AD 컨버터란?
AD 컨버터는 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 장치를 말하며, Analog와 Digital의 머리글자를 따서 AD 컨버터이며, A/D 컨버터라고도 표기합니다.
실세계의 정보는 대부분 연속적인 아날로그 데이터이지만, 이를 컴퓨터에서 처리하기 위해서는 0과 1로만 표현되는 디지털 데이터로 변환해야 하는데, AD 컨버터는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전자부품이며, 반대로 디지털 데이터를 아날로그 데이터로 변환하는 것을 DA 컨버터라고 합니다.
AD 컨버터는 다양한 아키텍처(변환 방식)가 있으며, 샘플링 속도와 해상도가 다릅니다. 따라서 목적에 따라 적합한 것을 선택해야 합니다.
AD 컨버터의 사용 용도
AD 컨버터는 우리의 일상 생활에서도 많이 사용되고 있습니다. 구체적으로 디지털 카메라나 오디오 기기입니다. 영상이나 소리 등의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 출력합니다.
다양한 전자기기에서는 아날로그 신호를 입력 정보로 활용해야 하지만, 내부 처리는 디지털 신호로 이루어집니다. 따라서 AD 컨버터가 필요합니다. 빛이나 온도 등을 다루는 기기에는 AD 컨버터가 탑재되어 있습니다.
디지털 카메라나 오디오 기기 등에서는 고속 전송이 필요하기 때문에 높은 샘플링 레이트의 고속 AD 컨버터가 개발되고 있습니다.
AD 컨버터의 원리
AD 컨버터가 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 과정은 크게 3단계로 나뉩니다.
연속적인 아날로그 신호를 주기적으로 잘라내어 샘플링을 합니다.
샘플링된 신호의 진폭을 이산적인 값으로 근사화합니다.
근사화된 신호를 0과 1의 바이너리로 표현하는 부호화가 이루어집니다. 부호화를 수행하는 회로를 인코더라고 합니다.
AD 컨버터의 성능을 나타내는 지표로 샘플링 속도와 분해능이 있습니다. 샘플링 속도는 변환 속도를 나타내며, 값이 클수록 빠른 변환이 가능합니다.
분해능은 얼마나 세밀하게 표현할 수 있는지를 나타내는 지표로, 비트수(부호화 시 2진수 자릿수)로 표현됩니다. 이 값이 클수록 정확하고 매끄럽게 표현할 수 있습니다.
샘플링 속도와 해상도는 서로 상충되는 관계로, 고속으로 샘플링할 수 있는 것은 해상도를 희생하고, 반대로 고해상도를 달성하기 위해서는 샘플링 속도를 늦춰야 합니다.
AD 컨버터 기타 정보
1. AD 컨버터의 해상도
AD 컨버터의 지표에 해상도가 있는데, AD 컨버터의 해상도는 입력된 아날로그 신호를 얼마나 세밀하게 수치화할 수 있는지에 대한 개념입니다. 단위는 bit로 표시되며, 8bit 데이터라면 2의 8승의 수치로 분해하여 0~255의 수치로 표시합니다. 일반적으로 bit 수는 8의 배수인 경우가 많습니다.
아날로그 입력이 0~2의 숫자이고, AD 컨버터가 8bit의 분해능이라고 가정하면, 2/(2^8-1) = 2/255 = 0.007843이 됩니다. 위에서 0~2까지 입력할 수 있는 8bit-AD 컨버터의 최소 분해능은 0.007843입니다. 고정밀 AD 컨버터로 32bit나 64bit 제품이 실용화되어 있습니다.
2. AD 컨버터의 샘플링 속도
AD 컨버터에서 해상도와 마찬가지로 중요한 지표로 샘플링 속도가 있는데, AD 컨버터에서 샘플링 속도란 아날로그 양을 얼마나 자주 샘플링하는지를 말합니다. 이것이 AD 컨버터의 작동 속도가 됩니다.
나이키스트 정리에 의해 AD 컨버터는 입력 아날로그 신호의 2배 이상의 주파수가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 AD 컨버터의 샘플링 속도는 입력 아날로그 신호 주파수의 2.2배 이상으로 설정됩니다.
3. AD 컨버터의 정확도
AD 컨버터에는 오차가 발생합니다. 예를 들어, 설계상 아날로그 입력이 0~2이고, 16bit AD 컨버터의 오차는 2/(2^16-1)=0.0000030518이 됩니다. 어느 정도의 정밀도로 샘플링해야 하는지는 위와 같은 계산을 통해 구할 수 있습니다.
주의해야 할 점은 AD 컨버터의 성능이 그대로 기기의 성능이 되는 것은 아니며, AD 컨버터의 입력 단자 앞에는 입력 보호 회로, 증폭기, 감쇠기 등이 설치되어 미세한 신호를 처리하게 됩니다.
이 부분에 따라 아날로그 신호가 영향을 받을 수 있으며, AD 컨버터의 주변 회로도 주의 깊게 선정하지 않으면 고정밀 AD 컨버터의 성능을 충분히 발휘하지 못할 수 있습니다.