항해 31일) CS- 6장 입출력과 네트워킹 ( ~ 아날로그를 디지털로 변환)

아날로그 처리 방법

아날로그

아날로그는 외부적인 원인에 의해 연속적으로 변하는 것들을 '연속된 물리량'으로 나타내는 방법이다.

아날로그 신호(Analog Signal)라 하면, 연속적인 값(아날로그 데이터)들이 전기적 신호로 변환된 형태를 의미한다.

 

예시)

 

 

디지털

아날로그와 반대되는 말으로, 자료를 연속적인 실수가 아닌, 특정한 최소 단위를 갖는 이산적(離散的)인 수치를 이용하여 처리하는 방법을 말한다.

연속적이지 않고, 뚝뚝 끊어져 있다는 말이다.

 

예시)

 

디지털을 아날로그로 변환

DA 변환기(digital-to-analog converter, D/A, DAC)

• 디지털을 아날로그로 바꾸는 변환기 이며 DA 변환기(DAC)는 전압을 만들어 낸다.
• DAC를 사용해 아날로그 파형을 만들 수 있다. 예) 오디오 플레이어, 음악 신디사이저.
• DAC 입력을 일정한 비율로 변경하면 파형을 만들 수 있고 메모리를 장치에 넣어 더 복잡한 파형을 만들 수 있다.
• 이 장치는 추가 회로를 통해 메모리에 있는 데이터를 읽는다.

 

FIFO 

FIFO(First in First out, 선입선출)

• CPU가 수행하는 다른 작업과 무관하게 데이터를 일정한 비율로 읽어서 처리하기 위해 그림 6-25 처럼 FIFO(First in First out, 선입선출) 설정을 만들어서 이를 구현한다.
• FIFO설정이 되어 있는 FIFO 메모리 

• 높은 워터 마크(high-water mark) - FIFO가 거의 꽉 찼을 때 인터럽트를 발생시킨다.
• 낮은 워터 마크(low-water mark) - FIFO가 거의 빈 상태가 됐을 때 인터럽트를 발생시킨다.

이것은 마치 수위가 낮은 워터 마크보다 낮아지면 펌프를 가동해 물을 탱크에 넣고 수위가 높은 워터 마크에 이르면 펌프를 끄는 물탱크 동작과 비슷다. 그래서 FIFO는 각기 다른 속도로 동작하는 여러 요소를 서로 결합할 때 아주 유용하다.

 

 

 

큐(Queue) 자료 구조

큐(Queue)는 컴퓨터의 기본적인 자료 구조의 한가지로, 먼저 집어 넣은 데이터가 먼저 나오는 FIFO(First In First Out)구조로 저장하는 형식을 말한다. 영어 단어 Queue는 표를 사러 일렬로 늘어선 사람들로 이루어진 줄을 말하기도 하며, 먼저 줄을 선 사람이 먼저 나갈 수 있는 상황을 연상하면 된다.

나중에 집어 넣은 데이터가 먼저 나오는 스택과는 반대되는 개념이다.

큐 (FIFO구조로 저장하는 자료구조)

 

 

아날로그를 디지털로 변환

AD변환기(analog-to-digital converter, A/D, ADC)

• 디지털 신호처리를 실시간으로 하려면 먼저 빠른 속도로 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환(A/D ; Analog-to-Digital conversion)하여야 한다.

샘플링 (Sampling, 표본화)

• 샘플링은 아날로그 신호를 일정한 주기로 값을 측정하는 것이다. 
• 샘플링을 하게 되면, 자연히 정보의 양이 줄어들고 간단한 과정으로 데이터 처리를 할 수 있고 필요한 자원을 아낄 수 있다. 

샘플 앤드 홀드(sample and hold)

• 디지털화한 파형이 아날로그 파형과 닮기 위해서는 여러번 샘플을 얻어야 한다.
• 샘플 앤드 홀드(sample and hold)라는 회로를 사용해 아날로그 파형의 값을 잡아낼 수 있다.

• 스위치를 닫아서 샘플을 얻으면 아날로그 신호의 현재 값이 저장 탱크에 저장된다.
• 저장 탱크에 안정적으로 들어 있는 이 값을 측정해 디지털값을 만들어 낼 수 있다. 

 

 

아날로그-디지털 변환기의 유형

비교기 (comparator)

• 문턱값과 샘플 데이터를 비교하는 장치이다.
• 두 전압 중 어느 쪽이 더 높은지를 알려준다.
• +입력 신호가  -입력 신호보다 더 크거나 같으면 출력이 1이고 그렇지 않으면 0이다.

 

1. 플래시 변환기(flash converter) 플래시 ADC

      병렬 비교형 ADC

• 기준 전압과 각각의 비교기로 비교하는 방식을 사용하므로 한 단계에 비교가 완료되어 ADC중 가장 속도가 빠르다.
• 플래시 변환기는 특히 정밀도가 증가함에 따라 다른 ADC에 비해 엄청난 수의 비교기가 필요해 가격이 비싸다.
• 이 방식은 가격이 비싸지만 매우 빠른 처리속도가 요구되는 영상신호 처리, 디지털 메모리 오실로스코프(DSO; Digital Memory Oscilloscope), 레이다 등의 분야에 사용된다.

플래시 변환기는 비교기마다 다르게 고정된 몇 가지 기준 전압을 사용한다. 기준 전압을 변화시킬 수 있다면 비교기를 하나만 써도 된다. 이런 기준 전압은 DAC에서 얻을 수 있다.

 

 

2. 계수 비교형 ADC

• 그림 6-29는 저장 탱크에서 나온 샘플값을 DAC의 값과 비교하기 위해 비교기를 사용하는 회로이다.
• Clear가 활성화되면 샘플값이 DAC값과 같아질 떄까지 카운더가 수를 센다.

• 카운터값은 0부터 출발한다.
• +샘플값과 -DAC값이 같아지면 비교기의 출력이 0이 되면서 카운터가 비활성화되므로 원하는 값을 얻고 끝난다.
• 마지막에 카운터에는 샘플을 디지털로 변환한 값이 들어 있다.

 

 

3. 램프 변환기(ramp converter), 계단형ADC(staircase ADC)

       이중적분형 ADC(Dual-slope integerating ADC)

AD변환기 회로의 동작

DAC 출력이 마치 경사로를 올라가는 것처럼 변하기 때문에 이런 ADC를 램프 변환기(ramp converter)라고 부른다.

램프 변환기는 신호에서 얻은 샘플의 크기에 선형으로 비례하는 시간이 걸리기 때문에 변환에 오랜 시간이 걸리고 입력 신호의 크기에 따라 달라지는 단점이 있다.

 

 

4. 연속 추정 변환기(successive approximation converter)

       축자 비교형(축자 근사형) ADC

램프 변환기 작업을 우회하는 방법

 

• 축차비교형 ADC는 SAR(successive Approximation Register)을 사용하여 최상위 비트로부터 순서대로 하위 비트 쪽으로 수정하여 가는 방법으로 DAC의 출력을 훨씬 빨리 아날로그 입력 전압에 근사시킨다.
• 비교적 변환시간이 빠르고 회로도 간단하여 현재 저가형이면서 분해능이 비교적 높은 범용 A/D Converter에 가장 널리 사용되고 있다.
• 변환 중에 아날로그 입력전압이 일정하게 유지되어야 하므로 샘플/홀드가 반드시 필요하다.

 

 

 정리

	램프 변환기 (이중적분형)	계수비교형 (추적비교형)	연속 추정 변환기 (축차비교형)	플래시형 (병렬비교형)
변환시간 분해능 회로구성 가격	가장늦다 중간 정도 간단 중간	늦다 낮다 가장 간단 가장 낮다	빠르다 높다 복잡 높다	가장 빠르다 가장 낮다 가장 복잡 가장 높다

< 주요 A/D 컨버터 방식의 특성 비교>

 

 

 

 

참고

*아날로그, 디지털

아날로그와 디지털. :: BlaCk_Log (tistory.com)

*큐 (자료 구조)

큐 (자료 구조) - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 (wikipedia.org)

*Queue 이미지

FIFO 페이지 교체 알고리즘 (tistory.com)

*ADC 종류 및 특징 요약

ADC /AD Converter/ : 네이버 블로그 (naver.com)

Trial and error :: ADC방식의 종류 (tistory.com)