전하 주입 교정(CIC: Charge Injection Calibration)이란?
환경 소음 모니터링시 소음을 측정하기 위한 소음 측정용 센서인 마이크로폰(Microphone)와
신호처리장치(Data Acquisition Device)는 주로 중앙 모니터링 시스템에서 매우 먼 거리에 위치해 있습니다.
소음 센서인 마이크로폰(Microphone)의 경우 사람의 고막과 같은 역할은 하는 다이어프램(Diaphragm)은 물리적 또는 환경적인 요인으로 의해 쉽게 파손될 수 있습니다.
이때 전하 주입 교정(CIC)방법은 소음 모니터링 장치가 설치된 곳 까지 가지 않아도 원격으로 소음측정 센서인
마이크로폰을 손쉽게 점검할 수 있는 매우 유용한 기능으로 사용 될 수 있습니다.
그래서 오늘은 Brüel & Kjær사에서 발명한 이 기술을 포스팅 하겠습니다.
전하 주입 교정(CIC)은 90년대 중반에 Brüel & Kjær에서 발명 및 특허를 받았으며,
사용자가 별도의 특별한 조치를 하지 않고도 마이크폰의 카트리지를 포함한 콘덴서 마이크로폰의 측정 채널에 대한 무결성을 검증하는 편리한 방법입니다.
CIC는 기술적으로 '교정(Calibration)' 방법이 아니지만 이 기술은 마이크로폰 카트리지의 정전 용량Capacitance)과 연결된 프리앰프 및 측정 케이블의 변화를 측정하여 마이크로폰 채널의 상태를 파악합니다.
전하 주입 교정의 원리
CIC에서 신호는 마이크로폰 카트리지와 프리앰프 입력의 조합과 직렬로 프리앰프에 내장된 작고 매우 안정적인
캐패시터를 통해 전달되며 아래와 그림과 같이 도달하게 됩니다. (아래 그림 1 참조)
신호는 소형 커패시터와 마이크로폰 전치 증폭기 임피던스 사이에서 분할되어
마이크로폰 카트리지 캐패시턴스에 반비례 하는 출력으로 발생합니다.
마이크로폰 캐패시턴스의 모든 변화는 측정 채널의 출력 변화에 반영됩니다.
신호가 마이크크로폰 카트리지에 도달하게 되면 채널의 전기적인 부분의 변화도 출력에 반영됩니다.
신호가 꺼지면 캐패시터는 측정 채널의 속성에 거의 영향을 미치지 않으면서
마이크로폰의 전치 증폭기 입력 캐패시턴스에 약간의 영향을 주게 됩니다.
그림 1. CIC 회로. ½인치 마이크의 일반적인 값: Cm = 15pF, Cc = 0.2pF, Ci = 0.1pF 및 Ri = 15GΩ
CIC를 사용한 오류 감지
CIC를 사용하기 위해서는 CIC 신호에 대한 측정 채널의 응답을 기준으로 등록하고 채널 상태를 알고 있어야 합니다. 검증을 위해 신호가 적용되고 응답이 기준 응답과 비교됩니다. 차이가 없으면 채널이 양호한 상태임을 나타냅니다.
응답과 기준 응답과의 편차는 측정 채널에 결함이 있다는 것을 판단할 수 있습니다.
CIC로 감지할 수 있는 일반적인 결함에는 다이어프램 파손, 마이크로폰의 단락, 카트리지와 프리앰프 간의 접촉 오류, 케이블 파손 등이 있습니다.
아래 그래프 들은 마이크로폰의 정상 상태일때와 비정상 상태 일때의 응답을 비교한 것 입니다.
정상 상태일 때 마이크로폰 그래프(녹색: 입력 신호, 파란색: CIC 정상일때의 CIC 응답신호)
위의 그래프는 Pre-polarized 타입 마이크로폰이 정상 작동중일때의 상태를 나타낸 그래프 이며
결함 또는 고장이 없는 경우의 정상 상태 일때의 입력과 응답을 보여주는 그래프 입니다.
이러한 조건에서의 출력 데이터는 향후 점검을 위한 기준 신호로 사용 됩니다.
감소된 응답 신호(녹색: 입력 신호, 파란색: CIC 정상일때의 CIC 응답신호, 빨간색: 마이크로폰 다이어프램 손상)
위의 그래프는 손상된 Pre-polarized 타입 마이크로폰의 일반적인 패턴을 보여줍니다.
마이크로폰의 다이어프램이 접혀서 뒷판에 닿고 있는 상태 입니다.
그 결과 CIC 신호가 기준 신호에 비해 크게 감소하게 됩니다.
증가된 응답 신호녹색: 입력 신호, 파란색: CIC 정상일때의 CIC 응답신호, 빨간색: 마이크로폰 다이어프램 파손)
이 그래프는 손상된 Pre-polarized 타입 마이크로폰이 파손 또는 알수 없는 어떠한 이유로 기능을 상실하였을 경우의 전형적인 패턴을 보여주는 그래프 입니다.
그 결과 CIC 신호가 기준 신호에 비해 크게 증가하게 됩니다.
마이크로폰의 다이어프램(Diaphragm) 왼쪽이 정상 상태 일때, 오른쪽이 파손 상태일때의 모습
이 외에 다른 결함도 심각도에 따라 CIC로 감지될 수 있습니다.
다이어프램 장력이나 분극 전압의 변화는 마이크의 감도와 주파수 응답에 직접적인 영향을 미치지만
이러한 변화는 마이크로폰 카트리지 용량에 미치는 영향이 상대적으로 작습니다.
예를 들어, 일반적인 사운드 레벨 미터 마이크로폰의 의 다이어프램 장력이 2dB 변경되면 커패시턴스(따라서 CIC 신호)가 약 0.5dB만큼 변경됩니다.
CIC는 음향적인 검증을 대체할 수 없지만 CIC는 일상적 반복해야 하는 음향 교정의 업무 간격을 연장할 수 있습니다. 또한 CIC는 심각한 결함을 측정하는 데에는 데 탁월한 도구이지만 작은 감도 변화를 확인할 때는 제한적이며
마이크로폰의 주파수 응답을 확인하는 데는 훨씬 덜 효과적입니다.
안정적인 CIC 응답은 측정 채널이 올바르게 작동하고 있다는것을 판단할 수 있는 효과적인 기술 입니다.
CIC는 실제로 무엇인가?
CIC는 실제로 '교정(Calibration)' 방법이 아닙니다. CIC는 이름은 이것의 적용을 강조하기 위한 것으로 의도된 것 입니다. 오경보 및 마이크로폰 손상의 위험으로 인해 실외 마이크에 정전기 액추에이터를 사용하는 것을 방지하기 위해 삽입 전압 프리앰프를 사용하여 채널의 전기 부분을 확인했습니다.
이러한 전치 증폭기는 일반적으로 개방 회로 감도 마이크로폰 교정에 사용됩니다.
이 방법을 삽입 전압 교정(IVC-Insert Voltage Calibration)라고 합니다.
나중에 마이크로폰 커패시턴스가 검사에 포함되어 초기 IVC 방식에 비해 채널 검사가 한 단계 발전 하였으며
이 한단계 발전된 부분을 강조하기 위해 IVC는 CIC가 되었습니다.
출처: Brüel & Kjær사 홈페이지