버퍼 증폭기를 추가하면 ADC를 구동하는 임피던스를 낮출 수 있습니다. 다만 입력 공통모드 범위, 출력 스윙, 정착 시간, 용량성 부하 안정성, 오프셋과 소비전류를 함께 검토해야 합니다. 느린 배터리 측정에는 긴 획득 시간과 대기 시간이 합리적일 수 있고, 빠른 다채널 측정에는 저항값 조정이나 적절한 버퍼가 필요할 수 있습니다.

5. 채널 전환과 평균화는 별도로 확인합니다

Microchip의 PIC16F181 계열 문서는 채널을 선택하거나 변경한 뒤 변환 전에 획득 시간을 확보하도록 명시합니다. 이 원리는 다채널 입력을 검토할 때 유용하지만, 문서에 제시된 허용 저항이나 시간 수치를 다른 MCU에 그대로 옮기면 안 됩니다.

개발 시험에서는 낮은 전압과 높은 전압 채널을 번갈아 읽는 경우, 한 채널만 읽는 경우, 스캔 순서를 바꾼 경우를 비교해 보십시오. 첫 변환을 버리는 방법도 칩과 운전 조건에서 효과를 확인한 뒤 적용해야 합니다. 평균화는 변동을 줄일 수 있지만, 매번 덜 정착된 값을 읽는 편향까지 자동으로 없애지는 못합니다.