센서(sensor)를 조립하기 전에 알려진 신호로 증폭 경로를 검사합니다

어느 조립 단계에서 무엇을 검사할까요?

PIR 센서(Passive Infrared sensor)는 주변 적외선의 변화를 감지하는 센서입니다. 현장의 움직임과 온도에 따라 출력이 달라져 생산 라인에서 같은 시험 입력을 반복하기 어렵습니다. 사례의 기판에는 필요한 주파수대의 작은 신호를 키우는 두 단계의 대역통과 증폭기(band-pass amplifier), 소프트웨어 명령으로 저항값을 바꾸는 디지털 가변저항(digital rheostat), 출력의 직류 중심을 읽는 느린 필터가 있습니다. 이 기판에서 가변저항을 조절하면 두 번째 증폭단이 통과시키는 저주파 경계와 전체 증폭 정도가 함께 달라집니다.

기판 수준 검사(Board-Level Test, BLT)는 센서를 붙이기 전에 전원, 제어기, 증폭 경로와 각 부품의 납땜 상태를 살펴봅니다. 반면 완성품 수준 검사(System-Level Test, SLT)는 센서와 외부 연결부를 조립한 다음 실제 입력에서 시스템이 동작하는지 확인합니다. 베어 기판에서는 이동식 검사침으로 회로망을 차례로 접촉하는 플라잉 프로브 검사(Flying Probe Test, FPT) 등으로 배선의 개방·단락을 찾을 수 있습니다. 베어 기판 검사, 조립된 기판의 BLT, 완성품의 SLT는 서로 시험 대상이 다릅니다. BLT 통과만으로 아직 조립하지 않은 센서나 버튼·잭 연결부가 정상이라고 판단해서는 안 됩니다.

생산 지그는 작업자에게 최종 통과·실패를 바로 보여 주고, 같은 기판을 나중에 다시 조사할 수 있도록 단계별 결과와 오류 내용을 로그에 남깁니다. 작업자는 이 표시로 다음 작업을 결정하고, 기술자는 상세 로그에서 마지막으로 통과한 단계와 실패한 검사를 구분합니다.

지그의 전원·접점·시험 입력을 먼저 확인합니다

지그(jig)는 기판을 일정한 위치에 고정하고 시험 신호와 측정선을 반복해 연결하는 장치입니다. 포고 핀(pogo pin)은 눌리면서 접촉하는 스프링 핀이므로, 잘못 닿으면 회로 고장과 비슷한 증상이 납니다. 사례에서는 AA 전지 두 개를 직렬로 연결해 기판에 전원을 공급했습니다. 기판의 P1 포고 접점 배열에는 SWD(Serial Wire Debug) 기록 신호, UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 송수신 신호, 전원 전압 참조와 접지가 함께 배치돼 있습니다. SWD는 제어기 프로그램을 기록·디버그할 때 쓰는 연결이고, UART는 시험 로그를 받는 직렬 통신입니다. P1을 쓰는 기록·로그 경로는 시험 파형을 주입하는 입력과 구분해야 합니다. 다른 기판에 지그를 옮길 때는 정격 전압, 극성, 공통 접지, 각 접점의 신호와 허용 전류를 먼저 확인합니다.

검사 펌웨어(test firmware)는 기판의 각 회로를 차례로 작동시키고 통과 여부를 기록하는 임시 프로그램입니다. 센서를 조립하지 않은 상태에서, 센서 출력이 들어갈 증폭기 입력점에 신호 발생기를 연결합니다. 사례의 입력은 주파수 10 Hz, 진폭 2 mV 피크 대 피크(peak-to-peak), 직류 오프셋(DC offset) 900 mV인 사인파였습니다. 피크 대 피크는 파형의 최댓값과 최솟값 차이이므로, 이상적인 입력은 899~901 mV 사이를 오갑니다. 900 mV는 그 회로의 입력 바이어스(input bias), 곧 교류 신호가 흔들리는 직류 기준에 맞춘 값이지 범용 PIR 센서 규격이 아닙니다.

이 설계에서는 P1과 별도로 제조시험용 2핀 커넥터 J2가 있습니다. J2의 1번은 센서 출력 신호선(PIR_OUT), 2번은 접지(GND)입니다. 이 기판에서 J2로 시험 파형을 넣으려면 실제 기판의 핀 1 표시와 개정을 먼저 확인하고, 발생기 출력선과 접지선을 각각 1번과 2번에 연결합니다. 이 핀 배치를 다른 기판에 그대로 적용해서는 안 됩니다.

신호 발생기 설정 화면만 믿지 말고 J2의 1번 접점에 들어온 파형을 2번 접지 기준으로 직접 확인합니다. 발생기의 출력 부하 설정과 입력 임피던스(input impedance), 즉 회로 입력이 교류 신호에 보이는 부하에 따라 실제 진폭이 달라질 수 있습니다. 센서 출력과 발생기 출력을 동시에 연결하면 서로를 구동할 수 있으므로, 센서를 아직 조립하지 않았거나 회로가 정한 방식으로 센서 경로를 분리한 상태에서 시험합니다.

전원 연결부터 신호 판정까지 일곱 확인 순서

출력의 크기와 방향을 판정하려면 시험 전에 회로의 기대값을 계산해 둡니다. 원리를 보기 위한 별도의 이상적 연산증폭기 계산 예시로, 음의 되먹임이 정상으로 작동하고 기준 전압이 0 V라고 가정합니다. 비반전 입력을 0 V에 둔 반전 연결에서 입력 저항이 100 Ω, 출력에서 반전 입력으로 돌아오는 되먹임 저항이 500 Ω이면, 1 V 입력의 기대 출력은 Vout=−(500/100)×1 V=−5 V입니다. 비반전 입력에 1 V를 넣고 반전 입력에서 0 V로 100 Ω, 출력으로 400 Ω을 연결한 비반전 회로라면 Vout=(1+400/100)×1 V=+5 V입니다. 두 예시는 크기가 같아도 부호가 다릅니다. 이는 이상적 연산증폭기의 음의 되먹임 관계로 구한 값이며 실측 결과가 아닙니다.

이 1 V·저항값 예시는 앞의 PIR 기판에 넣을 시험 신호나 권장 부품값이 아닙니다. PIR 사례의 10 Hz·2 mV 피크 대 피크·900 mV 기준과 두 단계의 주파수 응답은 그대로 구분합니다. 실제 회로에서는 입력 허용 범위, 전원 전압과 출력 스윙, 되먹임 저항까지 포함한 출력 부하·전류, 필요한 대역폭을 확인해야 합니다. 특히 0 V보다 낮은 전원을 제공하지 않는 일반적인 단전원 회로에서 −5 V 출력을 기대하거나, 출력이 양의 전원 전압까지 반드시 도달한다고 가정해서는 안 됩니다. 계산값에 도달하지 못하면 입력 진폭뿐 아니라 포화와 부하 조건도 함께 확인합니다.

1. 전원과 기록 경로를 확인합니다

전원을 넣고 포고를 접촉시킨 뒤 검사 펌웨어를 기록하고 UART 시작 로그를 확인합니다. 기록에 실패하면 기판을 바로 불량으로 분류하지 말고 포고 접촉, 전원 전압, 기록·통신 배선을 먼저 검사합니다. 기록 성공은 그 조건에서 제어기와 전원 경로가 작동했다는 뜻입니다. 역극성 보호에 쓰인 P채널 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 전압으로 전류 경로를 제어하는 트랜지스터입니다. 이 부품이 반대 방향 전원을 실제로 차단하는지는 별도의, 회로가 허용한 안전한 시험으로 확인해야 합니다.

이 사례에서는 기판 안의 검사 펌웨어가 단계별 결과를 UART로 보내고, 컴퓨터의 파이썬(Python) 스크립트가 이를 받아 실패 여부와 어느 단계에서 멈췄는지 파악했습니다. 시작 로그조차 오지 않으면 회로의 특정 검사 단계가 실패했다고 단정하지 말고 전원·포고·통신 연결부터 다시 확인합니다.

2. 두 색 LED를 차례로 켭니다

검사 펌웨어가 두 색 LED(Light-Emitting Diode, 발광 다이오드)의 빨강과 초록을 각각 잠시 점멸시키면 작업자가 두 색을 확인합니다. 한쪽만 켜지지 않으면 LED 방향과 납땜, 직렬 저항, 구동 핀을 살펴봅니다. 육안 점멸은 두 발광 경로의 간단한 동작 확인이며, 밝기나 색의 정량 규격까지 통과했다는 뜻은 아닙니다.

3. DC-DC 전원 경로를 전환합니다

DC-DC 변환기(DC-to-DC converter)는 직류 전압을 다른 직류 전압으로 바꿉니다. 사례의 제어기는 외부 인덕터(inductor) 두 개를 쓰는 내장 강압형 변환기(buck regulator)를 켜서 검사했습니다. 강압형은 더 높은 입력 전압을 더 낮은 출력 전압으로 바꾸는 방식이며, 인덕터는 자기장에 에너지를 저장해 전압 변환에 참여합니다. 이 기능을 켜기 전후의 로그와 전원 전압을 봅니다. 전환 직후 로그가 끊겼다면 인덕터 실장·납땜을 조사하되, 그 현상만으로 인덕터 누락을 확정하지는 않습니다. 전원 강하, 리셋, 포고 이탈, UART 접촉 불량도 같은 로그 중단을 만듭니다.

4. 저주파 클록을 독립 기준과 비교합니다

클록(clock)은 회로가 시간을 세는 기준 신호입니다. 한 검사 사례에서는 32.768 kHz 저주파 수정 발진자의 32,768주기, 곧 약 1초 동안 16 MHz 고주파 계수 기준의 틱을 읽고 기대값과 ±1%를 비교했습니다. 두 클록이 정확히 그 주파수이고 계수 창이 정확히 1초라고 가정하면 이상적인 계수는 16,000,000이며, ±1%의 계산상 범위는 15,840,000~16,160,000입니다. 이는 계산 예시이며 실측 계수나 모든 보드의 합격 창이 아닙니다. 여기서 16 MHz는 계수 클록이며 16 MHz 수정 부품이 따로 있다는 의미도 아닙니다. 실제 저주파 클록 원천이 외부 수정인지 확인하고, 두 클록이 안정된 뒤 측정해야 합니다. 내부 RC 클록으로 대체되어도 숫자가 그럴듯하게 나올 수 있습니다. 새 검사 프로그램을 만든다면 1초에 1,600만 회를 담을 수 있는 타이머 폭이나 넘침 처리도 확인해야 합니다. 16비트 카운터에는 그 값을 한 번에 담을 수 없습니다. ±1% 역시 이 기판의 검사 조건이며 모든 수정의 규격은 아닙니다.

이 방식은 16 MHz 고주파 클록이 이미 정상이라고 가정한 상대 비교입니다. 계수가 허용 창을 벗어나도 저주파 수정만 불량이라고 단정할 수 없습니다. 저주파 클록 원천과 함께 고주파 계수 기준 자체, 측정 창과 타이머 넘침을 확인해 어느 조건이 달라졌는지 나눠 봅니다.

5. 직류 기준과 느린 필터를 검사합니다

이 기판은 저항 두 개로 전원 전압(VDD, supply voltage)을 나누어 그 절반을 기준으로 만들었습니다. RC 저역통과 필터(Resistor-Capacitor low-pass filter)는 저항과 커패시터를 이용해 빠른 교류 변화를 줄이고 느린 변화나 직류 성분을 남깁니다. 한 검사 사례의 차단 주파수는 0.21 Hz이며, 이 필터로 증폭기 출력의 직류 중심을 읽었습니다. ADC(Analog-to-Digital Converter, 아날로그-디지털 변환기)는 필터 출력 전압을 숫자로 바꿉니다. 1초 동안 ADC 표본을 평균해 사전에 정한 기대값의 ±5% 안에 있는지 비교할 수 있습니다. 이 평균 시간만으로 전원 투입 후 필터의 안정 대기 시간이 정해지지는 않습니다. 검사를 구현할 때 안정 대기와 1초 평균을 분리해야 합니다. 이상적인 1차 RC 필터라면 시간상수(τ)는 τ = 1/(2πf_c)입니다. 여기서 f_c는 차단 주파수(cutoff frequency)입니다. f_c = 0.21 Hz이면 τ는 약 0.76초입니다. 큰 전압 변화 뒤 잔여 오차가 5% 이하가 되는 데만 약 3τ ≈ 2.3초가 필요하다는 계산 예시입니다. 실제 대기 시간은 회로의 초기 상태, 필터의 추가 단계, ADC 기준·획득 조건으로 검증합니다. 분압점과 필터 출력을 따로 측정할 수 있으면 실패 원인을 나누기 쉽습니다.

6. 증폭 출력의 주파수를 검사합니다

첫 제로 크로싱(zero crossing)를 기다린 뒤 1초 동안 교차 횟수로 증폭 출력 주파수를 판정할 수 있습니다. 이 방법을 구현할 때는 교차 방향과 직류 기준을 먼저 정해야 합니다. 예를 들어 출력의 직류 중심을 기준으로 파형이 위로 통과하는 상승 제로 크로싱(rising zero crossing)만 셀 수 있습니다. 10 Hz 사인파는 1초에 중심을 상승하며 약 10회, 하강하며 약 10회 통과합니다. 두 방향을 모두 세어 20회를 20 Hz로 해석하면 안 됩니다. 첫 상승 교차를 시작점으로 잡고 t₀ ≤ t < t₀ + 1초 창에서 상승 교차만 세면 이상적인 10 Hz 입력의 기대값은 10회입니다. 또는 이웃한 두 상승 교차의 시간차로 주파수를 구합니다. 중심 근처의 잡음으로 한 번의 교차가 여러 번 감지되지 않도록 검출 조건을 정하고, 증폭기 출력이 안정된 뒤 계수를 시작합니다. 주파수가 맞아도 진폭과 파형 왜곡까지 정상이라는 뜻은 아닙니다.

7. 가변저항 두 설정의 출력 응답을 비교합니다

디지털 가변저항의 두 설정에서 증폭 출력의 실효값(Root Mean Square, RMS)을 측정해 비율을 계산합니다. 실효값은 파형 표본의 제곱을 평균한 뒤 제곱근을 취한 값입니다. 이 비율을 합격 기준으로 쓰려면 구체적인 설정값·기대 비율·직류 성분 처리 방법을 회로에 맞게 정해야 합니다. 새 기판에 적용할 때는 입력 진폭과 관찰 시간도 함께 고정합니다. 교류 성분만 비교하려면 각 구간의 평균 v̄를 뺀 표본으로 V_AC,RMS = √[Σ(vᵢ−v̄)²/N]을 구할 수 있습니다. 여기서 vᵢ는 i번째 전압 표본, N은 표본 수, v̄는 해당 구간 표본의 평균입니다. 두 설정의 실효값 비율과 합격 범위는 회로 계산과 시제품 측정으로 정합니다. 직류 오프셋이 큰 상태에서 총 RMS만 비교하면 교류 출력의 변화를 놓칠 수 있습니다.

이 기판의 회로도 주석에는 첫 증폭단의 하한·상한 차단 주파수(lower and upper cutoff frequencies)가 설계값 약 0.22 Hz·15.6 Hz로 적혀 있습니다. 하한 차단 주파수는 그보다 낮은 신호가 약해지기 시작하는 경계이며, 상한은 그보다 높은 신호에 대한 경계입니다. 10 Hz 시험 신호는 그 설계 대역 안에 있지만, 이것만으로 실제 주파수 응답을 측정한 것은 아닙니다. 가변저항을 바꾸면 두 번째 증폭단의 하한 차단 주파수와 증폭기 전체의 이득(gain)이 함께 달라집니다. 따라서 두 설정의 10 Hz 출력 실효값 비율은 그 주파수에서 회로 전체가 보인 응답 차이이며, 순수한 이득 변화나 하한 차단 주파수의 값을 각각 증명하지는 않습니다. 하한 차단 주파수도 검사 대상이라면 각 설정에서 입력 주파수를 여러 값으로 바꾸어 출력을 측정하고 회로 요구 조건과 비교해야 합니다.

각 단계의 시작과 통과 시점을 로그에 남기면 마지막으로 확인된 회로가 어디인지 알 수 있습니다. 다만 로그가 끊긴 지점과 고장난 부품이 일치한다고 단정하지 않습니다. 같은 지그에 기판을 다시 장착했을 때 결과가 바뀐다면 접촉 문제를 먼저 의심하고, 안정적으로 같은 단계에서 실패한다면 그 단계의 입력과 출력 전압을 직접 재어 범위를 좁힙니다.

통과 뒤에는 제품 기록과 완성품 검사를 분리합니다

일곱 단계를 통과하면 검사 펌웨어 대신 제품 펌웨어를 기록하고, 기록이 끝났는지 다시 확인합니다. 한 생산 사례에서는 제품 코드, 하드웨어 개정, 제조 거점 코드, 제조일, 당일 일련번호를 조합한 고유 식별자(unique device ID)를 비휘발성 메모리(non-volatile memory)에 남겼습니다. 비휘발성 메모리는 전원을 꺼도 기록이 유지됩니다. 시험 로그에도 같은 식별자를 남겨야 나중에 특정 기판의 검사 기록과 연결할 수 있습니다. 이 구성은 추적 방법의 사례일 뿐 모든 제품의 필수 필드는 아닙니다. 해당 사례에는 별도로 기록할 보정 데이터(calibration data)가 없었습니다. 다른 제품에서 측정 오차를 보정할 값이 필요하면 그 기록·재확인 절차를 시험 설계에 포함해야 합니다.

이 사례에서 통과 결과를 받은 뒤 제품 펌웨어를 기록하고 고유 식별자를 생성·저장한 쪽은 기판의 검사 펌웨어가 아니라 컴퓨터 측 파이썬 스크립트였습니다. 검사 펌웨어의 단계별 결과와 컴퓨터가 수행한 제품 전환·식별자 기록은 서로 다른 완료 단계로 남겨야 어디까지 진행됐는지 추적할 수 있습니다.

이때 센서와 버튼·오디오 연결부는 아직 기판 시험 범위 밖에 있습니다. 조립 후에는 PIR 입력의 실제 변화와 외부 연결부를 포함하는 완성품 검사 기준을 따로 정합니다. 기판 검사에서 쓰던 10 Hz 입력이나 ±5% 기준을 완성품 검사에 그대로 전용해서는 안 됩니다. 실제 센서 자극과 커넥터 접촉, 완성품 응답에 맞는 조건을 별도로 정해야 합니다.