[임베디드] ADC란?

ADC란 Analog to Digital Converter의 약자로 직역하면

아날로그 신호를 디지털 신호로 변경해준다라는 의미입니다.

임베디드 시스템 상의 모든 데이터와 연산은 1과 0의 디지털 신호로

처리가 되는데 입력이 아날로그로 들어올 시 임베디드는 이 아날로그 신호를

분석하기 위해 디지털 신호로 변경해야 하는데 ADC가 바로 그 중간 역할을 합니다.

 

 

1) 아날로그를 디지털로

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이 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하기 위해서는 다음과 같은 순서를 가집니다.

 

1. 필터링

제일먼저 필터링 작업을 하여 노이즈를 제거합니다.

아날로그 신호는 그 자체로 노이즈가 상당히 많기 때문에 필터링은 필수입니다.

 

2. 샘플링

이렇게 노이즈를 제거한 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸기 위해

x축을 기준으로 데이터를 분할합니다.

3. 양자화

양자화는 샘플링된 아날로그 신호를 디지털화하는 작업입니다.

샘플링을 통해 x축의 값들이 디지털화가 되었는데 y축 또한 디지털화시켜야 합니다.

양자화는 y축을 기준으로 디지털화하는 작업을 의미합니다.

예를들어 y축 신호의 값이 1.3 이면 1로 2.9는 3으로 매칭 시킵니다.

이때 resolution이라는 설정을 통해 값을 정수로 매칭 시킬지 소수점으로

매칭시킬지 정해주어야 합니다.

소수점으로 할 경우 데이터는 아날로그 신호에 더 근접하게 수렴하지만 그만큼

비례해서 데이터의 양이 많아집니다.

 

4. 부호화

이렇게 디지털화된 데이터를 2진수로 변환시켜주는 작업입니다.

위에서 정한 양자화의 해상도에 따라 코드가 결정이 되는 경우가 많은데

해상도가 만약 2bit라면 부여할 수 있는 코드는 00 01 10 11 4개의 코드가 됩니다.

 

 

2) 회로 구성

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ADC를 사용하기 위해서 가장 일반적이게 많이 쓰이는 레퍼런스 회로는

다음과 같이 구성합니다.

회로의 DAC는 디지털 신호를 아날로그 신호로 역변환합니다.

이 DAC의 출력이 아날로그 값과 Opamp 비교 연산을 수행하고

DAC 출력이 아날로 가 입력과 일치하는 순간의 값을 디지털로 출력하게 됩니다.

 

 

3) ADC 유형

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1. 직접 변환

직접 변환 ADC 또는 플래시 ADC는 뱅크 갖는 비교기 각각은 자신의 디코딩된 전압 범위에서

소성 병렬로 상기 입력 신호를 샘플링합니다.

비교기 뱅크는 각 전압 범위에 대한 코드를 생성하는 논리 회로를 제공합니다.

직접 변환은 매우 빠르며 기가 헤르츠 샘플링 속도가 가능하지만 대개 8 비트의 해상도 또는 그 이하가 필요합니다.

추가 비트 당 2 N -1의 비교기가 필요하므로 대형 고가의 회로가 필요합니다.

 

2. 병렬 비교기

이것은 가장 간단한 ADC입니다. 동시에 가장 빠르고 가장 비싼 기술입니다.

회로는 저항 분배 네트워크, 연산 증폭기 비교기 및 우선순위 인코더로 구성됩니다.

두 입력의 전압이 같을 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해 비교기에 작은 양의 히스테리시스가 내장되어있다.

저항 분배기의 각 노드에서 비교 전압을 사용할 수 있다.

회로의 목적은 아날로그 입력 전압을 각 노드 전압과 비교하는 것입니다. 이 회로는 변환이 순차적으로

이루어지기보다는 동시에 일어나는 것처럼 고속의 장점이 있습니다. 일반적인 변환 시간은 100ns 이하입니다.

변환 시간은 비교기와 우선순위 엔코더의 속도에 의해서만 제한됩니다.

 

3. 카운터 유형

D to A 변환기는 쉽게 A-D 변환 역함수를 제공하기 위해 뒤집을 수 있습니다.

원리는 DAC의 출력은 ± 내에 제공될 때까지 DAC의 입력 코드를 조정하는 1 / 2 진 디지털

형태로 변환될 아날로그 입력 LSB.

 

4. 서보 트래킹

이것은 ADC의 향상된 버전입니다. 회로는 카운트 방향을 제어하는 ​​비교기가 있는 업다운 카운터로 구성됩니다.

DAC의 아날로그 출력은 아날로그 입력과 비교됩니다. 입력이 DAC 출력 신호보다 크면,

비교기의 출력이 하이가 되고 카운터가 카운트 업됩니다. 트래킹 ADC는 간단하다는 장점이 있습니다.

그러나 단점은 새로운 변환 값이 아날로그 신호가 변경되는 속도에 정비례하므로 안정화에 필요한 시간입니다.