자동차 ECU는 수십 종의 센서 신호를 실시간으로 디지털화해 제어 판단에 활용합니다. 이때 흔히 해상도 비트 수나 분해능에만 주목하지만, 실제 신호 정밀도를 크게 좌우하는 요소 중 하나가 ADC 샘플링 지터(Sampling Jitter) 입니다. 샘플링 지터는 눈에 잘 드러나지 않지만, 특정 조건에서는 센서 신호 품질과 제어 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 글에서는 ECU 내부 ADC에서 발생하는 샘플링 지터가 센서 신호 정밀도에 어떤 방식으로 작용하는지 구조적으로 살펴봅니다.
ECU에서 ADC가 맡는 역할
ECU 내부 ADC는 아날로그 센서 신호를 일정 주기로 샘플링해 디지털 값으로 변환합니다. 이 과정은 연료 분사량 계산, 점화 시기 결정, 모터 토크 제어, 배출가스 제어 등 거의 모든 제어 로직의 출발점이 됩니다. 따라서 ADC가 언제, 어떤 시점의 신호를 잡아내느냐는 변환 값의 정확도뿐 아니라 제어 결과의 일관성에도 영향을 줍니다.
샘플링 지터란 무엇인가
샘플링 지터는 ADC가 이상적으로 의도된 샘플링 시점에서 벗어나 미세하게 앞서거나 늦게 샘플링되는 시간 오차를 의미합니다. 즉, 샘플링 주기는 일정해 보이지만, 실제 변환 순간은 매번 조금씩 흔들립니다. 이 시간 오차는 나노초에서 마이크로초 수준으로 매우 작지만, 신호의 변화 속도가 빠를수록 그 영향은 크게 증폭됩니다.
지터가 없는 이상적인 샘플링과의 차이
이상적인 경우 ADC는 정확히 동일한 시간 간격으로 신호를 샘플링합니다. 하지만 실제 ECU 환경에서는 클록 노이즈, 인터럽트 간섭, DMA 트리거 지연, 전원 노이즈 등의 요인으로 인해 샘플링 시점이 완벽히 일정하지 않습니다. 이로 인해 같은 아날로그 신호라도 변환 시점의 미세한 차이로 서로 다른 디지털 값이 생성될 수 있습니다.
신호 변화율과 지터 민감도의 관계
샘플링 지터가 문제가 되는 핵심 조건은 신호의 변화율입니다. 신호가 거의 변하지 않는 구간에서는 지터가 있어도 샘플 값의 차이가 크지 않습니다. 그러나 센서 신호가 급격히 변하는 구간에서는 아주 작은 시간 오차도 큰 전압 차이로 이어질 수 있습니다.
예를 들어 회전 속도 센서, 노크 센서, 전류 센서처럼 고주파 성분이 포함된 신호는 지터에 매우 민감합니다. 이 경우 지터는 실제 신호 노이즈처럼 작용해 측정 분산을 키우게 됩니다.
ADC 해상도와 지터의 상호작용
ADC 해상도가 높아질수록 샘플링 지터의 영향은 더 두드러집니다. 이유는 해상도가 높다는 것은 한 비트가 표현하는 전압 변화가 매우 작다는 뜻이기 때문입니다. 지터로 인해 발생한 시간 오차가 전압 오차로 환산되면, 이 오차가 하위 비트 영역을 쉽게 흔들게 됩니다.
즉, 비트 수를 늘려도 샘플링 지터가 충분히 억제되지 않으면 실제 유효 분해능은 기대보다 낮아질 수 있습니다.
ECU 내부 구조가 지터를 유발하는 경로
ECU 내부에서 샘플링 지터는 여러 경로로 발생합니다. 대표적으로 ADC 트리거가 CPU 인터럽트에 의존하는 경우, 다른 태스크 실행 타이밍에 따라 샘플링 시점이 흔들릴 수 있습니다. 또한 ADC 클록이 메인 클록에서 분주되어 생성될 경우, 분주기와 PLL의 위상 노이즈도 지터로 이어집니다.
전원 노이즈 역시 ADC 내부 비교기의 임계 시점을 미세하게 흔들어, 결과적으로 시간 오차와 유사한 효과를 만들어냅니다.
센서 신호 정밀도에 나타나는 실제 영향
샘플링 지터가 누적되면 센서 신호는 다음과 같은 특성을 보이게 됩니다. 동일 조건에서도 측정 값의 분산이 증가하고, 평균값은 유지되지만 순간값의 신뢰도가 떨어집니다. 제어 알고리즘 입장에서는 이 값이 노이즈로 인식되어 필터링 강도를 높이게 되고, 그 결과 응답 지연이나 제어 감도가 둔해질 수 있습니다.
특히 폐루프 제어 시스템에서는 지터로 인한 미세한 오차가 위상 여유를 감소시켜, 제어 안정성에 간접적인 영향을 주기도 합니다.
소프트웨어 필터링의 한계
샘플링 지터로 인한 오차는 단순한 전압 노이즈와 다릅니다. 시간축에서 발생한 오차이기 때문에, 이동 평균이나 저역통과 필터로 완전히 제거하기 어렵습니다. 필터를 강하게 적용하면 노이즈는 줄어들지만, 동시에 실제 신호의 빠른 변화도 함께 지워져 제어 응답성이 저하됩니다.
따라서 지터 문제는 사후 필터링보다 사전 구조 개선이 더 중요합니다.
설계 단계에서의 대응 전략
ECU 설계에서는 ADC 샘플링 지터를 줄이기 위해 하드웨어 트리거 기반 샘플링, 전용 ADC 클록 사용, 샘플링과 연산 분리 구조를 적용합니다. 또한 신호 변화가 큰 구간에서는 샘플링 타이밍을 고정하거나, 다중 샘플 평균 기법을 사용해 지터 영향을 완화합니다.
중요한 점은 지터를 완전히 제거하기보다, 제어 목표에 영향을 주지 않는 수준으로 제한하는 것이 현실적인 설계 목표라는 점입니다.
정리
ECU 내부 ADC의 샘플링 지터는 센서 신호 정밀도를 조용히 잠식하는 요소입니다. 신호 변화율이 클수록, ADC 해상도가 높을수록 그 영향은 더 크게 드러납니다. 샘플링 지터는 단순한 노이즈 문제가 아니라, 시간 정확도의 문제이며, 제어 안정성과 직결됩니다. 결국 고정밀 ECU 설계에서 중요한 것은 비트 수 경쟁이 아니라, 언제 측정하느냐를 얼마나 정확히 통제할 수 있는가에 달려 있다고 볼 수 있습니다.