쉽고 빠르게 ADC에 대해서 알아보자!
ADC( analog to digital converter)의 원리와 동작
ADC? 왜 필요해?
컴퓨터는 "빛의 밝기"를 알 수 있을까?
손전등을 켜고 밝기를 살짝살짝 바꿔본 적 있나?
밝기가 아주 부드럽게 바뀐 경험이 있을 것이다! 그런데 컴퓨터나 로봇은 이런 부드러운 변화를 그냥은 잘 모른다. 왜냐하면 컴퓨터는 "0 아니면 1", 또는 "숫자"로만 생각할 수 있기 때문이다.
"밝기" 같은 부드러운 값을 숫자로 바꾸는 것! = ADC! (아날로그-디지털 컨버터)
( Ex: 스마트폰 화면 조절, 조이스틱, 온도센서, 자동차 속도 등등)
ADC 역할
- 전압(아날로그 값) 읽음
- 그 값을 여러 구간으로 나눔
- 해당하는 구간 번호를 숫자로 출력
| 단계 | 설명 |
| 샘플링 (Sampling) | 아날로그 신호를 일정 시간 간격으로 잘라서 측정 ( 언제 값을 측정할지 정함, 초/Hz = 언제 읽을까? ) |
| 양자화 (Quantization) | 가능한 값들을 여러 단계로 나누고 가장 가까운 값으로 반올림 ( 값을 몇 단계로 나눌지 정함, 전압,단계 비트수 = 얼마나 정확히 나눌까? 2^8 = 256단계(0~255) ) |
| 디지털 변환 (Binary) | 양자화된 값을 2진수로 바꿔서 컴퓨터가 이해하게 함 ( 2^8 로 양자화 했다면 한번 보낼때 8bit 씩 보냄 = 0000 0000 ~ 1111 1111 = 0~ 255 ) |
ADC 3단계 ( Sampling, Quantization, Binary Encoding)
Sampling (샘플링) – 시간 축(Time domain)의 이산화
- 샘플링은 아날로그 신호 x(t)를 일정한 시간 간격으로 측정하여, 이산적인 시간 신호 x [n]=x(nTs )로 바꾸는 과정.
- Ts: 샘플링 주기, fs = 1/Ts : 샘플링 주파수
참고: 샘플링 주파수
[ 전자 ] 샘플링 주파수, 나이퀴스트 이론(Nyquist Theorem)
나이퀴스트 이론(Nyquist Theorem) 쉽고 빠르게 알아보자 나이퀴스트 이론(Nyquist Theorem)은 디지털 신호 처리에서 중요한 개념, 아날로그 신호를 디지털로 변환할 때 필요한 최소 샘플링 주파수에 대
donggreen.tistory.com
Quantization (양자화) – 진폭 축(Amplitude domain)의 이산화
- 샘플링된 연속값(실수)을 이산적인 진폭 값으로 근사하는 과정
- 무한한 아날로그 값을 2^N 개의 유한한 단계로 나눔
- N : 비트수
- Vref : 레퍼런스 전압
- Δ= Vref / 2^N : 하나의 단계 (LSB, Least Significant Bit)
Binary Encoding (이진 부호화) – 양자화된 값을 2진수로 표현
- 양자화된 값을 2진수로 표현하는 과정. 이진수는 디지털 회로가 직접 처리할 수 있는 형태이며,
ADC 출력은 대부분 Unsigned Integer (양수 와 0만 표현한다는 뜻) 형식으로 전달.
- 8비트 ADC, 양자화 결과 = 151 → 1001 / 0111
-10비트 ADC, 양자화 결과 = 751 → 10 / 1110 /1111
처리 시 주의 ( 비트 구성
- MSB (Most Significant Bit): 상위 비트
- LSB (Least Significant Bit): 하위 비트
- Endianness (Big/Little)도 통신 시 중요
요약
| 단계 | 기능 설명 | 실무시 주요 포인트 |
| Sampling(샘플링) | 아날로그 신호를 일정 간격으로 측정 | 샘플링 주파수, Anti-aliasing 필요 |
| Quantization(양자화) | 연속값을 유한 단계로 근사화 | 해상도(Bit), LSB, 양자화 오차 고려 |
| Binary Encoding | 양자화된 값을 2진수로 표현 | 출력 포맷, 통신 포맷, 비트 정렬 방식 중요 |
용어 설명
| 용어 | 의미 | 예시 |
| 연속 (Continuous) | 값이 부드럽게 이어짐 (무한한 중간값 존재) | 1.1 / 1.1111 / 2.1111 /3.568... |
| 이산 (Discrete) | 값이 딱딱 끊어진 상태 (중간값 없음) | 0 / 1 / 2 / 3 ..... |
| 이산화 (Discretization) | 연속된 신호를 끊어서 다루기 쉽게 만드는 과정 |
마무리
ADC는 단순히 전압을 숫자로 바꾸는 장치를 넘어, 아날로그 세계와 디지털 시스템을 연결하는 핵심 인터페이스이다. 샘플링과 양자화, 이진 부호화라는 세 단계를 거쳐 아날로그 신호는 컴퓨터가 이해할 수 있는 디지털 데이터로 변환된다. 이 과정은 센서 기반 제어, 신호 분석, 통신 시스템 등 거의 모든 임베디드 환경에서 기본이 되며, 시스템 설계의 정확도와 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 기초이지만, 결코 가볍게 다뤄서는 안 될 중요한 개념이다. 꼭 숙지하자!
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