[회로설계 - 기초이론] ADC(Analog to Digital Converter) 개념 쉽게 파악하기

오늘은 ADC의 개념과 동작원리에 대해 알아보도록 하겠다.
우선 ADC란? Analog to Digital Converter의 줄임말이다. 즉 아날로그의 신호를 디지털로 바꿔주는 장치를 뜻한다.

이론적인 내용은 연속적인 아날로그 신호를 이산적인 디지털로 바꾸는 것이고, 이처럼 수치화된 신호로 나누는 것을
표본화 또는 샘플링이라 하고, 단위 시간 동안 샘플링 횟수를 나타낸 분해능은 샘플링 주파수라 하는데, 이러한 이론적인
개념은 구글링만 해봐도 어디서든 더욱 깊게 확인할 수 있다.

오늘 주제는 ADC 개념 쉽게 파악하기이다. 이러한 이론적인 어려운 단어들 초보자들에게 복잡한 내용들은 생략하고,
누가 보아도 '아~ ADC라는 게 저런 내용이고 실제로 저렇게 쓰이는구나' 이렇게 될 수 있는데 초점을 맞추겠다.

 

 

 

 

1. 아날로그 신호란?
아날로그 신호는 쉽게 말하면 Voltage라고 생각하면 된다. 예를 들면 온도감지센서에서 20도를 3V로 표현해준다면 3V가 아날로그 신호에 해당하는 값이라고 생각하면 쉽다.
단순히 전압 레벨로 표현하는 신호들을 아날로그 신호라고 생각하면 이해하기 편하다.
가끔 아날로그 신호는 옛날에 쓰던 안 좋은 신호라는 인식이 있는데, 그런 개념과는 거리가 멀다.
상황과 어느 용도에 쓰이냐에 따라 아날로그 신호로도 쓰이고 디지털로도 쓰인다.

실제 아날로그 신호 파형이다. 곡선과 같이 연속적인 파형이며, 연속적인 신호이다.

 

2. 디지털 신호란?
디지털 신호란 우리가 흔히 아는 2진수인 0과 1로 표현되는 신호이다.
정보의 저장과 전달이 쉽고, 변형 없이 전달 가능하다.

특정한 값 기준으로 이상이면 1, 이하면 0으로 표현하여 컴퓨터나 코어 칩 같은 디지털 시스템과 통신할 때 사용한다.

3. 왜 아날로그 신호를 디지털 신호로??
가장 중요한 것은 왜 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어주는지를 알아야 한다.
우리가 일상에서도 체감할 수 있는 온도를 예로 들어 보겠다.
어떠한 시스템에서 50도의 온도 이상으로 시스템의 온도가 올라간다면 위험을 감지하고 전원을 꺼야 하는 시스템이 있다고 가정하자.
과연 이런 경우 어떻게 50도인 것을 판단할까?
가장 기본적으로는 50도의 온도를 감지하여 전압으로 표현해주는 온도센서의 IC를 사용해야 한다.
시스템 내부 모듈에 온도센서 IC를 통해 50도의 온도를 3V로 출력시켜주었다면 이 3V의 전압이 아날로그 신호이다.
근데 단순히 3V의 전압을 시스템의 내부 모듈에서 자체적으로 알려면 프로그래밍을 하여 제어를 해주는 코어 칩이 필요한 경우가 많다.(코어 칩이란 FPGA나 CPU 등이 있다.)
물론 하드웨어적으로도 구현할 수 있겠지만 요즘은 코어 칩을 이용하여 원하는 대로 제어하는 경우가 많다.
즉, 코어 칩에서 3V가 위험한 온도라는 것을 알려면 단순히 3V의 아날로그 신호로는 알 수가 없다.
오히려 전압이 바로 들어가면 입력 범위를 넘어선 전압이 들어오면 칩이 죽을 것이다.
제어를 해주려면 디지털 신호인 2진수의 bit data가 들어와야 한다.
3V의 아날로그 신호가 들어오면 2진수의 데이터로 변환하여 코어 칩에서 '50도 이상이니깐 차단시키자'라고 판단하여 동작해야 한다. 
이때 이렇게 변환해주는 것이 ADC IC이다.

 

4. 정리
ADC는 한마디로 아날로그 전압을 디지털 데이터로 변환하여 전달해주는 것이라고 생각하면 쉽다.
실제 3V의 아날로그 전압을 4bit의 레졸루션 ADC(기준 전압 5V) IC를 거쳐 출력된 디지털 데이터를 계산하여 표현하면 4비트 이므로 2^4 = 16이고 데이터 변환 수식(16 X 3V / 5V(기준 전압)) = 9.6 이므로 정수인 9를 데이터로 표현하면 1001의 데이터가 출력된다. 즉, 코어 칩에서는 1001 이상인 값이 들어오면 차단 동작을 시키도록 코딩하면 되는 것이다. 
이 내용은 이해를 돕기 위해 설명한 내용이고 아 그렇구나 이렇게 넘어가도 된다.
ADC는 단순히 내용만 보는 것보다는 IC분석과 회로설계를 한 후 직접 제어를 해보는 게 가장 이해가 쉽다.
추후 포스팅에서 ADC 관련 IC를 분석하고 더 나아가 회로까지 설계 후 CODING을 하는 강의까지 포스팅하도록 하겠다.

다음은 DAC에 관해 포스팅 후 ADC IC를 분석하고 차근차근 한 단계씩 도움을 주도록 하겠다.