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ADC/DAC를 배워봅시다.


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글/Pat Sagsveen, Digi-Key Electronics 제공


오늘날의 세상은 디지털 신호와 아날로그 신호가 넘쳐난다. 이러한 신호는 서로 다르게 동작하지만 두 신호는 모두 더 큰 목표를 달성할 수 있도록 도와준다. HVAC 장치 제어 작업을 수행하는 엔지니어를 상상해 보자. 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서를 사용하려면 무한대의 값을 가진 아날로그 온도를 읽어서 이산 소자 스텝에 레이아웃되는 이진 표현으로 변환할 수 있어야 한다. 이 이진 표현 아날로그 값은 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서에서 처리된다.
이 데이터는 HVAC 장치에서 공정을 실행하여 안정적인 환경을 유지할 수 있도록 도와준다. 디지털 시스템에서 처리되어야 하는 아날로그 값을 처리할 경우 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 필요하다. 아날로그 신호로 변환되어야 하는 디지털 신호에도 동일한 이론을 적용할 수 있다. 온라인으로 노래를 스트리밍할 경우 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 데 사용되는 몇 가지 스텝을 포함한다.
서버로부터 호스트 장치에 수신되는 신호는 원본 아날로그 신호의 이진 표현이다. 이 이진 데이터의 가청 응답은 수신자가 이해할 수 없다. 원본 신호가 아날로그이므로 최종 신호도 아날로그여야 한다. 이 문제는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)를 사용하면 해결된다. 이러한 유형의 장치에서는 아날로그 디지털 컨버터에서 인코딩된 이진 코드를 가져와서 아날로그 전압으로 되돌린다.
아날로그 디지털 신호 변환 또는 디지털 아날로그 신호 변환은 오늘날의 엔지니어에게 불가피한 작업이다. 다양한 종류의 아날로그 디지털 컨버터 및 디지털 아날로그 컨버터가 있다. 종류마다 아키텍처가 다르지만 모든 컨버터는 비슷한 용도로 사용된다. 아날로그 값으로 디지털 신호를 처리할 수 없다. 이는 프랑스어를 사용하는 사람이 독일어를 사용하는 사람과 대화하려고 하는 경우와 비슷한다. 통역이 없이는 가능하지 않다.
ADC 장치와 DAC 장치가 통역 역할을 할 수 있다. ADC에서는 아날로그 전압이 표시되면 지정된 기간에 아날로그 전압을 이진 코드로 전환한다. 즉, ADC에서는 즉시 아날로그 전압을 샘플링한 다음 ADC의 출력 부분에서 이진 값을 결정한다. 장치에서 초당 가져오는 샘플량은 설명서에 명시되어 있다.
예를 들면 Maxim Integrated의 MAX1118EKA+T가 있다. 이 장치는 샘플링 속도가 100kHz이므로 입력 부분에서 초당 100,000회의 속도로 아날로그 전압을 샘플링할 수 있다. 초당 이렇게 많은 샘플을 가져올 수 있으므로 이진 해석을 사용하여 아날로그 전압을 정확히 기록할 수 있다. ADC의 샘플링 속도가 낮아서 앨리어싱을 일으키는 입력을 정확히 다시 생성할 수 없는 경우도 있다. 이 경우 신호가 다른 신호 또는 다른 신호의 앨리어스와 구분되지 않는다. 녹화할 때 초당 24프레임을 촬영할 수 있는 동영상 카메라를 상상해 보라.
대부분의 응용 분야에서는 이 정도로 충분하지만, 매우 빠르게 움직이는 사물을 보려는 경우에는 그림이 왜곡될 수 있다. 90년대 후반에 TV 시청이 녹화에 미친 영향을 생각해 보자. TV의 그림이 깜박거린다. TV 화면 주사율이 녹화 시 지정된 초당 프레임 속도로 캡처할 수 있는 것보다 훨씬 더 빠르기 때문이다. 동영상은 실제로 연속된 일련의 그림이므로 이미지가 왜곡된다. 이러한 왜곡은 동영상에 실제로 나타나는 각 그림 사이에서 많이 발생한다. ADC에서도 동일한 효과가 발생할 수 있다. 이 문제를 방지하려면 샘플링 속도가 전송해야 하는 최대 주파수보다 2배 이상 높아야 한다. 이를 나이퀴스트 속도라고 한다.
샘플링 속도가 높을수록 장치는 더 정확할 수 있지만 이것이 정확성을 제어하는 유일한 방법은 아니다. 이 경우 아날로그 신호를 이진 코드로 변환하므로 특정 시점에 전압을 표시하는 데 사용할 수 있는 이산 소자 스텝은 한정적이다. 이 수를 표시하는 데 사용될 수 있는 비트 수가 분해능이다. ADC의 분해능이 높을수록 ADC에서 사용할 수 있는 이산 소자 스텝이 더 많아진다. 자세히 알아보려면 ADC에서 만들 수 있는 스텝 수를 결정하는 방법을 이해해야 한다. ADC에는 공급 전압을 나타내는 이진 출력이 있다. 공급 전압이 10V이고 8비트 ADC가 있을 경우 256스텝이 가능하다.
분해능을 결정하려면 2n 방정식을 사용한다. ‘2’는 상수이고 N은 비트 수이다. 28을 적용하면 256스텝이 된다. 10V 공급 전압에서 256스텝을 사용할 경우 각 스텝은 39.0625mV가 된다. 스텝마다 다른 이진 코드가 있다. 가장 낮은 스텝부터 가장 높은 스텝까지 ADC에서 사용 가능한 모든 입력 옵션을 실행할 경우 계단의 아웃라인이 표시된다. 이 계단은 ADC의 전달 함수이다. 그림 1은 2V 레퍼런스를 제공하는 3비트 ADC를 통한 전송을 보여준다.
3비트가 있으므로 다음과 같이 2n 방정식을 사용하여 총 스텝 수를 계산할 수 있다...(중략)

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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