아날로그 디지털 변환회로, ADC(Analog to Digital Converter)란?

전자회로에 관심이 있는 분이라면 아날로그회로, 디지털회로란 말을 접해보셨을텐데

 

 

 

 

ADC란 무엇인가?

 

아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter)의 약자로 연속적인 아날로그 신호를 0과 1로 구성된 디지털 신호로 변환하는 IC칩이다.

 

 

 

ADC의 동작 과정을 살펴보자. 

x축은 시간, y축은 전압이다.

 

x축에서 신호를 나누는 것은 sampling

 

y축에서 신호를 나누는 것은 quantization

 

 

Sampling / Analog to Digital Converter를 이해하기 위한 표본화

Sampling은 아날로그 신호를 일정한 간격을 가지고 해당 간격마다 아날로그의 신호를 취득하는 것을 뜻한다.

 

아날로그 신호는 시간에 따라 그 값이 연속적으로 존재하고 있기 때문에 아날로그 신호를 처리하려면 처리 속도 매우 빨라야하며, 이를 처리할 수 있는 처리 Core의 구조도 대용량을 처리할 수 있도록 구성되어 있어야 한다.

 

아날로그 신호를 아날로그 적으로 처리하기 위해서는 값싼 MCU로는 답이 나오지 않는다는 뜻이다.

또 ‘시간에 따라 연속적’이라는 말에 시간은 우리가 쪼개고 쪼개어도 그 사이에 연속적으로 흐르는 시간은 계속해서 존재하며, 그에 따라 존재하는 값들도 계속해서 존재한다는 뜻이다.

 

 

 

 

 

Quantization / Analog to Digital Converter를 이해하기 위한 양자화

 

양자화는 표본화 과정으로, analog 신호를 일정한 전압 레벨의 구간을 나눈 영역에 강제적으로 대응 시키는 과정을 뜻한다.

 

아날로그 신호를 일정한 전압 레벨에 따라서 대응시키는 과정은 표본화를 하는 이유와 비슷한데요.

 

전자에서 언급한 ‘시간에 따라 연속적’이라는 말에서 ‘연속적’인 값을 처리하기에는 아날로그 신호의 변화준위가 구분할 수 없을 정도로 넓기 때문입니다.

 

아래의 그림은 앞서 소개한 표본화 설명에서 소개했던 그림에서 나타낸 동일한 아날로그 신호를 이번엔 양자화 한 모습입니다.

 

양자화를 할 때 중요한 것이 바로 해상도(Resolution)입니다.

 

전압 레벨 구간을 촘촘하게 나누면 나눌수록 처리할 데이터의 양은 많아지지만 원래의 아날로그 신호에 매우 근사하게 접근할 수 있기 때문입니다.

 

 

여기까지 아날로그 신호를 가지고 시간도 구간을 나눠 해당하는 시간구간의 신호 값을 채취하였고, 신호도 전압 레벨에 따라서 그 구간을 나눠 이를 강제적으로 대응되도록 했습니다.

 

 

 

 

Encoding / Analog to Digital Converter를 이해하기 위한 부호화

표본화와 양자화를 포개어 실제적으로 디지털로 처리할 수 있도록 구성하는 부호화를 알아보도록 하자.

 

부호화란 표본화와 양자화가 상호적으로 이뤄진 후에 얻어진 데이터를 가지고 여기에 2진수의 코드를 부여하는 것이다.

 

부호화는 해상도에 따라서 코드의 경우의 수가 결정되는 것이 일반적인데, 예를 들어보면 어떠한 시스템에서 아날로그 신호를 처리하는 해상도가 4-Bit라면 각각의 경우에 부여할 수 있는 코드는 0000, 0001, 0010, 0011 … 1011, 1100, 1101, 1110, 1111인 16개의 코드를 부여할 수 있다.

 

 

아래의 그림은 표본화와 양자화의 영역을 포개어 실제적으로 디지털화하기 위한 코드를 얻기 위한 코드화를 수행하는 모습을 나타낸 그래프입니다.

위에서 소개한 "표본화 – 양자화 – 부호화"의 순서로 아날로그 신호를 처리하면 Transistor의 On/Off만으로 모든 데이터를 처리하는 디지털 시스템(우리가 학습하는 Microcontroller도 해당)에서도 실제 환경인 아날로그 데이터를 디지털 영역으로 가져와 처리하여 실생활에 유용한 기능을 제공하는 시스템을 구성할 수 있습니다.

 

 

 

참고블로그 : 땜쓰 전자연구소