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$2.97짜리 ADC, 얼마나 나쁠까?

 (excamera.substack.com)
1P by GN⁺ 4일전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • 저가형 ADS1115 ADC 모듈은 공식 스펙과 거의 동일한 기능 제공임
  • 프로그래머블 게인 증폭기 기능으로 미세 전압 구간에서도 높은 측정 정밀도 구현
  • 일부 저가 보드에서 측정 속도와 정확도에 오차 발생 사례 확인됨
  • 간단한 보정 알고리듬 적용 시 상당히 정밀한 결과 도출 가능함
  • 값싼 파트가 공정상의 불량 혹은 카피품일 가능성 있으나, 기본 사용에는 큰 무리가 없음

저가형 ADS1115 ADC의 실제 성능 실험

개요

  • 임베디드 작업에서는 보통 마이크로컨트롤러에 내장된 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 사용함
  • 내장 ADC는 저렴하고 빠르나 실제 측정 비트수(ENOB)는 8~9비트 수준임
  • 최근에 Texas Instruments(TI) 의 ADS1115 모듈 테스트를 진행함
  • ADS1115는 최대 16비트의 정확도를 제공하는 외장 ADC임

ADS1115의 주요 특징

  • 다이나믹 레인지 확장 기능으로 작은 전압 측정 시 최대 20배 더 세밀하게 측정 가능함
  • 프로그래머블 게인 앰프(PGA) 를 통해 전체 측정 범위를 ±6.144 V에서 ±0.256 V까지 조정 가능함
    • 최소 LSB가 약 7.8 μV(0.256 V ÷ 32768)로 매우 미세한 변화도 인식 가능함
    • 기존 마이크로컨트롤러 내장 ADC(3.3V 기준, 9 ENOB)의 한 단계가 약 6mV인 것에 비해 월등히 높은 분해능임
  • 내부 전압 레퍼런스 사용으로 RP2040처럼 외부 아날로그 레퍼런스가 필요한 MCU 대비 장점이 있음

가격 이슈 및 테스트 환경

  • ADS1115는 수량 1,000개 기준 Digikey에서는 약 $4, LCSC에서는 $0.60으로 가격 편차가 큼
  • Amazon에서 개당 $2.97짜리 ADS1115 브레이크아웃 보드 구매함(아마도 $0.60짜리 부품 사용 예상)
  • Adafruit의 고가(정품) 보드도 추가 구매하여 비교 테스트 예정임

실제 테스트 과정

  • I²CMini와 정밀 DC 전압 소스를 이용해 저가 보드를 테스트함

  • 주요 점검 포인트:

    • 스펙 그대로 동작하는지
    • 혹은 더 저렴한 타 부품이 ADS1115로 오인되어 판매되는지 확인

  • 테스트 결과

    • 기초 동작 및 16비트 출력, 프로그래머블 게인 앰프, 다양한 샘플링 속도 등 TI 데이터시트와 대체로 일치함
    • Differential mode에서 입력을 연결했을 때는 항상 0 측정, 2.5V 입력 시 정확하게 측정, 극성 반대 적용 시 반대값 출력 등 기본 동작 문제 없음

측정 정확도와 오차

  • Data Rate(샘플링 속도) : TI 스펙상 ±10% 이내 편차 허용
    • 8 SPS 모드에서 세 개 보드는 6.5~7 SPS로 약간 느리게 동작
    • 한 개 보드는 300 SPS로 완전히 잘못된 타이밍으로 작동, 그 이후 테스트 제외
  • 정밀 전압(2.50067V) 측정 시 2.4883V로 출력, 약 12mV/0.5% 오차 발생(TI 공식 스펙보다 큼)
  • 마이크로컨트롤러에서 간단한 선형 보정 알고리듬 적용 시 오차가 10 μV 이내로 개선됨

결론

  • 불량품 또는 정품 대비 사양 미달 부품이 저가 취미용 유통망에 흘러 들어온 것으로 추정됨
  • 기본적으로 상당히 정밀한 측정이 가능하고, 소프트웨어적 보정만 해주면 실사용에 큰 문제 없음
  • 정품 고가격 보드는 추가로 입수 후 동일 조건에서 재테스트 예정임

마무리

  • 저가형 ADS1115는 꽤 두드러진 가격 대비 효율 제공
  • 하드웨어/펌웨어 레벨에서 간단한 보정만 추가한다면 실질적인 정확도 확보 가능
  • 불량 이슈 등 확인 위해 구입처 및 품질 관리 유의 필요
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GN⁺ 4일전  [-]
Hacker News 의견

  • 저가형과 정품 부품을 모두 고운 사포로 갈아서 이소프로필로 세척한 후 광학 현미경 아래에 두면 비교가 쉬움, 식별 가능한 마킹이나 금속 레이어까지 가지 않아도 칩 다이의 구조적 유사성과 차이를 바로 파악할 수 있음, 클론 부품은 대개 기술 노드, 아키텍처, 칩 크기 등에서 큰 차이를 보임, 주로 기능만 흉내 내는 클론이기 때문임, 사포를 이용한 저기술 해체 방법을 추천하며 관련 이미지도 공유함 (이미지 1 / 이미지 2)

    • 나는 여러 번 이런 작업을 해본 경험이 있음, 주로 부품 출처 분쟁을 해결하기 위해 사용했음, 대부분의 에폭시 패키지는 끓는 황산/질산에 녹이면 금방 제거됨, 내 경험상 대부분은 단순 오라벨링, bin 변경, 또는 명백한 QC 불합격품의 위장은 종종 견본임, 몇 년 전 예시 영상도 있음 (영상 링크)

    • 꼭 클론이 아닐 수도 있음, 원 저자 말처럼 제조공정에서 기준 미달로 판정된 제품을 재포장해 일반 유통망에 내보내는 사례도 많음

    • 혹시 여기서 태그 기능이 있다면 Ken Shirriff가 딱 좋아할 만한 주제임, 그의 블로그(righto.com) 참고 추천함

  • "값이 싸고 상대적으로 빠르지만 썩 좋은 품질은 아님, 12/16비트 출력 사양도 실효 비트(ENOB)는 8~9 정도"라는 주장에 동의하지 않음, 최신 MCU라면 외부 기준 전압을 안정적으로 공급하고 칩 내 불필요한 서브시스템을 꺼두는 등 주의사항만 따르면 ENOB 10비트 이상 충분히 뽑아낼 수 있음, 물론 단일 ADC가 독립형 ADC만큼 좋은 성능은 아니나 90%의 ADC 요구에는 실제로 충분히 사용 가능함, 더 높은 비트가 필요하다면 설계에 더 많은 노력이 들어가야 하는데, 본문의 저자가 사용하는 전원공급장치나 MCU 노이즈, RFI 관리에 대한 언급이 없음, 이게 정말 스펙이 떨어지는 짝퉁 IC인지 아니면 실험 환경에 노이즈가 많았던 것인지 판단하기 어려움

    • GPIO 두 개를 1차 시그마-델타 토폴로지로 외부 저항 두 개, 커패시터 한 개, 히스테리시스 비활성화 상태로 구성하면 흥미로운 결과를 얻을 수 있음, RP2040과 LDO 전원 공급을 이용해 차동 측정(한 채널은 임계 노이즈만 추적)에 활용하면 1kHz에서 16 ENOB, DC에서는 더 높은 ENOB을 얻었음, 칩에서 주기적인 동작이 없도록 하는 게 매우 중요함, 예를 들어 무작위 간격으로 슬립을 사용해 스펙트럼을 흩트려야 하며, USB는 -100dB 이하 노이즈로 쓸 수 있었음, DC 정확도는 아직 테스트 안 해봤지만 비슷한 GPIO 채널 사용시 CC 라인 센싱이나 아날로그 조이스틱 등 비치명적·저정밀 용도로는 쓸 만함

    • 두 분의 의견이 다 맞을 수 있음, 원 저자는 저가 MCU만을 대표해 썼을 수 있고, 댓글 작성자는 보다 상위 MCU를 염두에 둔 것 같음, RP2350의 12비트 ADC는 스펙상 9.2 ENOB임, 다중 샘플을 decimate하면 더 높아질 수도 있으나, 스펙시트가 저자 주장의 근거임 (Raspberry Pi 공식 문서 링크), 더 저가 MCU인 CH32V003은 이보다도 나쁜 ADC 성능임, 반대로 STM32H7 시리즈처럼 16비트 ADC에서 13+ ENOB을 기록하는 MCU도 있음, 하지만 H7은 RP2350보다 10배 이상 비싸서 실험자들이 자주 다루진 않음 (STM32H7 ADC 애플리케이션 노트)

    • STM32F103 개발보드 몇 개를 Siglent SDM3055 멀티미터, Siglent SPD330X 파워 서플라이로 테스트함, 칩의 12비트 SAR ADC는 레이아웃 및 보드 설계의 영향이 컸음, 최악의 샘플도 10비트, 최선은 거의 12비트 효과를 확인함, 특별한 소프트웨어 조정 없이도 이 정도였으며, 통신이 구동될 때는 성능이 떨어지곤 했으나 그 외엔 특별한 잡음 영향이 없었음

    • (진짜) ADS1115를 프로젝트에 쓸 계획이었으나 결국 STM32g071로 선택함, 가격은 더 저렴했고 당시 더 쉽게 구할 수 있었으며 유연성도 뛰어났음, 최근 STM32g/h 시리즈 ADC는 옛날 f103 계열보다 하드웨어/소프트웨어 상의 위험요소가 확실히 적어졌음

    • "해당 문단에서 '마이크로컨트롤러의 ADC는 고정 3.3V 범위라 9 ENOB는 약 6mV 차이'라고 말하는데, 이건 모든 MCU에 독립 기준전압이 없는 것처럼 들림, 하지만 NXP를 포함해 내장 프로그래머블 기준전압을 지원하는 MCU도 많음"이라는 점을 짚고 싶었음

  • "저가 부품이란 대부분 뛰어난 복제본이거나, QC를 통과하지 못한 실패품이 유통망에 유입된 것이다"라는 의견에 대해, 내가 본 대다수의 위조칩은 고스트시프트(정식 근무 외 시간에 비밀 생산)에서 만들어진 케이스가 많았으나 TI는 모든 아날로그 제품을 내부에서 제조하므로 고스트시프트나 QC 불합격품일 확률이 낮다고 봄, 개인적으론 relabeled ADS1015일 가능성이 높다고 생각함

    • 내게 피해가 간 위조품(FDTI, STM32 클론 등)은 직접 복제한 짝퉁이 대부분이었음, 재고 과잉, 고스트시프트, 불량품 포장과는 달리 디지털·혼합 신호 분야에서 더 자주 겪는 듯함, 참고로 STM32 복제칩은 스택 다이 플래시가 있는데 플래시 공정이 불가해 따로 적층해서 만들었으니 패키지 샌딩 시 보딩 와이어가 한 세트 더 있음, 이 버스를 통해 읽기 보호 우회도 가능함

    • 글 작성자인데, 나 역시 ADS1015를 ADS1115로 오라벨링한 사례가 보고된 걸 알고 있음, 만약 ADS1015였다면 12비트로 출력이 끊겼겠지만, 내가 테스트한 부품들은 확실히 16비트 readout이 나왔음

  • ADC 분야의 이야기와 배경에 관심이 있음, 실제로는 느린 속도로만 써본 적 있음, MCP3208(SPI)로 시작해 8채널, 100K샘플/초로 썼는데 속도가 느려 더 빠른 ADC가 필요해 ADS7953으로 변경함, 16채널에 속도도 10배 빨라 확실히 성능이 뛰어났음, 다만 프로그래밍은 더 어렵고, 최고 속도는 입력을 정해진 순서로 스캔해야 가능함, 내게 이 칩들은 자동차처럼 느껴짐, ADS7953은 슈퍼카 같고 MCP3208은 심플한 도요타 같음, 각 ADC 칩들이 어떻게 시장에서 자리 잡았는지, 얼마나 많이 사용되고 있는지 등 산업적 역사도 궁금함

    • CERN에서 12비트 ADC가 수십 GHz 샘플링 속도를 내는 프로젝트를 본 적 있음, 비결은 다름 아닌 병렬 처리였음, MHz 급으로 동작하는 12비트 SAR 유닛을 여러 개 복제해서 대형 아날로그 멀티플렉서로 라운드 로빈 방식으로 신호를 분배함, 칩 면적이 엄청 많이 필요하지만 빠른 속도를 구현할 수 있었음, 이런 극단적 방법 말고도 플래시 ADC(플래시 ADC 위키)나 정밀을 위해 멀티슬로프 ADC(멀티슬로프 ADC 튜토리얼)도 사용됨, 역사와 뒷이야기도 궁금함

    • AD9226도 언급하고 싶음, 1채널이지만 12비트, 최대 65MSa/s 속도가 가능함, AliExpress에서 $12 정도에 구입해 아날로그 비디오 소프트웨어 디코딩 실험에 썼음, 나는 8비트, 20MSa/s 정도로 라즈베리파이 제로와 SMI 퍼리퍼럴로 쓸 때, 의외로 병목은 데이터 전송이었음, 참고로 해당 SMI 활용 법(iosoft.blog 링크)

    • 100K샘플/초 속도가 내 세상에선 엄청나게 빠른 축에 듦, 나는 PLC 프로그램에서 표준 2K샘플/초를 10K로 끌어올리는 작업이 실질적으로도 매우 높은 성능으로 여겨짐

    • 초고속 ADC는 마이크로컨트롤러로 직접 다루기엔 너무 까다로워서 주로 FPGA 영역임, FPGA로 ADC 데이터를 직접 받아 병렬 버스로 MCU가 쉽게 취급할 수 있게 변환해야 하고, 초고속 전송엔 많은 핀·수동 처리·DMA 필요성이 크기 때문에 현실적으로 어렵게 느껴짐

  • "12~16비트 ADC가 ENOB 8~9 정도"라는 주장과 달리, SACD에서 쓰인 1비트 변환 방식(초당 수백만 샘플)은 동적 범위 120dB, 대역폭 ~100kHz을 구현함, CD(16비트 PCM)는 96dB, 20kHz 범위임, 아날로그 하드웨어 복잡성 관점에서는 1비트/비트스트림 변환기가 훨씬 간단함, 16비트 ADC이 가격이 저렴한 것도 대량 생산 때문임, 실제로 비트 깊이를 샘플링 속도로 대체하는 방식은 꽤 매력적임, 3D 그래픽에서 SSAA가 더 많은 픽셀을 샘플링해 고주파 정보를 얻는 것과 비슷함 (1비트 DAC 위키, Direct Stream Digital 위키)

  • $3짜리 ADC는 싸지 않음, 진짜 저가 ADC는 저가 MCU에 내장된 것임, TI도 일부러 10/12비트로 제한된 AES/ADC를 저렴하게 파는데, 실제 선형성은 16비트 이상도 됨, 결함품과 양품 생산비 차이는 거의 없음, 반도체 공정이 같고 설계만 견실하다면 저가 ADC도 성능이 특별히 떨어지지 않음

  • LCSC가 TI 등에서 직접 대량 구매해 낮은 마진으로 판매해서 저렴할 수 있음, LCSC에서 클론 칩을 본 적이 있는데 대부분 브랜드명을 달리해서 판매함

    • LCSC에서 많은 부품을 주문해봤지만 커다란 문제를 겪은 적은 한 번도 없음

  • 낮은 가격이라고 꼭 품질이 떨어진다고 볼 순 없음, 고정밀 ADC는 높은 샘플 속도가 필요 없다면 신호처리 기술 덕에 구현이 쉽고, 델타-시그마나 램프형 ADC 방식은 패턴 홀드 회로와 단일 비트로도 고정밀 측정이 가능함, 다만 시간은 필요함, 16비트 100MHz 플래시 ADC를 원하면 집을 저당 잡아야 할 정도로 비싸질 수도 있음

  • 대부분의 기업은 지역별 가격 정책을 가짐, 예를 들어 내 Spotify 구독은 미국 대비 약 60% 가격임, 전자업계도 중국 전용 가격 리스트가 따로 있음, 참고로 서구권 공식 리스팅 가격은 최대 상한선에 불과하며, 실제로도 소규모 프로젝트여도 세일즈와 직접 접촉하면 할인가를 받을 수 있음

  • 실제로 $3짜리 ADC는 그리 저렴한 부품이 아니며, 제조 원가가 저렴한 국가들은 훨씬 더 싸게 구입 가능함, 결국 중요한 건 공장 테스트 시 제품이 제대로 동작하고, 제품별 테스트 리그가 제시한 조건만 통과하면 실제론 그걸로 충분함

    • 수십, 수백 개 부품이 모인 보드에선 $3 부품이 오히려 가장 비싼 품목 중 하나인 경우가 많음, 만약 완제품을 $20에 출고하려 한다면 이 차이는 매우 커짐, 또 제조사 데이터를 신뢰할 수 있다면 테스트 장비도 훨씬 단순·저렴하게 설계 가능함, 예를 들어 일부 샘플만 장기 내구성 테스트(열화상, 환경 챔버, 반복 입력 등)로 검사하고, TI에서 -40~+125도까지 보장한다면 대다수 경계 조건은 그대로 신뢰함, 모든 보드를 실시간 환경에서 100% 테스트할 순 없지만, 기판 내 테스트로라도 주요 기능을 한 번씩 다 켜 보는 게 중요함, 하지만 그 역시 실사양을 모두 직접 검증하는 건 아님
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